32.19: Zastosowania NMR w biologii

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest bardzo cenną techniką analityczną dla badaczy. Jest używany od ponad 50 lat jako narzędzie analityczne. F. Bloch i E. Purcell sformułowali NMR w 1946 roku i otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1952 roku za swoją pracę. Makrocząsteczki biologiczne, takie jak białka, kwasy nukleinowe, lipidy i cząsteczki organiczne, w tym związki farmaceutyczne, można badać za pomocą tego wszechstronnego narzędzia, które wykorzystuje właściwości magnetyczne niektórych jąder.

Podstawową zasadą tej techniki jest to, że jądra, oprócz ładunku elektrycznego, mają również spin. Jądra o nieparzystej liczbie atomowej lub masie posiadają tę właściwość spinu, która jest niezbędna dla techniki NMR. Obrót jest losowy i w losowych kierunkach, podobnie jak bączek. Stąd, po umieszczeniu pod zewnętrznym polem magnetycznym, jądra te ustawiają się w jednej linii z lub przeciw przyłożonemu polu. Jądra te powracają do swojej pierwotnej orientacji po usunięciu pola zewnętrznego. Przerwa energetyczna jest następnie przekształcana w widma, które zależą od charakteru środowiska atomów i odległości między jądrami. Uzyskane widma pomagają badać różne parametry, takie jak struktura, dynamika i właściwości próbek. Właściwości takie jak stan reakcji, środowisko chemiczne i interakcje próbek są przykładami wyników badań, które można badać za pomocą tej techniki.

W biologii ¹³C, ¹H, ²H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na i ¹⁹F są ważnymi biologicznie istotnymi jądrami aktywnymi NMR, które pomagają zrozumieć szlaki biochemiczne zaangażowane w metabolizm aminokwasów, lipidów i węglowodanów. Ponadto NMR oferuje możliwość obserwacji i ilościowego oznaczania wielu związków w płynach biologicznych, ekstraktach komórkowych i tkankach bez konieczności skomplikowanego przygotowywania próbek lub frakcjonowania.

W ciągu ostatnich dwóch dekad NMR został opracowany w celu tworzenia szczegółowych obrazów w procesie zwanym obecnie obrazowaniem rezonansu magnetycznego (MRI), nazwa ukuta w celu uniknięcia użycia słowa “jądrowy” i jednoczesnej sugestii, że w grę wchodzi promieniowanie jądrowe. MRI opiera się na NMR, w którym zewnętrznie przyłożone pole magnetyczne oddziałuje z jądrami niektórych atomów, szczególnie tych wodoru (protonów) tkanki ciała.

Liczne zastosowania tej techniki, w tym jej kluczowa rola w odkrywaniu leków i proteomice, pomagają przenieść badania na nowy poziom, przynosząc korzyści ludzkości.