Proteiini-ligandivuorovaikutusten tutkiminen NMR-relaksaatiomittauksilla

Abstract

Proteiini-ligandivuorovaikutuksiin vaikuttaa kolme tekijää: 1. kuinka paljon proteiineja ja ligandeja liuoksessa on vapaana, 2. paljonko komplekseja liuoksessa on, sekä 3. kuinka nopeasti sidoksia syntyy ja purkautuu [1]. Proteiini-ligandikompleksien muodostuminen noudattaa termodynamiikan lakeja ja sidos muodostuu vain, jos systeemin Gibbsin vapaan energian (∆G) arvo on negatiivinen, kun systeemi saavuttaa tasapainotilan [2]. Kompleksin muodostumisen sidoksia voidaan kuvata kolmella mallilla kuvan 2 mukaisesti: ”avain − lukko”-mallilla, ”indusoitu sopivuus”-mallilla ja ”rakenteellisen valinnan” -mallilla. Todennäiköisesti kuienkin näitä kaikkia malleja tapahtuu samanaikaisesti liuoksessa [2].

NMR-spektroskopia perustuu tutkittavien ydinten magneettiseen dipolimomenttiin ja sen käsittelyyn. Sillä saadaan tietoa näiden ydinten kemiallisesta ja fysikaalisesta ympäristöstä. Kun ytimiä on käsitelty magneettikentillä ja tämän lisäksi herätekentällä ne eivät ole enää tasapainotilassa, mutta relaksaatiomekanismien ansiosta ne kuitenkin palautuvat siihen [3]. Koska relaksaatiota aiheuttaa molekyylin tai elektronien liikkeestä johtuvat fluktuoivat magneettikentät, voidaan relaksaatiomittauksilla saada tietoa molekyylien liikkeistä. Relaksaatioajat jaetaan kahteen komponenttiin, T1-relaksaatioaikaan ja T2-relaksaatioaikaan. Näistä T1-relaksaatioaika kuvaa ulkoisen magneettikentän suuntaisen magnetisaatiovektorin relaksaatiota ja T2-relaksaatioaika kuvaa ulkoisen magneettikenttää vastaan kohtisuorassa oleva magnetisaatiovektorin komponentin vaimenemisaikaa. Joissain tapauksissa relaksaatiomittaukset voivat olla kuitenkin hitaita, mutta tämä voidaan ratkaista käyttämällä ultranopeita menetelmiä [4]. [3]

Relaksaatioiden dispersiomittaukset (Relaxation dispersion, RD) osoittautuivat myös hyväksi menetelmäksi tutkia proteiinin ja ligandin välisen sidoksen orientaatiota [5]. Relaksaatioaikojen dispersiot ovat ytimien R2-relaksaationopeuksien muutoksia. Tyypillisessä hyperpolarisoidussa NMR-kokeessa reaaliaikaisen NMR-spektrin tuottamisen rajoitteena on se, että epäsuoran dimension informaation tarkkuus kärsii mittausajan kasvaessa. C.Qi et al. ratkaisivat tämän rajoitteen spin-spin relaksaatiolle käyttämällä hyperpolarisoitua "single-shot" -menetelmää, joka perustuu UF 2D-NMR mittaukseen [6]. Yhdistämällä ultranopeat menetelmät D-DNP hyperpolarisointi-menetelmän kanssa, voidaan havaita usean hiilen signaalin R2 arvot yhdellä koekerralla. Tämä mahdollistaa uusien relaksaatiomittausten sovellukset, kuten nopeiden kemiallisten reaktioden tutkimisen tai vaihtoprosessien tutkimisen molekyylien välisessä vuorovaikutuksessa. [5, 6]