Effet Overhauser nucléaire - Nuclear Overhauser effect

L' effet nucléaire Overhauser ( NOE ) est le transfert de la polarisation du spin nucléaire d'une population de noyaux spin-actifs (par exemple 1 H, 13 C, 15 N etc.) à une autre via la relaxation croisée . Une définition phénoménologique du NOE en spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est le changement de l'intensité intégrée (positive ou négative) d'une résonance RMN qui se produit lorsqu'une autre est saturée par irradiation avec un champ RF . Le changement d'intensité de résonance d'un noyau est une conséquence du fait que le noyau est proche dans l'espace de ceux directement affectés par la perturbation RF.

Le NOE est particulièrement important dans l'attribution des résonances RMN, et l'élucidation et la confirmation des structures ou des configurations de molécules organiques et biologiques. L' expérience NOE SpectroscopY (NOESY) bidimensionnelle 1 H et ses extensions sont des outils importants pour identifier la stéréochimie des protéines et d'autres biomolécules en solution, tandis que sous forme solide, la diffraction des rayons X sur cristal est généralement utilisée pour identifier la stéréochimie. Le NOE hétéronucléaire est particulièrement important dans la spectroscopie RMN 13 C pour identifier les carbones liés aux protons, pour fournir des améliorations de polarisation à ces carbones pour augmenter le signal sur bruit, et pour déterminer dans quelle mesure la relaxation de ces carbones est contrôlée par le dipôle-dipôle mécanisme de relaxation.

Histoire

Le NOE s'est développé à partir des travaux théoriques du physicien américain Albert Overhauser qui, en 1953, a proposé que la polarisation du spin nucléaire puisse être améliorée par l'irradiation par micro-ondes des électrons de conduction dans certains métaux. L'amélioration électronucléaire prédite par Overhauser a été démontrée expérimentalement dans le métal 7 Li par TR Carver et CP Slichter également en 1953. Une base théorique générale et une observation expérimentale d'un effet Overhauser impliquant uniquement des spins nucléaires dans la molécule HF a été publiée par Ionel Solomon dans 1955. Une autre observation expérimentale précoce du NOE a été utilisée par Kaiser en 1963 pour montrer comment le NOE peut être utilisé pour déterminer les signes relatifs des constantes de couplage scalaire et pour attribuer des raies spectrales dans les spectres RMN aux transitions entre les niveaux d'énergie. Dans cette étude, la résonance d'une population de protons ( 1 H) dans une molécule organique a été renforcée lorsqu'une deuxième population distincte de protons dans la même molécule organique a été saturée par irradiation RF. L'application de la NOE a été utilisée par Anet et Bourn en 1965 pour confirmer les attributions des résonances RMN pour l'acide β,β-diméthylacrylique et le diméthylformamide, montrant ainsi que des informations de conformation et de configuration sur les molécules organiques en solution peuvent être obtenues. Bell et Saunders ont rapporté une corrélation directe entre les améliorations de NOE et les distances internucléaires en 1970, tandis que des mesures quantitatives des distances internucléaires dans des molécules à trois spins ou plus ont été rapportées par Schirmer et al.

Richard R. Ernst a reçu le prix Nobel de chimie 1991 pour le développement de la transformée de Fourier et de la spectroscopie RMN bidimensionnelle , rapidement adaptée à la mesure de la NOE, en particulier dans les grandes molécules biologiques. En 2002, Kurt Wuthrich a remporté le prix Nobel de chimie pour le développement de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire pour déterminer la structure tridimensionnelle des macromolécules biologiques en solution, démontrant comment la méthode NOE 2D (NOESY) peut être utilisée pour contraindre la structures de grandes macromolécules biologiques. Le professeur Anil Kumar a été le premier à appliquer l'expérience bidimensionnelle Nuclear Overhauser Effect (2D-NOE maintenant connue sous le nom de NOESY) à une biomolécule, ce qui a ouvert le champ à la détermination des structures tridimensionnelles de biomolécules en solution par spectroscopie RMN.

