Спектроскопия ядерного магнитного резонанса углеводов

ЯМР-спектроскопия углеводов — это применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для структурного и конформационного анализа углеводов . Этот метод позволяет ученым выяснить структуру моносахаридов , олигосахаридов , полисахаридов , гликоконъюгатов и других производных углеводов из синтетических и природных источников. Среди структурных свойств, которые можно определить с помощью ЯМР, - первичная структура (включая стереохимию), конформация сахарида, стехиометрия заместителей и соотношение отдельных сахаридов в смеси. Современные приборы ЯМР высокого поля, используемые для образцов углеводов, обычно с частотой 500 МГц или выше, способны проводить серию 1D, 2D и 3D экспериментов для определения структуры углеводных соединений.

Наблюдаемые ЯМР углеводов

Химический сдвиг

Обычные диапазоны химических сдвигов ядер в углеводных остатках:

Типичный ¹Химические сдвиги протонов углеводного кольца ЯМР 1Н составляют 3–6 м.д. (4,5–5,5 м.д. для аномерных протонов).
Типичный ¹³Химические сдвиги атомов углерода углеродного кольца ЯМР 1С составляют 60–110 м.д.

В случае простых молекул моно- и олигосахаридов все сигналы протонов обычно отделены друг от друга (обычно на приборах ЯМР с частотой 500 МГц или лучше) и могут быть определены только с использованием 1D ЯМР-спектра. Однако более крупные молекулы демонстрируют значительное перекрытие сигналов протонов, особенно в неаномерной области (3-4 м.д.). ЯМР углерода-13 преодолевает этот недостаток за счет большего диапазона химических сдвигов и специальных методов, позволяющих блокировать спиновое взаимодействие углерод-протон, что делает все сигналы углерода высокими и узкими синглетами, отличимыми друг от друга.

Типичные диапазоны специфических химических сдвигов углерода углерода в незамещенных моносахаридах составляют:

Аномерные углероды: 90-100 частей на миллион.
Углероды сахарного кольца, несущие гидроксильную функцию: 68-77.
Углероды сахара в открытой форме, несущие гидроксильную функцию: 71-75.
Углероды сахарного кольца, несущие аминофункцию: 50-56.
Экзоциклические гидроксиметильные группы: 60-64.
Экзоциклические карбоксильные группы: 172-176.
Углерод в дезоксигенированном сахарном кольце: 31-40
Углерод в замыкании пиранозного кольца: 71–73 (α-аномеры), 74–76 (β-аномеры)
Углерод при замыкании фуранозного кольца: 80-83 (α-аномеры), 83-86 (β-аномеры)

Константы связи

Константы прямого взаимодействия углерод-протон используются для изучения аномерной конфигурации сахара.Вицинальные константы протон-протонного взаимодействия используются для изучения стереоориентации протонов относительно других протонов внутри сахарного кольца, таким образом идентифицируя моносахарид.Вицинальные гетероядерные константы взаимодействия HCOC используются для изучения углов скручивания вдоль гликозидной связи между сахарами или вдоль экзоциклических фрагментов, выявляя таким образом молекулярную конформацию.

Сахарные кольца представляют собой относительно жесткие молекулярные фрагменты, поэтому характерны вицинальные протон-протонные связи:

Экваториально-осевой: 1–4 Гц
От экваториального к экваториальному: 0–2 Гц.
Аксиально-аксиальный неаномерный: 9–11 Гц.
Аксиально-аксиальный аномер: 7–9 Гц.
Аксиально экзоциклическому гидроксиметилу: 5 Гц, 2 Гц
Геминаль между гидроксиметильными протонами: 12 Гц.

Ядерные эффекты Оверхаузера (NOE)

NOE чувствительны к межатомным расстояниям, что позволяет использовать их в качестве конформационного зонда или доказательства образования гликозидной связи. Обычной практикой является сравнение расчетных и экспериментальных протон-протонных NOE в олигосахаридах для подтверждения теоретической конформационной карты. Расчет NOE подразумевает оптимизацию молекулярной геометрии.

