Пространственная структура и конформационное состояние малых биологически активных молекул в растворах по данным одно- и двумерной спектроскопии ЯМР

• Автор: Ходов, Илья Анатольевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Введение

1. Возможности импульсной ЯМР спектроскопии

1.1 Явление ядерного магнитного резонанса

1.2 Импульсная Фурье-спектроскопия ЯМР

1.3 Ядерная магнитная релаксация

1.4 Ядерный эффект Оверхаузера

1.5 Уравнение Соломона

1.6 Перенос когерентности

1.7 Селективная одномерная спектроскопия ЯМР с импульсным полевым градиентом

1.7.1 Селективные импульсы

1.7.2 Импульсные полевые градиенты
1.7.3 Селективная Ш^бТОСБУ
1.7. Селективная Ш^бЕТОЕЗУ
1.7.5 Селективная Ш^бТКОЕЗУ
2. Двумерная спектроскопия ЯМР
2.1 Основные принципы двумерной спектроскопии ЯМР
2.2 Двумерные корреляционные методы
2.3 Двумерная гомоядерная спектроскопия
2.3.2 Двумерная спектроскопия 'Н-'Н ТОС8У
2.3.3 Двумерная многоквантовая спектроскопия 13С-13С ШАОЕСДХГЕ
2.4 Двумерная гетероядерная корреляционная спектроскопия
2.4.1 Одно- и многоквантовая спектроскопия 'Н-|3С Н8С)С, НМ<ЗС
2.4.2 Многосвязная спектроскопия НМВС
2.5. Двумерная диффузионная спектроскопия Б08У
2.6 Двумерная спектроскопия ЯЭО в лабораторной системе координат
2.6.1 Внутримолекулярная дипольная релаксация в Ж)Е8У
2.6.2 Нестационарный ЯЭО
2.6.3. Процессы кросс-релаксации в 1ЕЮЕ8У
2.6.4. Случай крайнего сужения (тс «1)
2.6.5. Случай медленного движения (тс »1)
2.7 Двумерная спектроскопия ЯЭО во вращающейся системе координат
2.7.1 Спин-лок (8р1п-1оск)
2.7.2. Процессы кросс-релаксаци
2.7.3 Т-ЯОЕ8У
2.8 Непрямые пути переноса намагниченности в ЯЭО (явление спиновой диффузии)
3. Объекты и методы исследования
3.1 Структура и конформации исследованных соединений
3.1.1 Парацетамол
3.1.2 Фелодипин
3.1.3 Ибупрофен
3.2 Экспериментальная техника и обработка результатов
4. Пространственная структура малых конформационно нежестких молекул методом Ш и 2Б ЯЭО
4.1 Измерение констант скорости кросс-релаксации
4.1.1 Анализ полной кросс-релаксационной матрицы
4.1.2 Приближение начальной скорости
4.2 Подходы к определению пространственно структуры малых
конформационно подвижные молекулы
4.2.1 Нормировка интенсивностей кросс пиков
4.3.2 Количественное измерение межпротонных расстояний МЗЕ8У/110Е8У
4.3 Подавление эффектов спиновой диффузии в спектроскопии ЯЭО
4.4 Усреднение межъядерных расстояний
4.5 Расчет конформационного равновесия
4.6 Разработанный подход к определению конформационного состояния малых биологически активных молекул в растворах
5. Пространственная структура и конформационное состояние малых биологически активных молекул в растворах
5.1 Парацетамол в ДМФА
5.2 Фелодипин в ДМСО
5.3 Ибупрофен в хлороформе
Выводы
Литература
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение

