Навигация
2. Химический обмен
Химический обмен – один из наиболее наглядных примеров динамических процессов. Сущность этого явления ясна из интуитивных соображений. Под химическим обменом в общем случае понимают процессы, в которых спин ядра в процессе релаксации может находиться в состояниях, характеризуемых различным химическим окружением, что соответствует различным параметрам ЯМР. В основе изменения окружения ядерного спина может лежать внутримолекулярный процесс, такой, например, как изменение конформации, или же межмолекулярный процесс. Здесь можно рассматривать исследуемое ядро в новой ковалентной структуре или же, наоборот, включать в рассмотрение межмолекулярные взаимодействия тех молекул, которые содержат данное ядро, и таким образом учитывать изменение окружения данного ядра. В простейшем случае имеется только два различных состояния, которые отличаются по химическому сдвигу д. Время корреляции Tc здесь представлено временами жизни Ta и Tb в состояниях AwB соотвественно, а величина Д О) непосредственно определяется разностью химических сдвигов Д д = дВ – дА, измеренной в единицах частоты. В этом случае медленный обмен определяется неравенством
а быстрый обмен -
где
Соответствующие спектры ЯМР могут быть достаточно хорошо описаны обобщенными уравнениями Блоха, полученными в работе Мак-Коннела. Оба предельных случая: быстрого и медленного обмена, можно объяснить без привлечения серьезных расчетов, а чисто из интуитивных соображений путем предельных переходов Xe ~*0 и соответственно Xe ~* °°. В первом случае можно наблюдать лишь одну линию, так как ядро участвует в бесконечно быстром обмене между двумя состояниями с различным химическим окружением. Во втором случае можно наблюдать две резонансные линии с химическими сдвигами Oa и Ob, интенсивности которых прямо пропорциональны относительным заселенностям рл и рв, т.е. в данном случае обмен вообще отсутствует. Усреднение положений резонансных линий при быстром обмене приводит к химическому сдвигу
Для описания поведения в промежуточной области такое простое соотношение отсутствует, однако можно вычислить в явном виде положение сигнала ЯМР как функцию времени корреляции обменного процесса Te. Условия медленного обмена приводят к уширению обеих линий, а при ускорении обмена – к слиянию их в одну уширенную линию при выполнении условия I Aoxe \ ~ 1. При дальнейшем возрастании скорости обмена линия будет сужаться до тех пор, пока ее ширина не станет равной ширине линии в отсутствие обмена.
Аналогичный процесс усреднения происходит и в случае других взаимодействий. Если окружения, соответствующие двум состояниям Л и В, различаются только константами косвенного спин-спинового взаимодействия Ja и Jb, то наблюдается мультиплет с усредненной константой J' =pAJA+pBJBjs, oTex пор, пока для величины Al = JА – Jгв выполняется неравенство
Так как константы взаимодействия J, как правило, не коррелируют с разностью химических сдвигов, то в ряде случаев на основе этих констант должна быть установлена шкала времени, отличная от шкалы химических сдвигов. При наличии в спиновой системе взаимодействия, например косвенного спин-спинового, химический обмен не поддается описанию с помощью простых уравнений Мак-Коннела. Однако принципиально возможно описание поведения такой системы с привлечением квантово-механических подходов.
Какую биохимическую информацию можно извлечь из изучения процессов, связанных с химическим обменом? В области быстрого обмена в принципе можно рассчитать населенности отдельных состояний при условии наличия некоторой дополнительной информации. При этом наиболее важной является информация о числе состояний, участвующих в быстром обмене, так как это число присутствует в расчетной формуле в качестве параметра.
Для описания быстрого обмена между N состояниями следует обобщить уравнение на случай N состояний:
с учетом того, что в уравнении необходимо экспериментально определить значения <5 и в случае, когда населенность второго партнера будет существенно большей. В общем случае в расчет следует включить еще сведения о функциональной зависимости. Если найдено, что в реальном случае спектр ЯМР позволяет наблюдать случай быстрого обмена, то отсюда непосредственно следует, что время корреляции процесса обмена Xe меньше чем 1/1 Ад I.