Другие наблюдаемые ЯМР

Сообщалось, что релаксивность, скорость ядерной релаксации, форма линий и другие параметры полезны при структурных исследованиях углеводов. ^[1]

Определение структуры углеводов методом ЯМР-спектроскопии

Структурные параметры углеводов

Ниже приводится список структурных особенностей, которые можно выявить с помощью ЯМР:

Химическая структура каждого углеводного остатка в молекуле, включая
- размер углеродного скелета и тип сахара (альдоза/кетоза)
- размер цикла (пираноза/фураноза/линейный)
- стереоконфигурация всех атомов углерода (идентификация моносахаридов)
- стереоконфигурация аномерного углерода (α/β)
- абсолютная конфигурация (D/L)
- расположение амино-, карбокси-, дезокси- и других функций
Химическая структура неуглеводных остатков в молекуле (аминокислоты, жирные кислоты, спирты, органические агликоны и т. д.)
Позиции замещения в остатках
Последовательность остатков
Стехиометрия концевых остатков и боковых цепей
Расположение фосфатных и сульфатдиэфирных связей
Степень полимеризации и положение рамки (для полисахаридов)

ЯМР-спектроскопия по сравнению с другими методами

Широко известные методы структурных исследований, такие как масс-спектрометрия и рентгеноструктурный анализ, лишь ограниченно применимы к углеводам. ^[1] Такие структурные исследования, как определение последовательности или идентификация новых моносахаридов, приносят наибольшую пользу от ЯМР-спектроскопии.Абсолютную конфигурацию и степень полимеризации не всегда можно определить только с помощью ЯМР, поэтому процесс структурного выяснения может потребовать дополнительных методов. Хотя состав мономеров можно определить с помощью ЯМР, хроматографические и масс-спектроскопические методы иногда позволяют получить эту информацию проще. Остальные особенности структуры, перечисленные выше, можно определить исключительно методами ЯМР-спектроскопии. Ограничением структурных исследований углеводов с помощью ЯМР является то, что выяснение структуры вряд ли может быть автоматизировано и требует, чтобы эксперт-человек получил структуру на основе спектров ЯМР.

Применение различных методов ЯМР к углеводам

Сложные гликаны обладают множеством перекрывающихся сигналов, особенно в протонном спектре. Следовательно, для определения сигналов выгодно использовать 2D-эксперименты.В таблице и на рисунках ниже перечислены наиболее распространенные методы ЯМР, используемые при исследовании углеводов.

Методы гетероядерного ЯМР в исследованиях углеводов и типичные атомы внутри остатка (красный) и между остатками (синий), которые они связывают друг с другом.

Методы гомоядерного ЯМР в исследованиях углеводов и типичные атомы внутри остатка (красный) и между остатками (синий), которые они связывают друг с другом.


