Kísérletek, mérések célja
Biomolekuláris szerkezeti dinamika
• működés pontosabb megismerése (folyamatok, állapotok, átmenetek, kölcsönhatások, stb.)
Kellermayer Miklós
“Rádióspektroszkópiák”: forradalmasították a fizikát, kémiát, biológiát és orvostudományt •
Elektronspin rezonancia (ESR, elektron paramágneses rezonancia - EPR)
•
Mágneses magrezonancia (NMR, MRI)
EPR spektroszkópia
NMR spektroszkópia
• Biomolekuláris szerkezet és
Atomi, molekuláris rendszerek elemi mágnesként viselkedhetnek Stern-Gerlach kísérlet (1922)
Ferhérje molekuláris dinamika NMR-rel
Az eredő mágneses dipólmomentumot az 5s1 elektron adja (pályaperdület=0)
Nagyfelbontású, anatómiai MRI
Otto Stern (1888-1969)
MRI spektroszkópia
MRI angiográfia
Funkcionális MRI (fMRI)
Diffúziós MRI (tractographia)
A nyaláb két részre hasad
Musculoskeletalis MRI
Walther Gerlach (1889-1979)
Inhomogén mágneses térben nemcsak forgatónyomaték, hanem eredő erő is hat a mágneses dipólra:
A spin mágneses momentum két értéket vehet fel.
Mágneses magrezonancia (“nuclear magnetic resonance”, NMR) Nobel-díj, 1952 Isidor Rabi (1898-1988)
Felix Bloch (1905-1983)
Mágneses rezonancia: Mágneses térbe helyezett minta általi, rezonancia-abszorpció jellegű elektromágneses energia elnyelés.
Edward Mills Purcell (1912-1997)
Eredő spinnel rendelkező rendszerek: elemi mágnesek
Mágneses tér hiányában:
• Elemi részecskék (p, n, e) saját spinnel rendelkeznek. • Az elemi részecskék száma és bizonyos rendező elvek (pl. Pauli-elv) szerint a rendszerben eredő spin
elemi mágnesek orientációja random
léphet fel.
Paramágnesség: külső mágneses tér hatására fellépő mágnesezettség (mágneses dipólok orientációja).
• Atommag: páratlan tömegszám - feles magspin (1H, 13C, 15N, 19F, 31P); páros tömegszám, páratlan rendszám - magspin egész; páros tömegszám és rendszám - magspin zérus.
• Elektron: eredő elektronspin stabil párosítatlan elektront tartalmazó rendszerekben (pl. szabad gyökök). • Töltés és eredő spin miatt mágneses momentum lép fel.
Mágneses térben:
Magmágneses momentum: γN = atommag giromágneses hányadosa (mágneses momentum
elemi mágnesek orientálódnak B0
és
perdület aránya)
L = magspin (
), ahol l=eredő spinkvantumszám.
energiaszintek felhasadnak E
parallel
Elektronspin mágneses momentuma:
Pörgettyűmodell
ΔE
g = elektron g-faktora (a mágneses momentum és giromágneses hányados kapcsolatát leíró dimenziónélküli arányszám)
B0
antiparallel
μβ = Bohr magneton (az elektron mágneses dipólmomentumának egysége) S = spinkvantumszám
Rezonanciafeltétel: ΔE=hf
B
NMR és EPR spektroszkópia
Precesszió
•NMR spektrum: elnyelt elektromágneses sugárzás intenzitása frekvencia függvényében.
Pörgettyűmodell szerint Precessziós vagy Larmor frekvencia:
ω 0 = γB0
•“NMR-vonal” görbe alatti területe az abszorbeáló atommagok számával arányos. •Elektronfelhő (i.e., annak szerkezete) befolyásolja a lokális mágneses teret: frekvenciafeltétel elhangolódik (“kémiai eltolódás”). Kémiai szerkezetmeghatározás lehetősége.
•EPR spektrum: elnyelt elektromágneses sugárzás
Rezonanciafeltétel:
intenzitása a mágneses tér függvényében. •NMR-énél alacsonyabb mágneses tér, de nagyobb elektromágneses sugárzási frekvenciák (mikrohullám). •Spin-jelölés: stabil párosítatlan elektront tartalmazó vegyülettel való jelölés. •Mozgási (rotációs) sebességek mérési lehetősége a 10-4 - 10-2 s időtartományban.
