Determinación de la estructura de proteínas y espectroscopía de RMN

Usos de la espectroscopia de RMN

¿Cómo conocemos la estructura tridimensional de las proteínas que forman tu cabello y corazón, o los huevos que comes? La estructura que vemos cuando miramos una imagen de la estructura 3D de una proteína se ha determinado utilizando varios métodos. Uno de estos métodos utiliza espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN).

La espectroscopía de RMN utiliza los niveles de energía de los átomos que se han hecho magnéticos y mide estos niveles para determinar los átomos que están vinculados y cercanos entre sí. A partir de estos datos se produce un espectro de RMN, con picos que indican interacciones entre átomos. Utilizando un espectro de RMN , o la salida de la RMN, se puede determinar la estructura de la proteína.

La espectroscopia de RMN está limitada porque solo puede determinar la estructura de proteínas pequeñas, hasta aproximadamente 50 kDa. Dado que el peso molecular promedio de un aminoácido es 110 daltons, esto significa que la RMN funciona para proteínas de hasta aproximadamente 450 aminoácidos. Esto significa que la espectroscopía de RMN es útil para proteínas como la insulina (alrededor de 51 aminoácidos), pero la proteína de hemoglobina será un poco demasiado grande (alrededor de 600 aminoácidos).

Cómo funciona la espectroscopia de RMN

En H-NMR, cada hidrógeno se magnetiza convirtiéndolo en el isótopo H 1 . En C-NMR, cada carbono se magnetiza convirtiéndolo en el isótopo C 13 . Los imanes de la máquina de RMN pueden sentir las vibraciones en estos isótopos. Según a qué se adhiera el hidrógeno o el carbono, vibrará a diferentes frecuencias.

Estas frecuencias se pueden medir y se imprime un espectro con los resultados.

Espectros de RMN

Una vez que se han medido las frecuencias, se nos da una salida que se ve así:

El espectro superior muestra la RMN para C 13 y el espectro inferior muestra la RMN para H 1 . El eje horizontal muestra cuánto cambio se observó, mientras que el eje vertical muestra la intensidad. Una línea vertical corta muestra que no hay mucho en ese rango de intensidad, mientras que una alta muestra una intensidad alta (o una gran cantidad).

Se han determinado grupos funcionales específicos para cada línea de espectro. Los grupos funcionales importantes para las proteínas incluyen amidas, que aparecen en el rango de 5,5 a 8,5 en los espectros de H-NMR. En la tabla de C-NMR, en general, los enlaces simples carbono-carbono se encuentran en el rango de 0-50 ppm, los enlaces simples carbono-oxígeno se encuentran en el rango de 50-100 ppm, los enlaces dobles carbono-carbono están en el rango de 100- 150, los dobles enlaces carbono-oxígeno están en el rango 150-200 y los enlaces carbono-nitrógeno están en el rango 30-65.

La proteína 3D

Una vez que se ha interpretado cada línea, podemos comenzar a construir la proteína 3D. Estas estructuras tridimensionales no se pueden determinar por completo observando los espectros de RMN; Se requiere mucha adivinación. Por ejemplo, si sabemos que la estructura primaria de la insulina debe incluir solo 50 enlaces oxígeno-hidrógeno, pero la H-NMR indica que hay 65 enlaces oxígeno-hidrógeno, entonces podemos pensar que está sucediendo algo divertido. Pero sabemos que cuando una hélice alfa forma enlaces adicionales oxígeno-hidrógeno, se forman a razón de cada tercer residuo. Tenemos 15 enlaces oxígeno-hidrógeno adicionales, por lo que hay un aumento del 33% en los enlaces oxígeno-hidrógeno, lo que indica que hay estructuras de hélice alfa.

A medida que reunimos esta información, podemos comenzar a determinar la estructura 3D de la proteína y desarrollar un dibujo como este:

La estructura 3D de la insulina se puede determinar mediante espectroscopia de RMN

Resumen de la lección

La espectroscopia de RMN es una herramienta importante para determinar la estructura 3D de una proteína. Es útil para determinar las estructuras de proteínas pequeñas (de menos de 450 aminoácidos de longitud). Funciona midiendo la frecuencia a la que vibra cada carbono o hidrógeno y luego crea un espectro de RMN , que es simplemente un grupo de líneas verticales que se ven a lo largo del cambio. Dado que los grupos funcionales específicos vibrarán en rangos específicos, podemos determinar qué grupos funcionales están presentes. Basándonos en esta información más conjeturas fundamentadas, podemos determinar la estructura 3D de la proteína.