Relaxation

Spin nucléaire diagramme de niveau d'énergie pour deux rotation 1 / 2 noyaux.
Séquence d'impulsions en régime permanent pour les expériences 1 H NOE

Le NOE et la relaxation spin-réseau nucléaire sont des phénomènes étroitement liés. Pour un seul spin 1 / 2 noyau dans un champ magnétique , il existe deux niveaux d'énergie qui sont souvent marqués α et β, qui correspondent aux deux états quantiques de spin possibles, + 1 / 2 et - 1 / 2 , respectivement. A l' équilibre thermique, la population de ces deux niveaux d'énergie est déterminée par la distribution de Boltzmann avec des populations de spin fournies par P α et P β . Si les populations de spin sont perturbées par un champ RF approprié à la fréquence d'énergie de transition, les populations de spin reviennent à l'équilibre thermique par un processus appelé relaxation spin-réseau . Le taux de transitions de α à β est proportionnel à la population de l'état α, P α , et est un processus du premier ordre avec une constante de vitesse W . L'état dans lequel les populations de spins sont égalisées par irradiation RF continue ( P α = P β ) est appelée saturation et la résonance disparaît puisque les probabilités de transition dépendent de la différence de population entre les niveaux d'énergie.

Dans le cas le plus simple où le NOE est pertinent, les résonances de deux noyaux de spin 12 , I et S, sont chimiquement décalées mais pas couplées en J . Le diagramme d'énergie pour un tel système a quatre niveaux d'énergie qui dépendent des états de spin de I et S correspondant respectivement à αα, αβ, et . Les W sont les probabilités par unité de temps qu'une transition se produise entre les quatre niveaux d'énergie, ou en d'autres termes la vitesse à laquelle se produisent les basculements de spin correspondants. Il existe deux transitions quantiques simples, W 1 I , correspondant à αα ➞ αβ et βα ➞ ββ ; W 1 S , correspondant à αα ➞ βα et βα ➞ ββ; une transition quantique nulle, W 0 , correspondant à βα ➞ αβ, et une transition quantique double correspondant à αα ➞ ββ.

Alors que l'irradiation rf ne peut induire que des transitions quantiques uniques (en raison des règles de sélection de la mécanique quantique ) donnant lieu à des raies spectrales observables, la relaxation dipolaire peut avoir lieu par l'une ou l'autre des voies. Le mécanisme dipolaire est le seul mécanisme de relaxation commun qui peut provoquer des transitions dans lesquelles plus d'un spin bascule. En effet, le mécanisme de relaxation dipolaire donne lieu à des transitions entre les états et ( W 2 ) et entre les états αβ et ( W 0 ).

Exprimé en termes de leurs aimantations RMN en volume, le NOE à l'état stationnaire observé expérimentalement pour le noyau I lorsque la résonance du noyau S est saturée ( ) est défini par l'expression :

où est l'aimantation (intensité de résonance) du noyau à l'équilibre thermique. Une expression analytique de la NOE peut être obtenue en considérant toutes les voies de relaxation et en appliquant les équations de Salomon pour obtenir

et .

est la vitesse de relaxation dipolaire longitudinale totale ( ) du spin I due à la présence de spin s , est appelée vitesse de relaxation croisée , et et sont les rapports magnétogyriques caractéristiques des noyaux et , respectivement.

La saturation de la dégénérescence W 1 S transitions perturbe les populations d'équilibre de telle sorte que P αα = P αβ et P βα = P ββ . Les voies de relaxation du système, cependant, restent actives et agissent pour rétablir un équilibre, sauf que les transitions W 1 S ne sont pas pertinentes car les différences de population à travers ces transitions sont fixées par l'irradiation RF tandis que la différence de population entre les transitions W I fait ne changent pas de leurs valeurs d'équilibre. Cela signifie que si seules les transitions quantiques simples étaient actives en tant que voies de relaxation, la saturation de la résonance n'affecterait pas l'intensité de la résonance. Donc pour observer un NOE sur l'intensité de résonance de I, la contribution de et doit être importante. Ces voies, appelées voies de relaxation croisée , n'apportent une contribution significative à la relaxation spin-réseau que lorsque la relaxation est dominée par des interactions de couplage dipôle-dipôle ou scalaire, mais l'interaction scalaire est rarement importante et est supposée négligeable. Dans le cas homonucléaire où , si est la voie de relaxation dominante, alors la saturation augmente l'intensité de la résonance et la NOE est positive , alors que si est la voie de relaxation dominante, la saturation diminue l'intensité de la résonance et la NOE est négative .

