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2019-11-29核磁共振的 前世今生與未來 600 期

Author 作者 周三和/臺灣師範大學化學學士,臺大生化碩士及美國西雅圖華盛頓大學化學博士,發表超過140篇研究論文、評論和書籍。
長期以來,核磁共振被認為是鑑定有機小分子,如中草藥成份或其它天然物分子結構一個不可或缺的工具。只是利用過去傳統的一維核磁共振技術,如化學位移及耦合常數等,所能解析的有機分子結構一般分子量都小於一千道爾頓(Dalton, Da),大大限制了此技術用於生物大分子結構解的能力。但 是隨著各種軟硬體的發展,大部份的問題都已獲得解決。而高解析核磁共振學已被成功運用於生物大分子的結構解析,大幅度增進核磁共振學在現代科學技術上的應用。

因此,2002年諾貝爾獎委員會決定授予瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)的沃斯里希諾貝爾化學獎,因為他開發出一 系列「利用多維核磁共振光譜學研究溶液中生物大分子的三維結構」的技術。目前此方法廣泛用於結構生物學,以解析溶液中生物大分子的空間結構,特別是蛋白質與核酸。

 

核磁共振的濫觴

核磁共振的物理現象首次在1946 年由布洛赫(Felix Bloch)與珀塞爾(Edward Purcell)的研究小組發現, 其原理是基於某些核的磁性,如在生化大分子中代表性最強的質子氫(1H)、同位素碳(13C)和氮(15N)原子,當它們被置於一個外加磁場中時,這些原子核除了自轉外,亦能沿著磁場軸方向產生公轉,並具有順磁與逆磁二種特性,而產生一定的能量差(順磁原子能量較低,而逆磁原子能量較高)。此種關係有如地球與太陽之間的引力關係,即地球除了自轉外,亦須沿著太陽公轉,才能免於地球被太陽的重力吸引而產生碰撞。有趣的是,當額外加入一外加頻率時(其能量與此原子核在該外加磁場下的順磁與逆磁能量差相當),這些元素就會產生共振現象,而順磁原子可吸收此一定能量而變成逆磁,進而達到順磁與逆磁的原子數目相等。

因此科學家們可利用此一外加能量的頻率,來探測這些原子的特徵旋轉頻率。由於原子的共振頻率不僅取決於磁場的強弱,還取決於它們所在的化學環境的不同,如化學位移(chemical shift)。此外,分子不同核之間, 如質子的自旋會產生干擾,從而產生可用於解析生化大分子結構上的重要參數,如化學位移、耦合常數(scalar coupling constant)及歐佛豪瑟核效應頻譜(nuclear overhauser effect, NOE)〔註一〕,這些參數則是使用 高解析核磁共振技術建立生化大分子結構的基礎。


核磁共振所面臨的難題

利用核磁共振研究生化大分子結構解析面臨一些重大的挑戰,如生化大分子的原子數目太多造成光譜重疊度太大,使敏感度(sensitivity)及光譜分辨率(resolution) 不佳,所以個別的原子無法被循序判讀(sequential assignment)的技術定位。而重疊度太大的原因主要有兩個,其一為生化大分子的質子數目極多,對一個擁有約 300 個胺基酸的蛋白質來說,它本身就有將近1000 個氫質子,而當這些眾多的氫原子的吸收頻率都位於10周ppm(百萬分點濃度)之中時,可想像光譜重疊度的嚴重性。

另外一個雪上加霜的缺點為,一個生化大分子的分子量動輒50000Da 以上,質量是500Da 小分子的1000 倍以上,造成其光譜線半峰全寬(full width at half maximum, FWHM)大量擴大。所以當兩效應加成以後,一般蛋白質分子的核磁共振光譜就顯得極其寬廣無章,無法偵測出個別原子的吸收位置及頻率,從而造成利用核磁共振研究生化大分子結構的一大難題。……【更多內容請閱讀科學月刊第600期】