Acetaldehid NMR spektruma
Spinjelölt citokróm-C ESR spektruma
Mágneses tér (G)
Makroszkópos mágnesezettség
Gerjesztés
különböző energiaszinteken spintöbblet miatt
rádiófrekvenciás elektromágneses sugárzással Rezonancia feltétel: Larmor frekvencia
B0 = mágneses tér M = makroszkópos mágnesezettség
B0 M
μi
Alacsony energia állapot proton esetében parallel
M
B1
B0 = mágneses tér M = makroszkópos mágnesezettség B1 = besugárzott rádiófrekvenciás elektromágneses tér
Magas energia állapot proton esetében antiparallel
Spin-rács relaxáció
Spin-spin relaxáció
T1 vagy longitudinális relaxáció
T2 vagy tranzverzális relaxáció
Mxy
Mz
“free induction decay”
(FID)
t T1 relaxációs idő: elemi mágnes (proton) és környezete közötti kölcsönhatásra utal
t
T2 relaxációs idő: elemi mágnesek (protonok) közötti kölcsönhatásra utal
MRI:
MRI: non-invazív “tomográfiás” módszer
az emberi test makroszkópos mágnesezettségét hozza létre Nobel-díj (2003)
Raymond V. Damadian (1936-)
Ábra Damadian szabványügyi bejelentéséből
“indomitable”: “a rettenthetetlen”
Paul C. Lauterbur (1929-)
Peter Mansfield (1933-)
NMR jel térbeli kódolása: a precesszió
MRI képalkotás I:
frekvenciaváltozására épül
Térbeli felbontás
voxel: térfogatelem
pixel: felületelem, elemi képpont
Bz
Elemi 3D képpontok (voxel) definiálása és címezhetősége: grádiens tér segítségével
RF tekercs
Kép
By Bx
Fourier transzformáció
MRI képalkotás II:
MRI összefoglalás
Tranzverzális jelveszteség
színfelbontás (kontraszt) relaxációs idők alapján
„A” szövet
„B” szövet
Rövid T1
Gerjesztő impulzus
Liquor
B0
B0
B0
Zsír
Hosszú T1
Tekercs
Idő (ms)
A proton RF hullámot emittál gerjesztést követően.
B0 Kriogén mágnes
Rádiofrekvenciáns tekercs
Vízmolekula
Grádiens tekercs
Képanalízis (2D-FFT)
NMR berendezés
T1-súlyozás
protonsűrűségsúlyozás
T2-súlyozás
MRI:
MRI:
képi információ manipulálása I
Non-invazív angiográfia
Újraszeletelés merőleges síkban
képszelet telített spinek
véráram
telítetlen spinek
Térbeli projekció („volume rendering”)
MRI mozgókép
Funkcionális MRI (fMRI)
Nagy időfelbontású felvételek alapján
Élettani folyamattal szinkron felvett Nagy időfelbontású képsorozat
Aortabillentyű nyílása-záródása
Villogó fény hatása a látókéregre
Szuperponált MRI és PET képsorozat
Függelék: FRET PET aktivitás: szemmozgatás során Térbeli rekonstrukció
A lumineszcencia lépései
Lumineszcencia
Abszorpció
Gerjesztett állapotból fényemisszióval járó relaxáció
Gerjesztés (magasabb energiaszintre lépés)
A hőmérsékleti sugárzáson felül kibocsátott sugárzás “Hideg fény” Fluoreszcencia és foszforeszcencia Emisszió
Fluoreszcencia Rezonancia Energia Transzfer
Gerjesztés során elnyelt energia sorsa Belső konverzió (hő) kic Rendszerek közötti átmenet S→T
kisc
kQ
Fluoreszcencia kioltás
ENERGIA
kf
kFRET FRET
Fluoreszcencia (ns) Foszforeszcencia (ms)
Sugárzásos v. nem sugárzásos átmenetek!
De-excitáció (relaxáció az alapállapotba)
Általánosan: •A gerjesztett állapotban lévő molekula (donor), valamint egy megfelelő spektroszkópiás követelményeket kielégítő molekula (akceptor) között dipól-dipól kölcsönhatás révén, sugárzás nélküli energiaátadás formájában jön létre. •
Fluoreszcencia Rezonancia Energia Transzfer (FRET): ha az energiatranszfer szereplői fluorofórok.
FRET A gerjesztett donor relaxációjához hozzájárul az akceptor molekula emissziója!
hν
hν
-
hν
D
E ~ kFRET ~ 1/R6
+
• Fluoreszcens donor és akceptor molekula. • A donor és akceptor molekula közötti távolság (R) 2-10 nm! • Átfedés a donor emissziós spektruma és az akceptor abszorpciós spektruma között.
A +
R
Fl intenzitás ill. OD
•
A FRET feltételei
Hullámhossz (nm)
A FRET távolságfüggése
A FRET alkalmazása
Förster-távolság
6 0
R E= 6 R0 + R 6
(Az a távolság melyen a FRET hatásfok felére csökken: transzferhatásfok 0.5)
E
A fluorofórok közötti aktuális távolság
R0
• Molekuláris mérőszalag: távolságmérés a nm-es (10-9m) tartományban. • Nagyon érzékeny! • Alkalmazás: – Molekulák közötti kölcsönhatások tanulmányozása. – Molekulákon belüli szerkezeti változások tanulmányozása.
