Спектроскопия ядерного магнитного резонанса углеводов

Спектроскопия ЯМР 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 могут быть определены с помощью ЯМР, — первичная структура (включая стереохимию), конформация сахаридов, стехиометрия заместителей и соотношение отдельных сахаридов в смеси. Современные приборы ЯМР с высоким полем, используемые для образцов углеводов, обычно 500 МГц или выше, способны проводить ряд экспериментов 1D, 2D и 3D для определения структуры углеводных соединений.

Наблюдаемые ЯМР-спектры углеводов

Химический сдвиг

Обычные диапазоны химических сдвигов для ядер в углеводных остатках следующие:

  • Типичные химические сдвиги 1 H ЯМР протонов углеводного кольца составляют 3–6 м.д. (4,5–5,5 м.д. для аномерных протонов).
  • Типичные химические сдвиги 13 C ЯМР атомов углерода углеводного кольца составляют 60–110 ppm.

В случае простых моно- и олигосахаридных молекул все протонные сигналы обычно отделены друг от друга (обычно на ЯМР-инструментах с частотой 500 МГц или выше) и могут быть назначены только с использованием спектра 1D ЯМР. Однако более крупные молекулы демонстрируют значительное перекрытие протонных сигналов, особенно в неаномерной области (3-4 ppm). ЯМР углерода-13 преодолевает этот недостаток за счет большего диапазона химических сдвигов и специальных методов, позволяющих блокировать спиновую связь углерода-протона, тем самым делая все углеродные сигналы высокими и узкими синглетами, различимыми друг от друга.

Типичные диапазоны химических сдвигов углерода углеводов в незамещенных моносахаридах следующие:

  • Аномерные атомы углерода: 90-100 ppm
  • Углеродные атомы сахарного кольца, несущие гидроксильную функцию: 68-77
  • Открытые формы углерода сахара, несущие гидроксильную функцию: 71-75
  • Атомы углерода сахарного кольца, несущие аминофункцию: 50-56
  • Экзоциклические гидроксиметильные группы: 60-64
  • Экзоциклические карбоксильные группы: 172-176
  • Дезоксигенированные атомы углерода сахарного кольца: 31-40
  • Углерод при 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

Прямые константы связи углерод-протон используются для изучения аномерной конфигурации сахара. Вицинальные константы связи протон-протон используются для изучения стереоориентации протонов относительно других протонов в сахарном кольце, таким образом идентифицируя моносахарид. Вицинальные гетероядерные константы связи HCOC используются для изучения торсионных углов вдоль гликозидной связи между сахарами или вдоль экзоциклических фрагментов, таким образом выявляя молекулярную конформацию.

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

  • Экваториально-аксиальный: 1–4 Гц
  • Экваториальный-экваториальный: 0–2 Гц
  • Аксиально-аксиальный неаномерный: 9–11 Гц
  • Аксиально-аксиальная аномерия: 7–9 Гц
  • Аксиальный к экзоциклическому гидроксиметилу: 5 Гц, 2 Гц
  • Геминал 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 рассчитанных и экспериментальных протон-протонных NOE в олигосахаридах для подтверждения теоретической конформационной карты. Расчет NOE подразумевает оптимизацию молекулярной геометрии.

Другие наблюдаемые ЯМР

Релаксационные свойства, скорости ядерной релаксации, форма линии и другие параметры были признаны полезными в структурных исследованиях углеводов. [1]

Выяснение структуры углеводов методом ЯМР-спектроскопии

Структурные параметры углеводов

Ниже приведен 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 углеродов (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 сульфатных диэфирных связей
  • Степень полимеризации и расположение рамки (для полисахаридов)

ЯМР-спектроскопия в сравнении с другими методами

Широко известные методы структурного исследования, такие как масс-спектрометрия и рентгеноструктурный анализ, применимы к углеводам лишь ограниченно. [1] Такие структурные исследования, такие как определение последовательности или идентификация новых моносахаридов, извлекают наибольшую пользу из ЯМР-спектроскопии. Абсолютная конфигурация и степень полимеризации не всегда определяются с использованием только ЯМР, поэтому процесс структурного выяснения может потребовать дополнительных методов. Хотя мономерный состав может быть определен с помощью ЯМР, хроматографические и масс-спектроскопические методы иногда предоставляют эту информацию проще. Другие структурные особенности, перечисленные выше, могут быть определены исключительно методами ЯМР-спектроскопии. Ограничением структурных исследований ЯМР углеводов является то, что выяснение структуры вряд ли может быть автоматизировано и требует участия эксперта-человека для выведения структуры из спектров ЯМР.