В случае медленного обмена спектр будет более информативным. Наименьшее число различных состояний можно вычислить из числа резонансных линий, а соответствующие значения населенностей можно непосредственно получить из величины интеграла для каждой резонансной линии. Это позволяет зафиксировать с помощью ЯМР различные состояния, которые ранее удавалось зафиксировать только косвенно, например, с привлечением кинетических методов. Кроме того, здесь можно получить ограничение на значение времени корреляции обмена Xe: это значение должно быть больше чем 1 / I Д ь I. В промежуточной области вблизи
– 1 обмен вызывает существенные изменения формы линии. Это позволяет путем построения теоретического спектра достаточно точно определять значения времени корреляции обменных процессов Tx в различных состояниях X. В области умеренно медленного обмена между экспериментально наблюдаемыми значениями времени поперечной релаксации Тц1, времени релаксации Tixв отсутствие обмена вместе с уравнением дает модифицированное уравнение Хендерсона-Хассельбалха
Если измерить зависимость химического сдвига от рН и описать эту зависимость с помощью уравнения, подбирая рК, то непосредственно из ЯМР-экспериментов удается получить значения р / С для индивидуальных групп. Это особенно важно, если речь идет, например, о спектрах 1H протеинов, поскольку данный метод достаточно точно позволяет определить значения рК каждого заряженного остатка.
Неорганический фосфат принимает участие во многих ферментативных реакциях, поскольку он либо переносится на субстрат, либо расщепляется. Кроме того, неорганический фосфат принимает на себя функцию буфера. Для фосфатной группы существуют кроме двух различных протонированных форм в равновесии еще и следующие формы: Н3РО4, H2PO4», HPO42», PO43». При измерении спектров ЯМР 1P для различных значений рН мы всякий раз наблюдаем один сигнал, химический сдвиг которого изменяется в зависимости от концентрации ионов гидроксония. Такой вид спектра полностью соответствует случаю быстрого обмена.
Если по одной из осей отложить значение химического сдвига, а по другой рН, то можно построить кривую титрования, состоящую из четырех интервалов. Отсюда следует, что вещество, участвующее в данном процессе быстрого обмена, существует по крайней мере в четырех различных формах, которые характеризуются значениями химических сдвигов Oi, д2, O3 и д4, что полностью соответствует предположениям о четырех состояниях протонирования неорганического фосфата, полученным из химического подхода.
В данном случае функциональная зависимость является несколько более сложной, чем описываемая уравнением, так как здесь для описания равновесия необходимо использовать более одного значения рК. Используя закон действующих масс, можно расширить уравнение на N значений pKj Если кооперативные эффекты отсутствуют, то для N значений рК; можно просто записать сумму
Если значения с K1 существенно отличаются друг от друга, как это имеет место на рис. 2.8, то вблизи каждого из значений с Ki можно достаточно точно построить значения химических сдвигов, используя простое уравнение. Этот метод применяется достаточно часто, если необходимо построить какой-либо из участков кривой титрования.
Похожие работы
... измерения параметров открывают многообразные пути его применения в промышленности. Внедрению метода ЯМР препятствовали :сложность аппаратуры и ее эксплуатации, высокая стоимость спектрометров, исследовательский характер самого метода. 2.Общая теория ядерного магнитного резонанса. 2.1.Классическое описание условий магнитного резонанса. Вращающийся заряд q можно рассматривать как ...
... амплитуды, если оказывать воздействие на него в определенной точке "фазы качания". Простая математическая формула выражающая условие резонанса, является основным уравнением ЯМР. Рассмотрим явление ЯМР с точки зрения квантовой механики. Большое число малых магнитных диполей, связанных с ядрами атомов, в отсутствие магнитного поля полностью разупорядочены, т.е. ориентация их статистически ...
... эмиссионная томография (ОЭТ); позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Весь этот комплекс методов позволяет проводить неинвазивное изучение структуры и функций мозга. Психофизиологическое изучение психических процессов и состояний Принципы кодирования информации в нервной системе Сегодня можно говорить о нескольких принципах кодирования в нейронных сетях. Одни из них достаточно просты и ...
... А.Снелл и Л.Миллер экспериментально обнаружили бета-распад нейтрона. В 1951г. это также сделал Дж. Робсон, измерив к тому же период его полураспада. Завершено создание современной квантовой электродинамики (С.Томонага, Р.Фейнман, Ю.Швингер). Изобретен искровой счетчик (Дж. Кейфель). Изобретение нейтронной радиографии (Х.Кальман). Искусственное получение мезонов (Э.Гарднер, Ч.Латтес). К.Гортер ...
0 комментариев