以顺磁弛豫增强核磁新技术对蛋白质溶液动力学的研究

以顺磁弛豫增强核磁新技术对蛋白质溶液动力学的研究

帕力丹木·吾买尔

新疆喀什地区第一人民医院影像中心

摘要：高场液相核磁共振技术发展迅猛，已经成为了解析高分辨率蛋白质结构的主要手段之一。高场液相核磁共振技术的发展与蛋白质标记技术、核磁脉冲技术及谱仪硬件技术等密切相关，而液相核磁共振技术已经突破了蛋白质分子量的限制，甚至可以对几万或几十万分子量的蛋白质进行结构和动力学分析。近年来，关于蛋白质动力学研究一直是蛋白质研究领域的热点话题，各项关于动力学研究的技术和理念也在不断地创新和发展中，液相核磁共振技术是目前唯一能够应用于蛋白质多个位点，并同时进行动力学研究的手段。本文主要阐述顺磁弛豫增强核磁新技术对蛋白质溶液动力学的研究进展，报道如下。

关键词：顺磁弛豫增强；核磁共振；蛋白质动态；蛋白质结构

1PRE理论背景

在溶液中，蛋白子分子的运动被概括为内部运动和分子整体运动，其中内部运动也被分成了快速时间尺度的运动以及慢时间尺度的构象（或化学）交换[1]。蛋白质的生物功能主要与慢时间尺度的构象交换密切相关，比如酶催化、蛋白质间的相互作用、抗原抗体结合等生物功能均与蛋白子分子的运动密不可分。

蛋白质的内部分子运动属于微观运动，现有的手段和方法很难直接观测到。核磁共振的弛豫过程与分子的微观运动存在微妙的关联。原子核周围遍布各个方向的小磁场，而小磁场本身的方向又会受到分子热运动的影响，使得原子核周围磁场在不断发生变化，这些变化的磁场会作用于原子核自旋上引起核磁信号的弛豫现象。也就是说，蛋白质分子运动会改变核磁共振信号的弛豫参数，因此通过检测溶液中蛋白质分子的弛豫参数可检测到蛋白质分子的动力学特性。顺磁弛豫增强（paramagnicrelaxationenhancementPRE）的理论可追溯到几十年前，但其应用于蛋白质结构和动力学研究的时间并不长[2]。PRE是指未配对单电子与原子核之间的偶极相互作用导致了后者弛豫速率的加快，通过这一现象可以对蛋白质在溶液中的动力学特性进行特定模型分析，为蛋白质研究领域开启新的篇章。

2PRE对蛋白质溶液动力学的研究

2.1主链动力学研究方法和进展蛋白质主链15N的弛豫研究是分析溶液中蛋白质动力学特征的重点，这是因为蛋白质主链上的酰胺基是双自旋系统，15N核的弛豫机制比较简单，15N弛豫的观察过程相对容易，一个15N-1HN信号代表肽链上的一个氨基酸残基，实验设计和数据分析都较其他分子简单。另外，与13C-HSQC谱图比较，15NHSQC谱图具有更高的分辨率，更利于观察和数据收集[3]。

目前，PRE对蛋白质溶液动力学的研究主要集中在主链的15N上，核磁脉冲实验中对15N的动力学研究主要包括以下三种手段（1）通过Model-free分析方法提取弛豫数据和蛋白质分子的运动参数；（2）基于谱密度函数映射或约化谱密度函数映射对数据进行分析；（3）通过特定模型对分子运动参数进行分析。通过Model-free分析方法对主链15N进行动力学分析是目前最常见的研究方法，并且得到的结果相对精准，备受专家和研究学者的青睐[4]。

2.2侧链动力学研究方法和进展相比于主链动力学，蛋白质侧链动力学的发展较慢，常被认为是研究蛋白质动力学和结构的辅助方法。基于波普学说，1H13C相关谱的谱峰重叠严重，不利于观察和数据分析工作的顺利进行。另外，侧链上的碳和氢原子所处环境相对复杂，C原子核的弛豫机制除了要考虑自身的CSA，还要考虑与相邻氢原子的偶极作用，与相邻C原子的偶极作用，以及与空间邻近分子的偶极作用，上述因素让实验设计变得复杂化，也使数据分析难度大大增加，往往难以得到准确的结果。因此多重因素造成了蛋白质侧链动力学发展滞缓。但侧链研究仍有亮点，比如甲基基团的1H-13C相关谱具有较好的分辨率和灵敏度，不过由于侧链亚甲基基团伴不易标记和弛豫速率过快等缺点，因此现阶段关于侧链亚甲基基团的研究依然稀缺，而关于侧链芳香族残基的侧链动力学研究甚至仍是一片空白，相信随着蛋白质研究方法和核磁脉冲技术的不断进步，越来越来关于蛋白质侧链动力学研究会出现在历史舞台，并推动蛋白质研究和人体科学的发展[5]。

3总结与展望

近年来，用于研究蛋白质的溶液结构和动力学性质的方法逐渐增加，如液相核磁共振技术、电镜、X射线晶体衍射及质谱等，而液相核磁共振技术对蛋白质溶液动力学的研究的优越性远超其他几种方法。目前，液相核磁共振技术对主链15N动力学的测量和研究方法已经相对完善，也是研究溶液中蛋白质动力学的主流方法。侧链动力学的研究尚处于起步阶段，虽然短期内难有突破性进步，但随着后续科技的发展和创新，侧链的动力学研究必然有所突破。顺磁弛豫增强核磁新技术对蛋白质溶液动力学的研究在方法学上，仍有极大的发展空间[6]。

由于RDC数据不仅包含了蛋白质的结构信息，同样也包含了内部运动信息。随着RDC相关的脉冲技术的迅速发展，未来在蛋白质结构和动力学分析应用中将大有作为，很可能为蛋白质结构和动力学研究带来新的突破和创新。

参考文献：

[1]张乃霞，吴娟，张华群，等.NMR技术在蛋白质-蛋白质相互作用研究中的应用——泛素-蛋白水解酶体通路研究实例介绍[J].波谱学杂志，2012，29（2）：182-189.

[2]裴奉奎.Gd（DTPA-BIN）的热力学性质及与牛血清白蛋白作用的NMR研究[J].波谱学杂志，1999，16（6）：525-531.

[3]杨茵，陈家良，苏循成.蛋白质顺磁标记技术与生物核磁共振中的赝接触位移[J].波谱学杂志，2014，31（2）：155-171.

[4]乔乐，李勇，周丽霞.不同浓度FeCl3·6H2O，CuSO4·5H2O和MnCl2·4H2O溶液核磁共振横向弛豫时间研究[J].物理实验，2013，33（8）：37-39.

[5]刘岘，林爱华，刘国清，等.不同粒径脂质体包裹顺磁性对比剂的体外R1弛豫率及MR增强成像研究[J].临床放射学杂志，2010，29（10）：1397-1400.

[6]陈翊平，邹明强，王大宁，等.超顺磁纳米颗粒弛豫时间传感技术在生化分析中的研究进展[J].分析测试学报，2011，30（11）：1224-1229.