Mouvement moléculaire

Que la NOE soit positive ou négative dépend sensiblement du degré de mouvement moléculaire de rotation. Les trois voies de relaxation dipolaires contribuent à des degrés divers à la relaxation spin-réseau en fonction d'un certain nombre de facteurs. Un élément clé est que l'équilibre entre ω 2 , ω 1 et ω 0 dépend de manière cruciale du temps de corrélation de rotation moléculaire , , le temps qu'il faut à une molécule pour tourner d'un radian. La théorie RMN montre que les probabilités de transition sont liées à et aux fréquences de précession de Larmor , , par les relations :

où est la distance séparant deux spin 1 / 2 noyaux. Pour que la relaxation se produise, la fréquence du tumbling moléculaire doit correspondre à la fréquence de Larmor du noyau. Dans les solvants mobiles, le mouvement de culbutage moléculaire est beaucoup plus rapide que . La limite dite de rétrécissement extrême où ). Dans ces conditions, la relaxation quantique double W 2 est plus efficace que W 1 ou W 0 , car τ c et 2ω 0 correspondent mieux que τ c et ω 1 . Lorsque ω 2 est le processus de relaxation dominant, il en résulte un NOE positif.

Cette expression montre que pour le cas homonucléaire où I = S , notamment pour la RMN 1 H , le NOE maximum observable est de 1\2 quelle que soit la proximité des noyaux. Dans le cas où hétéronucléaire IS , le NOE maximale est donnée par 1 \ 2 ( γ S / γ I ), qui, lorsque hétéronoyaux observant dans des conditions de découplage protonique à large bande, peuvent produire d' importantes améliorations de sensibilité. L'exemple le plus important en chimie organique est l'observation du 13 C en découplant 1 H, qui sature également les résonances 1 J. La valeur de γ S / γ I est proche de 4, ce qui donne une amélioration maximale de NOE de 200 % produisant des résonances 3 fois plus fortes qu'elles le seraient sans NOE. Dans de nombreux cas, les atomes de carbone ont un proton attaché, ce qui fait que la relaxation est dominée par la relaxation dipolaire et que le NOE est proche du maximum. Pour les atomes de carbone non protonés, l'amélioration de NOE est faible, tandis que pour les carbones qui se détendent par des mécanismes de relaxation autres que les interactions dipôle-dipôle, l'amélioration de NOE peut être considérablement réduite. Ceci est une motivation pour l' utilisation de solvants deuteriated (par exemple , CDCl 3 ) en 13 C - RMN. Étant donné que le deutérium se détend par le mécanisme quadripolaire, il n'y a pas de voies de relaxation croisée et la NOE est inexistante. Un autre cas important est 15 N, un exemple où la valeur de son rapport magnétogyrique est négative. Souvent, les résonances 15 N sont réduites ou le NOE peut en fait annuler la résonance lorsque les noyaux 1 H sont découplés. Il est généralement avantageux de prendre de tels spectres avec des techniques d'impulsions qui impliquent un transfert de polarisation des protons vers le 15 N pour minimiser le NOE négatif.

Élucidation de la structure

Premiers NOE rapportés par Anet et Bourne

Alors que la relation entre le NOE en régime permanent et la distance internucléaire est complexe, en fonction des taux de relaxation et du mouvement moléculaire, dans de nombreux cas pour les petites molécules à culbutage rapide dans la limite de rétrécissement extrême, la nature semi-quantitative des NOE positifs est utile pour de nombreuses applications structurelles souvent en combinaison avec la mesure des constantes de couplage J. Par exemple, les améliorations NOE peuvent être utilisées pour confirmer les attributions de résonance RMN, faire la distinction entre les isomères structuraux, identifier les modèles de substitution de cycle aromatique et les configurations de substituants aliphatiques, et déterminer les préférences conformationnelles.

Néanmoins, les distances inter-atomiques dérivées de la NOE observée peuvent souvent aider à confirmer la structure tridimensionnelle d'une molécule. Dans cette application, le NOE diffère de l'application du couplage J en ce que le NOE se produit à travers l'espace, et non à travers des liaisons chimiques. Ainsi, des atomes très proches les uns des autres peuvent donner un NOE, alors que le couplage de spin n'est observé que lorsque les atomes sont connectés par 2 à 3 liaisons chimiques. Cependant, la relation η I S (max) = 12 obscurcit la relation entre le NOE et les distances internucléaires car elle ne s'applique que pour le cas idéalisé où la relaxation est dominée à 100% par des interactions dipôle-dipôle entre deux noyaux I et S. En pratique, la valeur de I contient des contributions d'autres mécanismes concurrents, qui ne servent qu'à réduire l'influence de W 0 et W 2 en augmentant W 1 . Parfois, par exemple, la relaxation due aux interactions électron-nucléaire avec l'oxygène dissous ou les impuretés d'ions métalliques paramagnétiques dans le solvant peut interdire l'observation de faibles augmentations de NOE. La NOE observée en présence d'autres mécanismes de relaxation est donnée par

où ρ est la contribution supplémentaire au taux de relaxation total des mécanismes de relaxation n'impliquant pas de relaxation croisée. En utilisant le même modèle idéalisé à deux spins pour la relaxation dipolaire dans la limite de rétrécissement extrême :