Применение различных методов ЯМР к углеводам

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

Методы гетероядерного ЯМР в исследованиях углеводов и типичные внутриостаточные (красные) и межостаточные (синие) атомы, которые они связывают друг с другом.
Методы гомоядерного ЯМР в исследованиях углеводов и типичные внутриостаточные (красные) и межостаточные (синие) атомы, которые они связывают друг с другом.
эксперимент ЯМРОписаниеИнформация получена
1 Н 1Д1D протонный спектризмерение связей, общая информация, идентификация остатков, основа для присвоения спектра углерода
13 С ВВСпектр 1D углерода-13, разделенный протонамиподробная информация, идентификация остатков, позиции замещения
31 П ББ, 15 Н ББСпектры 1D гетероядер с развязкой протоновДополнительная информация
APT, 13 C ОТДЕЛЕНИЕТест с присоединенным протоном, управляемый усиленным переносом поляризации (отредактированный одномерный спектр углерода-13)назначение групп CH 2
13 C Закрытый, 31 P ЗакрытыйСпектры протон-связанного одномерного углерода-13 и гетероядеризмерение гетероядерных связей, выяснение аномерной конфигурации, конформационные исследования
1 H, 1 H J-разрешеноДвумерный график ЯМР, показывающий J-связи во втором измеренииточные значения J-связей и химического сдвига для переполненных спектральных областей
1 Ч ДОСИДвумерный график ЯМР со спектрами протонов в зависимости от коэффициента молекулярной диффузииизмерение коэффициента диффузии, оценка размера/массы молекул, спектральное разделение различных молекул в смеси
1 Ч, 1 Ч УЮТНЫЙКорреляция спина протонаРаспределение спектра протонов с использованием вицинальных связей
УЮТНЫЙ RCT, УЮТНЫЙ RCT2Корреляция спина протона с одно- или двухшаговой релейной передачей когерентностираспределение спектра протонов, при котором сигналы соседних вицинальных протонов перекрываются
DQF УЮТНЫЙКорреляция спина протона с двойной квантовой фильтрациейВеличины J-связи и число протонов, участвующих в J-связи
1 H HD диф.Селективная дифференциальная гомодекапляАнализ формы линии перекрывающихся протонных сигналов
ТОКСИ (ХОХАХА)Полная корреляция всех протонов в спиновой системеразличение спиновых систем остатков
1D ТОКСИTOCSY одного сигналаизвлечение спиновой системы определенного остатка
НУСИ, РУСИГомоядерная корреляция ядерного эффекта Оверхаузера (через пространство)выявление пространственно близких пар протонов, определение последовательности остатков, определение усредненной конформации
1 H NOE диф.Избирательное дифференциальное измерение NOEисследования протонных пространственных контактов
1 Н, 13 С HSQCГетероядерная одноквантовая когерентность, прямая протон-углеродная спиновая корреляцияспектр углерода назначение
1 Н, 31 П HSQCГетероядерная одноквантовая когерентность, протонно-фосфорная спиновая корреляциялокализация остатков фосфорной кислоты в фосфогликанах
1 Н, 13 С HMBCГетероядерная корреляция множественных связей, вицинальная протон-углеродная спиновая корреляцияопределение последовательности остатков, паттерн ацетилирования/амидирования, подтверждение позиций замещения
1 H,X 1D HMBCHMBC для одного сигналараспределение протона вокруг определенного углерода или гетероатома
1 H, 13 C HSQC релеНеявная корреляция углерод-углерод через вицинальные связи присоединенных протоновназначение соседних атомов углерода
1 H, 13 C HSQC-TOCSYКорреляция протонов со всеми атомами углерода в спиновой системе и наоборотназначение C5 с использованием H6 и решение аналогичных задач, разделение спектра углерода на подспектры остатков
1 H,X 1D НЕОГетероядерное измерение NOEгетероядерные пространственные контакты, конформации

Схема исследования

Спектроскопическое исследование ЯМР включает в себя следующие этапы:

  • Извлечение углеводного материала (для природных гликанов)
  • Химическое удаление фрагментов, маскирующих регулярность (для полимеров)
  • Разделение и очистка углеводного материала (для экспериментов 2D ЯМР рекомендуется 10 мг или более)
  • Подготовка проб (обычно в D2O )
  • Получение 1D спектров
  • Планирование, сбор и обработка данных других экспериментов ЯМР (обычно требуется от 5 до 20 часов)
  • Назначение и интерпретация спектров (см. примерный рисунок)
  • Если структурную проблему решить не удалось: химическая модификация/деградация и ЯМР-анализ продуктов
  • Получение спектров нативного (незамаскированного) 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 рамках)

