Spectroscopie RMN biomoléculaire

Utilisation de la résonance des spins nucléaires dans un champ magnétique pour déterminer la structure et, de manière unique, la dynamique des biomolécules en solution.

Definition

La spectroscopie RMN biomoléculaire est la détermination de la structure et de la dynamique des molécules biologiques à partir de la résonance magnétique de leurs noyaux, principalement par le biais des déplacements chimiques et des couplages de spin mesurés en solution.

Scope

Ce sujet couvre la résonance magnétique nucléaire appliquée aux biomolécules : les bases physiques de la résonance de spin nucléaire, le déplacement chimique et les couplages à travers l'espace et à travers les liaisons qui renseignent sur la structure, ainsi que les expériences multidimensionnelles qui attribuent les signaux et fournissent des contraintes de distance. Il souligne la capacité distinctive de la RMN à étudier les molécules dans leur état de solution natif et à mesurer le mouvement sur différentes échelles de temps, complétant ainsi les méthodes de diffraction.

Core questions

• Quelle propriété physique des noyaux la RMN détecte-t-elle ?
• Comment le déplacement chimique et les couplages encodent-ils la structure moléculaire ?
• Comment les spectres encombrés sont-ils résolus et attribués en plusieurs dimensions ?
• Pourquoi la RMN est-elle particulièrement puissante pour l'étude de la dynamique moléculaire ?

Key theories

Structure à partir du déplacement chimique et des couplages

Les noyaux dans un champ magnétique résonnent à des fréquences décalées par leur environnement chimique et couplées aux noyaux voisins, de sorte que les déplacements chimiques, les couplages scalaires et les effets à travers l'espace (NOE) contraignent ensemble la structure tridimensionnelle.

Dynamique sur différentes échelles de temps

Parce que les observables RMN sont sensibles au mouvement sur une large gamme d'échelles de temps, les mesures de relaxation et d'échange rendent compte directement de la dynamique interne, une capacité largement unique parmi les méthodes structurales.

Mechanisms

Les noyaux dotés d'un spin, placés dans un champ magnétique intense, absorbent et réémettent de l'énergie radiofréquence à des fréquences de résonance qui dépendent de leur environnement électronique local, ce qui donne le déplacement chimique. Les couplages scalaires à travers les liaisons et les effets Overhauser nucléaires (NOE) à travers l'espace encodent la connectivité et les courtes distances, et l'étalement des signaux sur plusieurs dimensions de fréquence permet de résoudre et d'attribuer les nombreuses résonances superposées d'une macromolécule. Les contraintes de distance et d'angle attribuées définissent un ensemble de structures cohérentes, tandis que les expériences de relaxation et d'échange quantifient la manière dont la molécule se déplace, le tout sur des échantillons en solution proches des conditions natives.

Clinical relevance

La RMN caractérise la liaison des médicaments, les protéines intrinsèquement désordonnées et la dynamique conformationnelle pertinente pour les maladies et le développement de produits biologiques, fournissant un contexte éducatif et méthodologique plutôt que des conseils cliniques.

History

Le développement par Ernst de la RMN par transformée de Fourier et multidimensionnelle, et les méthodes de Wüthrich pour l'attribution et la détermination des structures protéiques en solution, tous deux récompensés par des prix Nobel, ont transformé la RMN en un outil structurel et dynamique pour les biomolécules, complémentaire de la cristallographie.

Key figures

• Kurt Wüthrich
• Richard Ernst
• Ad Bax

Seminal works

• cavanagh2007
• vanholde2006

Frequently asked questions

Qu'est-ce qui rend la RMN spéciale par rapport à la cristallographie ?

La RMN étudie les molécules en solution dans des conditions proches des conditions natives et peut mesurer directement leurs mouvements internes sur de nombreuses échelles de temps, ce que la cristallographie, qui donne une image largement statique d'un cristal, ne peut généralement pas faire.

Pourquoi les expériences RMN sont-elles multidimensionnelles ?

Une macromolécule possède tellement de signaux superposés qu'il est nécessaire de les étaler sur deux dimensions de fréquence ou plus pour résoudre et attribuer les noyaux individuels.