Il est facile de montrer que

Ainsi, le NOE en régime permanent à deux spins ne dépend de la distance internucléaire que lorsqu'il y a une contribution de la relaxation externe. Bell et Saunders ont montré qu'en suivant des hypothèses strictes, ρ c est presque constant pour des molécules similaires dans la limite de rétrécissement extrême. Par conséquent, prendre des rapports de valeurs NOE en régime permanent peut donner des valeurs relatives pour la distance internucléaire r . Bien que l'expérience en régime permanent soit utile dans de nombreux cas, elle ne peut fournir que des informations sur les distances internucléaires relatives. D'autre part, la vitesse initiale de croissance de la NOE est proportionnelle à r IS -6 , ce qui fournit d'autres alternatives plus sophistiquées pour obtenir des informations structurelles via des expériences transitoires telles que 2D-NOESY.

RMN bidimensionnelle

Séquence d'impulsions pour l'expérience NOESY bidimensionnelle standard
Spectre NOESY 2D de codéine

Les motivations pour l'utilisation de la RMN bidimensionnelle pour mesurer les NOE sont similaires à celles des autres méthodes 2D. La résolution maximale est améliorée en étalant les résonances affectées sur deux dimensions, donc plus de pics sont résolus, de plus grosses molécules peuvent être observées et plus de NOE peuvent être observés en une seule mesure. Plus important encore, lorsque le mouvement moléculaire est dans les régimes intermédiaires ou lents lorsque le NOE est nul ou négatif, l'expérience NOE en régime permanent ne donne pas de résultats pouvant être liés aux distances internucléaires.

Molécule de codéine

La spectroscopie à effet Overhauser nucléaire (NOESY) est une méthode spectroscopique RMN 2D utilisée pour identifier les spins nucléaires subissant une relaxation croisée et pour mesurer leurs taux de relaxation croisée. Étant donné que les couplages dipôle-dipôle 1 H constituent le principal moyen de relaxation croisée pour les molécules organiques en solution, les spins subissant une relaxation croisée sont ceux qui sont proches les uns des autres dans l'espace. Par conséquent, les pics croisés d'un spectre NOESY indiquent quels protons sont proches les uns des autres dans l'espace. À cet égard, l'expérience NOESY diffère de l'expérience COSY qui repose sur le couplage J pour fournir une corrélation spin-spin, et dont les pics croisés indiquent quels 1 H sont proches de quels autres 1 H à travers les liaisons chimiques de la molécule.

La séquence NOESY de base se compose de trois impulsions à 90°. La première impulsion crée une aimantation de spin transverse. Les spins précessent pendant le temps d'évolution t 1 , qui s'incrémente au cours de l'expérience 2D. La deuxième impulsion produit une magnétisation longitudinale égale à la composante d'aimantation transversale orthogonale à la direction de l'impulsion. Ainsi, l'idée est de produire une condition initiale pour la période de mélange τ m . Pendant le temps de mélange NOE, un transfert de magnétisation par relaxation croisée peut avoir lieu. Pour l'expérience NOESY de base, m est maintenu constant tout au long de l'expérience 2D, mais choisi pour le taux optimal de relaxation croisée et l'accumulation de NOE. La troisième impulsion crée une magnétisation transversale à partir de la magnétisation longitudinale restante. L'acquisition des données commence immédiatement après la troisième impulsion et l'aimantation transversale est observée en fonction du temps de retard de l'impulsion t 2 . Le spectre NOESY est généré par une transformée de Fourier 2D par rapport à t 1 et t 2 . Une série d'expériences est réalisée avec des temps de mélange croissants, et l'augmentation de l'amélioration de NOE est suivie. Les protons les plus proches montrent les taux d'accumulation les plus rapides du NOE.