Введение
Актуальность темы. Определение пространственной структуры и конформационного состояния молекул в растворах является одной из важнейших задач физической химии. Накопление и обобщение данных о конформационном состоянии молекул в растворе дает возможность подойти к фундаментальному пониманию процессов, протекающих на молекулярном уровне. Эти процессы определяют не только биологическую активность молекул, но также могут определять нуклеацию кристаллов данных соединений из их насыщенных растворов. Малые биологически активные молекулы входят в состав большого числа лекарственных средств, активно используемых в медицине. Так, парацетамол (ацетаминофен, N-(4-гидроксифенил)ацетамид, C8H9O2N) обладает анальгетическими и антипиретическими свойствами; фелодипин (3-этил-5-метил-4-(2,3-дихлорфенил)-2,6-диметил-1,4-дигидропиридин-3,5-дикарбоксил, C18H19CI2NO4) получил широкое распространение благодаря своим антигипертен-зивиым и антиангиальным свойствам. Ибупрофен ((Я8)-2-(4-изобутилфенил)-пропионовая кислота, С13Н18О2) - нестероидный препарат, который обладает противовоспалительной активностью и применяется при ревматоидном артрите, деформирующем остеоартрозе и др. заболеваниях для облегчения боли и уменьшения лихорадки.
Среди многообразия физико-химических методов, которые используются при решении указанных фундаментальных проблем, ключевыми являются одно- и двумерная спектроскопия ЯМР ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО). Методы спектроскопии ЯЭО в лабораторной (NOESY - Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) и вращающейся системах координат (T-ROESY - Transverse Rotating-frame Overhauser Enhancement Spectroscopy) дают возможность определять расстояния между ядрами, вплоть до 5 Ä. Совместное использование экспериментальных данных ЯМР по межъядерным расстояниям и результатов квантовохимических расчетов позволяет определять относительные населенности конформаций. Однако спектроскопия ЯЭО недостаточно адаптирована к исследованию пространственной структуры малых конфор-мационно подвижных молекул, подпадающих под условие крайнего сужения линий (соо'Тс « I, где 1С - время корреляции молекулярного движения, С£>0 - угловая скорость прецессии магнитных ядер). Основными факторами, затрудняющими такого рода измерения, являются слабая интенсивность кросс-пиков, длительное время эксперимента, дрейф экспериментальных параметров и др. Кроме того, процессы, обусловленные косвенными путями переноса намагниченности (спиновой диффузией), негативно влияют на спектральные характеристики изучаемых соединений, не позволяя корректно описать их конформационное состояние.

рация происходит на протонах, а на ядрах X происходит частотная модуляция в период эволюции. В таком эксперименте расчетная чувствительность сигнала для 'Н-13С выше в два раза чем предыдущей схеме, а для 11-15Х на порядок. Таким образом, чем меньше является величина гиромагнитного отношения для ядер X, тем сильнее возрастает относительная чувствительность.
Приготов
ительный
период
Период Период Период Относительная чувствительность для эволюции смешивания регистрации пар ядер
а) 1Н
1H-15N 1Н-13С 1Н-31Р
б) 1Н
1 1 1 Традиционный метод

в) 1Н

Модифицированный традиционный метод

Г) 1Н

Обращенный метод

Рисунок 2.4.1 Базовые схемы двумерного гетероядерного корреляционного эксперимента в сравнении относительных чувствительностей.
Широкое использование обращенных методик[158,159] привело к усовершенствованию датчиков спектрометров ЯМР. В таких датчиках катушка ядра X располагается ближе к образцу, в то время как катушка для протонов отдалена от него. Таким образом, чувствительность при изучении ядер с малым гиромагнитным отношением в режиме обращенных гетероядерных методик была оптимизирована, и качество спектров улучшено.
2.4.1 Одно- и многоквантовая спектроскопия 'Н-|3С HSQC,HMQC
В литературе выделяют две общепринятые методики для реализации гетероядерной корреляции через одну связь на основе метода обращенного детектирования: HMQC [160] (Hetero-nuclear Multiple Quantum Correlation - Гетероядерная многоквантовая корреляционная спектроскопия) и HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation - Гетероядерная одноквантовая корреляционная спектроскопия)[161]. Результаты, полученные на основе этих двух методов практически эквивалентны. Метод HMQC, как правило, используют чаще химики [162]для выявле-