蛋白质顺磁标记技术与生物核磁共振中的赝接触位移.pdf

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1、波谱学杂志第31卷第2期V01．31No．22014年6月ChineseJournalofMagneticResonanceJun．2014文章■号I1000—4556(2014)02—155—17蛋白质顺磁标记技术与生物核磁共振中的赝接触位移杨茵，陈家良，苏循成(元素有机化学国家重点实验室，南开大学，天津300071)摘要：未配对电子与蛋白质分子自旋核的作用能提供丰富的长程结构信息，这些顺磁信息通常可用顺磁弛豫增强、赝接触位移和残余偶极耦合描述，其中赝接触位移包含生物大分子内重要的距离和角度信息．稀土离

2、子具有相似的配位化学性质和不同的顺磁物理特性，而大多稀土离子具有磁各向异性，在与大分子作用过程中会产生赝接触位移．由于大多数蛋白质没有顺磁中心，获得这些顺磁信息需要通过定点选择标记蛋白质来实现．该文旨在对近年来蛋白质顺磁标记的方法和进展进行介绍，在顺磁标记基础上阐述赝接触位移在结构生物学中的应用．关键词：核磁共振(NMR)；顺磁标记(PRE)；蛋白质；稀土离子；赝接触位移(PCS)中图分类号：0482．53文献标识码：A引言近年来，高分辨核磁共振在生物大分子的结构、动力学研究和近年来兴起的细胞内原位检测等

3、方面发挥着重要的作用．在生物大分子中引入顺磁性物质，如含有未配对电子的金属离子或游离基，利用未配对电子与观测核间的偶极相互作用产生的顺磁效应可以提供非常有用的结构信息．这类顺磁信息通常可以用顺磁弛豫增强(paramagneticrelaxationenhancement，PRE)，赝接触位移(pseudocontactshift，PCS)~残余偶极耦合收稿日期：2013—05—02；收修改稿日期：2013—05．06基金项目：国家重大科学研究计划资助项H(2013CB910200)国家自然科学基金资助项~

4、(21073101，21273121，21121002)．作者简介：杨茵(1985．)，女，天津人，博士研究生，从事顺磁效应下的生物核磁共振研究．·通讯联系人：苏循成电话：022—23500623．E—mail：xunchengsu@nankai．edu．cn．156波谱学杂志第3l卷(residualdipolarcoupling，m3c)描述L1．随着高场NMR谱仪和蛋白质标记技术的发展，顺磁核磁共振在结构生物学中的应用引起了人们的极大兴趣．生物体系电子顺磁共振(electronparamagneti

5、cresonance，EPR)和顺磁核磁共振研究中经常用到氮氧自由基、过渡金属Mn(3)和稀iiHGdj(4厂，这些物质都具有磁各向同性的特点．由于这类顺磁物质的电子弛豫时间长，与生物大分子体系内自旋核的偶极作用能极大增强到观察核的弛豫速率，即PRE效应．PRE是一种非常重要的距离限制性约束，并可以用来测定蛋白质的构象、蛋白质复合物的瞬态构象和瞬态变化【jJ．而一些过渡金属离子Fe2十(高白旋)、Fe、Coz+、Ni2十和稀土金属离子Ln计(除La、Gd和Lu外)，在磁场中表现出各向异性的磁感应性．在生物

6、大分子体系中引入这类具有磁各向异性的顺磁金属离子，能产生非常有用的顺磁结构信息，包括PCS、RDC和交叉相关弛豫(cross．correlatedrelaxation，CCR)u，4J，其中PCS更具通用性且容易定量测量．过渡金属离子的磁各向异性比稀土金属离子要小很多，在生物大分子研究体系中的应用性较小．而关于顺磁弛豫增强已经有非常详细的综述文章L5J．因此本文着重介绍了PCS和稀土金属离子的引入以及PCS在结构生物学中的应用．1PCSNMR1．1PCS原理PCS是指顺磁中心未配对电子通过与白旋核间的偶极

7、．偶极相互作用，引起自旋核的化学位移发生变化．图1fc1中的等值面示意图形象展示了顺磁中心与蛋白的空间关系对PCS的影响，观测核的PCS由其相对顺磁金属离子的位置决定．磁感应性通常用张量表示，如图1所示，在正交坐标系中的3个主轴分量分别可以用、和表示．如果张量是各向同性的，即Zx=Zy=Zz，不产生PCS；各向异性的磁感应张量通常用一张量表示，PCS可以用关于一张量的轴分量和斜方分量的方程来表述．1．PCS=[Azo~(3cos0—1)+1．5AZ,hsint9cos2q)](1)l兀(1)式中PCS表示

8、观测白旋核在逆磁和顺磁样品中化学位移的差别(以ppm表示)，，．表示金属离子与自旋核间的距离，0和醍表示自旋核在以顺磁离子为中心的主轴坐标系中的空问取向，其中=一(+)／2，AZ,h=Zx一．从上述表述中，我们可以看到：1)PCS与顺磁离子的磁各向异性相关；2)(1)式中所获得的PCS以ppm表述，其大小与磁场强度无关；3)PCS既含有生物大分子观测核相对顺磁中心的角度信息，又含有距离信息，是一种与常规NOE或RDC不同的结构