Les distances interprotons peuvent être déterminées à partir de spectres NOESY à rapport signal/bruit élevé, bien résolus et assignés sans ambiguïté par l'analyse des intensités des pics croisés. Ceux-ci peuvent être obtenus par intégration de volume et peuvent être convertis en estimations de distances interprotons. La distance entre deux atomes et peut être calculée à partir des volumes des pics croisés et d'une constante d'échelle

où peut être déterminé sur la base de mesures de distances fixes connues. La plage de distances peut être signalée en fonction des distances et des volumes connus dans le spectre, ce qui donne une moyenne et un écart type , une mesure de plusieurs régions du spectre NOESY ne montrant aucun pic, c'est-à - dire du bruit , et une erreur de mesure . Le paramètre est défini de sorte que toutes les distances connues se situent dans les limites d'erreur. Cela montre que la plage inférieure du volume NOESY peut être affichée

et que la borne supérieure est

De telles distances fixes dépendent du système étudié. Par exemple, les acides nucléiques verrouillés ont de nombreux atomes dont la distance varie très peu dans le sucre, ce qui permet d'estimer les angles de torsion glycosidiques, ce qui a permis à la RMN de comparer les prédictions de la dynamique moléculaire du LNA. Les ARN, cependant, ont des sucres qui sont beaucoup plus flexibles sur le plan de la conformation et nécessitent des estimations plus larges des limites inférieures et supérieures.

Dans la caractérisation structurelle des protéines, les NOE sont utilisés pour créer des contraintes sur les distances intramoléculaires. Dans cette méthode, chaque paire de protons est considérée isolément et les intensités des pics croisés NOESY sont comparées à un pic croisé de référence d'une paire de protons à distance fixe, telle qu'une paire de protons méthylène géminés ou des protons de cycle aromatique. Cette approche simple est raisonnablement insensible aux effets de la diffusion de spin ou des temps de corrélation non uniformes et peut généralement conduire à la définition du repliement global de la protéine, à condition qu'un nombre suffisamment grand de NOEs aient été identifiés. Les pics croisés NOESY peuvent être classés comme forts, moyens ou faibles et peuvent être traduits en contraintes de distance supérieure d'environ 2,5, 3,5 et 5,0 Å, respectivement. De telles contraintes peuvent ensuite être utilisées dans des optimisations de mécanique moléculaire pour fournir une image de la conformation à l'état de solution de la protéine. La détermination de la structure complète repose sur une variété d'expériences RMN et de méthodes d'optimisation utilisant à la fois le déplacement chimique et les contraintes NOESY.

NOE hétéronucléaire



Quelques méthodes expérimentales

Voici quelques exemples de techniques expérimentales de RMN unidimensionnelle et bidimensionnelle exploitant le NOE :

  • NOESY, Spectroscopie à effet nucléaire Overhauser
  • HOESY, Spectroscopie à effet Overhauser hétéronucléaire
  • ROESY, Spectroscopie à effet Overhauser nucléaire à cadre rotatif
  • TRNOE, effet Overhauser nucléaire transféré
  • DPFGSE-NOE, expérience NOE en écho de spin à gradient de champ double pulsé

NOESY est la détermination des orientations relatives des atomes dans une molécule, par exemple une protéine ou une autre grande molécule biologique, produisant une structure tridimensionnelle. HOESY est la corrélation croisée NOESY entre les atomes de différents éléments. ROESY consiste à verrouiller en rotation l'aimantation pour l'empêcher d'aller à zéro, appliqué pour les molécules pour lesquelles la NOESY régulière n'est pas applicable. TRNOE mesure le NOE entre deux molécules différentes interagissant dans la même solution, comme dans un ligand se liant à une protéine. Dans une expérience DPFGSE-NOE, une expérience transitoire qui permet la suppression de signaux forts et donc la détection de très petits NOE.

Exemples d'effet nucléaire Overhauser

Effet Overhauser nucléaire

La figure (en haut) montre comment la spectroscopie à effet Overhauser nucléaire peut élucider la structure d'un composé commutable. Dans cet exemple, le proton désigné par {H} montre deux ensembles différents de NOE en fonction de l' état d' isomérisation ( cis ou trans ) des groupes azoïques commutables . À l' état trans , le proton {H} est loin du groupe phényle et présente des NOE de couleur bleue ; tandis que l' état cis maintient le proton {H} à proximité du groupe phényle, ce qui entraîne l'émergence de nouveaux NOE (en rouge).

Un autre exemple (en bas) où l'application où le NOE est utile pour attribuer des résonances et déterminer la configuration est celui des polysaccharides. Par exemple, les glucanes complexes possèdent une multitude de signaux qui se chevauchent, en particulier dans un spectre de protons. Par conséquent, il est avantageux d'utiliser des expériences de RMN 2D, y compris NOESY pour l'attribution de signaux. Voir, par exemple, NOE des glucides .

Techniques de RMN homonucléaire dans les études sur les glucides.

Voir également

Les références

Liens externes