用多维NMR技术研究多肽和蛋白质的溶液结构.docx

用多维NMR技术研究多肽和蛋白质的溶液结构
引言
多肽和蛋白质是生物分子中非常重要的一类大分子。它们在生物组织的结构和功能中起着至关重要的作用。因此，对它们的结构和功能研究成为了当前生物学、生物化学和医药学领域中的热点问题。多维核磁共振（NMR）技术具有非常重要的应用价值，可以为多肽和蛋白质的结构研究提供非常便捷和精准的方法。本文将对多维NMR技术在多肽和蛋白质结构研究中的应用进行总结和分析。
多肽和蛋白质的结构研究现状
多肽和蛋白质的生物学功能在很大程度上依赖于它们的三维结构。因此，揭示多肽和蛋白质的分子结构对于研究其生理与病理过程、治疗某些疾病和新药物的开发等方面都具有非常重要的意义。在蛋白质的结构研究领域中，X线晶体学和多维核磁共振技术是目前两种最常用和最有效的方法。
X线晶体学是一种在结晶体中测定蛋白质结构的技术。该技术确立了蛋白质结晶学和X光衍射原理等科学基础，在蛋白质结构研究的历史上占据了重要地位。但是，由于需要获得高质量的结晶体，因此结晶体的成长和确定其晶体结构并不总是容易的。在某些情况下，很难获得高质量的结晶体或是大体积蛋白质的结晶体，使其对于分子的结构研究有所限制。在这种情况下，多维核磁共振技术就成为了一种重要的辅助方法。
多维核磁共振是一种非常灵敏的方法，因为它可以提供从单个分子到微量样品的高分辨率结构信息。它可以在溶液中研究大分子，而不需要高质量的结晶体。多维核磁共振技术主要包括多个参数的相关性实验，例如蛋白质的化学位移，J偶合常数，弛豫率，磁偶极耦合常数和NOE。
多维NMR技术在多肽和蛋白质结构研究中的应用
多维核磁共振技术的高分辨率和高灵敏度，可以对多肽和蛋白质的结构进行恢复和分析。通过对多肽和蛋白质中的原子之间的耦合进行分析，多维核磁共振技术可以揭示它们的溶液结构，并有望为药物发现提供新的靶点。
多维核磁共振技术可以同时记录所有原子的振幅和原子间相互作用的类型和大小，因此可以提供更全面的结构信息。因此，多维核磁共振技术是分析蛋白质立体结构、功能定位以及分子信号转导等方面的最重要工具之一。
多肽的结构研究
多肽是由两个或多个氨基酸残基通过肽键结合而成的分子。多肽对于准确推断蛋白质结构的重要性已经得到广泛承认。多维核磁共振技术提供了一种非常重要的方法来研究多肽分子。
多维核磁共振技术可以用来研究多肽的二级和三级结构。例如，一个快速交换的多肽样品可以用活化插值法进行分析。另外，由于多肽较小，不需要在这种情况下使用重量级核稀释。
首先，多维核磁共振技术可以用于确定多肽的二级结构，包括α螺旋、β折叠、β转角和无规卷曲结构。在二级结构的定义中，三个角度的作用至关重要，这些角度是φ，ψ和χ（通过TALOS+程序，该程序可以自动化预测这些角度）。
另外，NOE实验可用于组装多肽三级结构。多肽的三维细节可以由距离限制区域（DRA）数据和化学位移数据获得。DRA数据还可以用于计算三级结构，以确定距离。此外，NOE和J耦合数据可用于通过MONTE-CARLO模拟重构一个三级结构。这是一种用于生成三级结构的最常用方法。
蛋白质的结构研究
多维核磁共振技术在蛋白质结构研究中的应用，可以分为3步：
1.质谱分析来确定蛋白质序列
2.通过NMR先匹配相关化学位移，然后使用NOE和J偶合数据确定蛋白质的距离
3.最终使用距离来恢复蛋白质的三级结构。
化学移位是蛋白质或多肽不同原子间的相对磁场作用下强制空间中原子位置的量度。在核磁共振例行实验中，一系列具有不同的数量和类型的核磁子激发的脉冲可以激发放射线增强，生成由每个原子发射的信号返回到探测器（接收器）。这个原子位于磁场中的位置，其中的电子定义了一个有效的核磁矩。磁感应器磁场的大小及其相对方向的差异意味着不同的化学环境会影响磁场引起的核磁矩，因此产生化学位移效应。
有几种方法可以使用化学移位数据来计算距离，从而恢复三级结构。测量的化学位移可以与蛋白质的谱库比较来获得相关谱峰。之后，可以通过利用与溶液中其他分子之间的NOE来计算距离和分辨特定化学位移。MHzNMR允许测量相对于化合物之间的低至2-3Angstrom的距离。
J耦合是不同原子间的相互作用，指定它们之间的距离和空间中的角度。J耦合的测量可以使用多维谱来获得分子之间的距离。这种方法是称为距离限制核磁共振（HR-NMR）。这种方法通过保持成对原子之间的距离来细化蛋白的三级结构。
在HR-NMR实验中，为了获得足够的信号强度，必须使用同时测量多个核的多倍值，称为多维谱。NOESY和TOCSY实验是常见的多维谱。NOESY允许在同一样品中测量不同的核之间的距离，而TOCSY能够测量相同分子中不同的原子间的耦合常数。
综合利用核磁共振谱的多个参数，化学位移、J耦合和NOE等实验数据，不断优化结合计算方法，可以在溶液中恢复出蛋白质