ЯМР-эксперимент	Описание	Полученная информация
¹Ч 1Д	1D протонный спектр	измерение связей, общая информация, идентификация остатков, основа для определения спектра углерода
¹³С ББ	1D спектр углерода-13 с протонной развязкой	подробная информация, идентификация остатков, позиции замещения
³¹П ББ, ¹⁵Н ББ	Спектры одномерных гетероядер, разделенных протонами	Дополнительная информация
АПТ, ¹³ОТДЕЛ С	прикрепленный протонный тест, управляемый усиленным переносом поляризации (отредактированный 1D спектр углерода-13)	назначение _{CH 2} групп
¹³C Закрытый, ³¹П Закрытый	Протон-связанные 1D спектры углерода-13 и гетероядер	измерение гетероядерных связей, выяснение аномерной конфигурации, конформационные исследования
¹ЧАС, ¹H J-разрешено	График 2D ЯМР, показывающий J-муфты во втором измерении	точные J-связи и значения химического сдвига для переполненных спектральных областей
¹Н ДОЗА	График 2D ЯМР со спектрами протонов в зависимости от коэффициента молекулярной диффузии	измерение коэффициента диффузии, оценка размера/массы молекул, спектральное разделение различных молекул в смеси
¹ЧАС, ¹Ч УЮТНЫЙ	Корреляция спина протона	назначение спектра протонов с использованием вицинальных связей
УЮТНЫЙ RCT, УЮТНЫЙ RCT2	Корреляция спина протона с одно- или двухступенчатой эстафетной передачей когерентности	назначение спектра протонов, при котором сигналы соседних вицинальных протонов перекрываются
DQF УЮТНЫЙ	Двухквантовая фильтрованная спиновая корреляция протонов	Величины J-связи и количество протонов, участвующих в J-связи
¹H HD диф.	Селективная дифференциальная гоморазвязка	анализ формы линий перекрывающихся сигналов протонов
ТОКСИ (ХОХАХА)	Полная корреляция всех протонов в спиновой системе	различение спиновых систем остатков
1D ТОКСИ	TOCSY одного сигнала	извлечение спиновой системы определенного остатка
НОЭСИ, РОЗИ	Корреляция гомоядерного ядерного эффекта Оверхаузера (через пространство)	выявление пространственно близких пар протонов, определение последовательности остатков, определение усредненной конформации
¹H НЕКОТОРЫЕ различия	Выборочное дифференциальное измерение NOE	исследования пространственных контактов протонов
¹ЧАС, ¹³С HSQC	Гетероядерная одноквантовая когерентность, прямая спиновая корреляция протон-углерод	присвоение спектра углерода
¹ЧАС, ³¹П HSQC	Гетероядерная одноквантовая когерентность, спиновая корреляция протона и фосфора	локализация остатков фосфорной кислоты в фосфогликанах
¹ЧАС, ¹³С HMBC	Гетероядерная корреляция множественных связей, вицинальная спиновая корреляция протон-углерод	определение последовательности остатков, характера ацетилирования/амидирования, подтверждение положений замен
¹Н,Х 1D HMBC	HMBC для одиночного сигнала	отнесение протона к определенному углероду или гетероатому
¹ЧАС, ¹³C Реле HSQC	Неявная углерод-углеродная корреляция через вицинальные связи присоединенных протонов	присвоение соседних атомов углерода
¹ЧАС, ¹³C HSQC-TOCSY	Корреляция протонов со всеми атомами углерода внутри спиновой системы и наоборот.	отнесение C5 с помощью H6 и решение подобных задач, разделение спектра углерода на подспектры остатков
¹H,X 1D ЧТО-ТО	Гетероядерное измерение NOE	гетероядерные пространственные контакты, конформации

Схема исследования

ЯМР-спектроскопические исследования включают в себя следующие этапы:

Экстракция углеводного материала (для природных гликанов)
Химическое удаление фрагментов, маскирующих закономерности (для полимеров)
Разделение и очистка углеводного материала (для экспериментов 2D ЯМР рекомендуется 10 мг или более)
Подготовка проб (обычно в D ₂ O)
Получение 1D-спектров
Планирование, сбор и обработка других экспериментов ЯМР (обычно требуется от 5 до 20 часов)
Назначение и интерпретация спектров (см. примерный рисунок)
Если структурную проблему невозможно решить: химическая модификация/разложение и ЯМР-анализ продуктов.
Получение спектров нативного (немаскированного) соединения и их интерпретация на основе модифицированной структуры.
Представление результатов

Примерная схема ЯМР (синий) и других (зеленый) методов, применяемых для выяснения структуры углеводов, и полученная информация (в прямоугольниках)

Базы данных и инструменты ЯМР углеводов

Было создано множество баз данных о химических сдвигах и связанных с ними услуг для облегчения структурного выяснения и экспертного анализа их спектров ЯМР. Из них несколько информационных инструментов посвящены исключительно углеводам:

GlycoSCIENCES.de
- более 4000 ЯМР-спектров гликанов млекопитающих ^[2]
- поиск структуры по сигналам ЯМР и наоборот
CSDB (база данных о структуре углеводов ^[3]^[4]) содержит:
- более 20 000 ЯМР-спектров (по состоянию на 2024 г.) бактериальных, растительных, грибковых и протистальных гликанов,
- поиск структуры по сигналам ЯМР и наоборот
- процедура моделирования эмпирических спектров, оптимизированная для углеводов, ^[5]
- статистическая оценка химического сдвига на основе алгоритма HOSE, оптимизированного для углеводов, ^[6]^[7]
- инструмент генерации структуры и ранжирования на основе ЯМР. ^[6]
CASPER (компьютерная оценка спектра обычных полисахаридов). ^[8]^[9] содержит:
- база данных химических сдвигов,
- процедура моделирования эмпирических спектров, оптимизированная для углеводов,
- онлайн-интерфейс.
- инструмент сопоставления структур. Химические сдвиги как протона, так и углерода C и H можно использовать для доступа к структурной информации.

Моделирование наблюдаемых ЯМР

Были рассмотрены несколько подходов к моделированию наблюдаемых ЯМР углеводов. ^[1] Они включают в себя:

Подходы к универсальным статистическим базам данных (ACDLabs, Modgraph и т. д.)
Использование нейронных сетей для уточнения прогнозов
Методы на основе регрессии
ЗАРЯЖАТЬ
Эмпирические схемы, оптимизированные по углеводам (CSDB/BIOPSEL, CASPER).
Комбинированный расчет молекулярной механики/динамической геометрии и квантовомеханическое моделирование/итерация наблюдаемых ЯМР (программное обеспечение PERCH NMR)
Подходы ONIOM (оптимизация разных частей молекулы с разной точностью)
Расчеты ab initio .

Растущая вычислительная мощность позволяет использовать тщательные квантово-механические расчеты на высоких уровнях теории и большие базисные наборы для уточнения молекулярной геометрии углеводов и последующего прогнозирования наблюдаемых ЯМР с использованием GIAO и других методов с учетом эффекта растворителя или без него. Среди комбинаций теоретического уровня и базисного набора, которые были признаны достаточными для предсказаний ЯМР, были B3LYP/6-311G++(2d,2p) и PBE/PBE (см. обзор). Для сахаридов было показано, что эмпирические схемы, оптимизированные по углеводам, обеспечивают значительно лучшую точность (0,0–0,5 ppm на миллион). ¹³C-резонанс), чем квантово-химические методы (более 2,0 ppm на резонанс), которые считаются лучшими для моделирования ЯМР и работают в тысячи раз быстрее. Однако эти методы могут предсказывать только химические сдвиги и плохо работают для неуглеводных частей молекул.В качестве репрезентативного примера см. рисунок справа.

См. также

Методы 1D и 2D ЯМР-спектроскопии в структурных исследованиях природных гликополимеров (лекция) ^[10]
Базы данных по углеводам за последнее десятилетие (лекция; включает данные моделирования ЯМР) ^[11]
Углеводы
Гликан
Ядерный магнитный резонанс
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса нуклеиновых кислот
Спектроскопия ядерно-магнитного резонанса белков
ЯМР-спектроскопия
Ядерный эффект Оверхаузера