Базы данных и инструменты ЯМР углеводов

Были созданы многочисленные базы данных химических сдвигов и сопутствующие услуги для содействия структурному выяснению и экспертному анализу их спектров ЯМР. Из них несколько информационных инструментов посвящены исключительно углеводам:

  • GlycoSCIENCES.de
    • более 4000 спектров ЯМР гликанов млекопитающих [2]
    • поиск структуры по сигналам ЯМР и наоборот
  • CSDB (база данных структуры углеводов [3] [4] ) содержит:
    • более 20 000 спектров ЯМР (по состоянию на 2024 год) бактериальных, растительных, грибковых и простейших 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 для генерации структур 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. Для доступа к структурной информации можно использовать как химические сдвиги протонов, так и углерода C и H.

Моделирование ЯМР-наблюдаемых величин

Сравнительное предсказание спектра ЯМР 13С сахарозы с использованием различных методов. Экспериментальный спектр находится в середине. Верхний спектр (черный) был получен эмпирическим путем. Нижние спектры (красный и зеленый) были получены квантово-химическими расчетами в PRIRODA и GAUSSIAN соответственно. Включенная информация: используемый уровень теории/базисный набор/модель растворителя, точность предсказания (линейный коэффициент корреляции и среднеквадратичное отклонение), время расчета на персональном компьютере (синий).

Было рассмотрено несколько подходов к моделированию ЯМР-наблюдений углеводов. [1] Они включают в себя:

  • Универсальные подходы к статистическим базам данных (ACDLabs, Modgraph и т. д.)
  • Использование нейронных сетей для уточнения прогнозов
  • Методы, основанные на регрессии
  • ЗАРЯЖАТЬ
  • Эмпирические схемы, оптимизированные по углеводам (CSDB/BIOPSEL, CASPER).
  • Комбинированный расчет геометрии молекулярной механики/динамики и квантово-механическое моделирование/итерация ЯМР-наблюдаемых величин (программное обеспечение PERCH NMR)
  • Подходы ONIOM (оптимизация различных частей молекулы с различной точностью)
  • Расчеты ab initio .

Растущая вычислительная мощность позволяет использовать тщательные квантово-механические расчеты на высоких уровнях теории и больших базисных наборах 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 прогнозов ЯМР, были B3LYP/6-311G++(2d,2p) и PBE/PBE (см. обзор). Для сахаридов было показано, что оптимизированные для углеводов эмпирические схемы обеспечивают значительно лучшую точность (0,0-0,5 ppm на резонанс 13 C), чем квантово-химические методы (выше 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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Тукач Ф.В.; Анаников ВП (2013). «Последние достижения в вычислительных предсказаниях параметров ЯМР для определения структуры углеводов: методы и ограничения». Chemical Society Reviews . 42 (21): 8376– 8415. doi :10.1039/C3CS60073D. PMID  23887200.
  2. ^ http://csdb.glicosciences.de
  3. ^ "Российская ЦСДБ". csdb.glycoscience.ru .
  4. ^ Toukach Ph.V. (2011). «База данных структур бактериальных углеводов 3: принципы и реализация». Журнал химической информации и моделирования . 51 (1): 159– 170. doi :10.1021/ci100150d. PMID  21155523.
  5. ^ «Справка CSDB: Миграция из бактериальной и растительно-грибковой CSDB».
  6. ^ ab "Помощь CSDB: миграция из бактериальной и растительно-грибковой CSDB". csdb.glycoscience.ru .
  7. ^ Капаев Р.Р.; Егорова К.С.; Тукач Ф.В. (2014). «Схема обобщения структуры углеводов для моделирования экспериментальных наблюдаемых величин на основе баз данных, таких как химические сдвиги ЯМР». Журнал химической информации и моделирования . 54 (9): 2594– 2611. doi :10.1021/ci500267u. PMID  25020143.
  8. ^ "КАСПЕР - Главная страница".
  9. ^ П.-Э. Янссон; Р. Стенуц; Г. Видмальм (2006). «Определение последовательности олигосахаридов и регулярных полисахаридов с использованием ЯМР-спектроскопии и новой веб-версии компьютерной программы CASPER». Carbohydrate Research . 341 (8): 1003– 1010. doi :10.1016/j.carres.2006.02.034. PMID  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 .

Дальнейшее чтение

  • Медиа, связанные с ядерно-магнитной резонансной спектроскопией углеводов на Wikimedia Commons
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ядерная_магнитная_резонансная_спектроскопия_углеводов&oldid=1227270679"