Glicobiologia 7 - Risonanza magnetica nucleare NMR

Corso di tecniche analitiche in glicobiologia

Lezione 7: Risonanza magnetica nucleare (NMR)

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è una disciplina abbastanza complessa e variegata, in grado di fornire molte informazioni. Oggi cercheremo di comprendere come utilizzarla in applicazioni base per comprendere meglio la struttura dei glicoconiugati.

Perché è importante?

In questa immagine ai raggi X (spettrometria di massa) viene rappresentato un complesso che si trova negli organismi superiori, specificamente nei mammiferi: è il complesso tra FGF (rosa e viola) e il suo recettore (in verde). Schiacciate tra le unità di questo sandwich (coinvolto in molte attività biologiche, come l'angiogenesi e la cicatrizzazione) sono presenti due unità oligosaccaridiche, in particolar modo due pentasaccaridi di potassio di eparina. Non tutti gli oligosaccaridi di eparina possono legarsi a questo complesso; infatti, è importante che gli oligosaccaridi presentino l'opportuna disposizione di questi gruppi solfato, orientati in modo tale da poter catturare la molecola del recettore e mediarne l'interazione.

Questo è un esempio di funzione che svolgono i carboidrati nei sistemi biologici. Per risalire a questa struttura, all'orientamento spaziale e all'attorcigliamento della molecola che ne definisce la funzione, facciamo ricorso a un insieme di tecniche.

Prima tecnica: Spettrometria di massa

La spettrometria di massa ci fornirà informazioni sulla sequenza di questi pentasaccaridi, su come sono orientati i gruppi solfato e sui costituenti che li caratterizzano, ma non ci dice come si crea questo torciglione di oligosaccaride.

La risonanza magnetica nucleare (NMR)

Per ottenere tali informazioni, applichiamo un'altra tecnica: la risonanza magnetica nucleare (NMR). Questa tecnica utilizza bomboloni molto costosi ed è una tecnica spettroscopica che si basa, come tutte le tecniche spettroscopiche, sulle interazioni tra la risonanza elettromagnetica e un nucleo. La radiazione elettromagnetica induce dei cambiamenti nell'atomo. Dopo un certo tempo, ritorniamo il sistema al suo stato fondamentale e registriamo le informazioni sulla natura della molecola stessa.

Possiamo ottenere informazioni sulla struttura tridimensionale delle molecole, sul loro intorno chimico, possiamo seguire cineticamente le reazioni che avvengono in soluzione (perché, a differenza di altre tecniche, si registra in soluzione) e seguire i cambiamenti che coinvolgono una molecola biologica.

Nuclear magnetic resonance spectroscopy

La tecnica spettroscopica sfrutta le proprietà magnetiche di alcuni nuclei per ottenere informazioni su:

• Struttura tridimensionale
• Intorno chimico
• Cinetica di reazioni
• Dinamica in soluzione

Come detto prima, eseguiamo un'analisi spettroscopica che riguarda i nuclei che compongono le molecole: dalla natura dei nuclei ricaviamo le caratteristiche delle molecole. Per far ciò, osserviamo nuclei naturalmente presenti nelle biomolecole, ma non tutti i nuclei che compongono le biomolecole sono attivi all'NMR. È necessario che almeno uno tra il numero di massa atomica e quello atomico dell'atomo sia dispari (quindi A o Z), il che si traduce nell'esistenza di un numero quantico di spin nucleare non nullo. I nuclei dotati di questa caratteristica sono attivi all'NMR.

Come vediamo dall'immagine, saranno attivi i nuclei in rosso. Il C¹² e l'O¹⁶ NON sono affini all'NMR, che insieme all'idrogeno, sono gli atomi più abbondanti nelle molecole biologiche. Da questi tre nuclei possiamo ottenere solo informazioni limitate.

Quando eseguiamo un'analisi NMR, succede che abbiamo un campione composto da atomi, alcuni dei quali sono sensibili all'NMR. Questi atomi si comportano come piccoli magneti, come corpi carichi positivamente. Quando introduciamo il nostro campione all'interno di un campo magnetico esterno, i nuclei si orientano e tendono a disporsi in modo peculiare. Per esempio, nel caso del protone, noi avremo due...