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Тукач Ф.В.; Анаников В.П. (2013). «Последние достижения в вычислительном прогнозировании параметров ЯМР для выяснения структуры углеводов: методы и ограничения» . Обзоры химического общества . 42 (21): 8376–8415. дои : 10.1039/C3CS60073D . ПМИД 23887200 .
^ http://csdb.glicosciences.de
^ «Российский ЦКББ» . csdb.glicoscience.ru .
^ Тукач Ф.В. (2011). «База данных структуры бактериальных углеводов 3: принципы и реализация». Журнал химической информации и моделирования . 51 (1): 159–170. дои : 10.1021/ci100150d . ПМИД 21155523 .
^ «Помощь CSDB: миграция из бактериальной и растительно-грибной CSDB» .
^ Jump up to: ^а ^б «Помощь CSDB: миграция из бактериальной и растительно-грибной CSDB» . csdb.glicoscience.ru .
^ Капаев Р.Р.; Егорова К.С.; Тукач Ф.В. (2014). «Схема обобщения структуры углеводов для моделирования экспериментальных наблюдаемых величин на основе базы данных, таких как химические сдвиги ЯМР». Журнал химической информации и моделирования . 54 (9): 2594–2611. дои : 10.1021/ci500267u . ПМИД 25020143 .
^ «КАСПЕР - Главная страница» .
^ П.-Э. Янссон; Р. Стенуц; Г. Видмальм (2006). «Определение последовательности олигосахаридов и обычных полисахаридов с использованием ЯМР-спектроскопии и новой веб-версии компьютерной программы CASPER». Исследование углеводов . 341 (8): 1003–1010. дои : 10.1016/j.carres.2006.02.034 . ПМИД 16564037 .
^ Тукач, Фил. «1D и 2D ЯМР-спектроскопия в структурных исследованиях природных гликополимеров» . Фил Тукач .
^ Тукач, Фил. «Фил Тукач: базы данных Glyco» . Фил Тукач .

Дальнейшее чтение

Д. Ловицкий; А. Черный; Дж. Млынарский (2013). Ядерный магнитный резонанс: ЯМР углеводов . Королевское химическое общество . стр. 383. ISBN 978-1-84973-577-3 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные со спектроскопией ядерного магнитного резонанса углеводов, на Викискладе?

[bigreview-1] Jump up to: ^а ^б ^с Тукач Ф.В.; Анаников В.П. (2013). «Последние достижения в вычислительном прогнозировании параметров ЯМР для выяснения структуры углеводов: методы и ограничения» . Обзоры химического общества . 42 (21): 8376–8415. дои : 10.1039/C3CS60073D . ПМИД 23887200 .

[2] ttp://csdb.glicosciences.de

[3] «Российский ЦКББ» . csdb.glicoscience.ru .

[CSDB-4] Тукач Ф.В. (2011). «База данных структуры бактериальных углеводов 3: принципы и реализация». Журнал химической информации и моделирования . 51 (1): 159–170. дои : 10.1021/ci100150d . ПМИД 21155523 .

[5] «Помощь CSDB: миграция из бактериальной и растительно-грибной CSDB» .

[auto-6] Jump up to: ^а ^б «Помощь CSDB: миграция из бактериальной и растительно-грибной CSDB» . csdb.glicoscience.ru .

[GODESS-7] Капаев Р.Р.; Егорова К.С.; Тукач Ф.В. (2014). «Схема обобщения структуры углеводов для моделирования экспериментальных наблюдаемых величин на основе базы данных, таких как химические сдвиги ЯМР». Журнал химической информации и моделирования . 54 (9): 2594–2611. дои : 10.1021/ci500267u . ПМИД 25020143 .

[8] «КАСПЕР - Главная страница» .

[CASPER-9] П.-Э. Янссон; Р. Стенуц; Г. Видмальм (2006). «Определение последовательности олигосахаридов и обычных полисахаридов с использованием ЯМР-спектроскопии и новой веб-версии компьютерной программы CASPER». Исследование углеводов . 341 (8): 1003–1010. дои : 10.1016/j.carres.2006.02.034 . ПМИД 16564037 .

[10] Тукач, Фил. «1D и 2D ЯМР-спектроскопия в структурных исследованиях природных гликополимеров» . Фил Тукач .

[11] Тукач, Фил. «Фил Тукач: базы данных Glyco» . Фил Тукач .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]