Применение ЯМР-спектроскопии. 
ЯМР-спектроскопия и ее применение в фармацевтическом анализе

Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. Современная импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магнитным ядрам. ЯМР спектроскопия — один из основных физико-химических методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации, как промежуточных продуктов химических реакций, так и целевых веществ. Помимо структурных отнесений и количеств анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутренних движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кето-енольной таутомерии, металлoи прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции веществ, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. Спектроскопия ЯМР — источник информации о структуре биополимеров, в т. ч. белковых молекул в растворах, сопоставимой по достоверности с данными рентгеноструктурного анализа. В 80-е гг. началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.

Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетических каучуков, пластмасс, сланцев, углей, лекарств, препаратов, продукции химической и фармацевтической промышленности и др.

Интенсивность и ширина линии ЯМР воды или масла позволяют с высокой точностью измерять влажность и масличность семян, сохранность зерна. При отстройке от сигналов воды можно регистрировать содержание клейковины в каждом зерне, что так же, как и анализ масличности, позволяет вести ускоренную селекцию сельскохозяйственных культур.

Применение все более сильных магнитных полей (до 14 Тл в серийных приборах и до 19 Тл в экспериментных установках) обеспечивает возможность полного определения структуры белковых молекул в растворах, экспресс-анализа биологических жидкостей (концентрации эндогенных метаболитов в крови, моче, лимфе, спинномозговой жидкости), контроля качества новых полимерных материалов. При этом применяют многочисленные варианты многоквантовых и многомерных фурье-спектроскопических методик.

Практически сразу же после открытия ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) стал использоваться в молекулярном анализе, метод позволяет определять точное расположение атомов в молекуле, т. е. молекулярную структуру различных соединений.

Одномерные ЯМР спектры содержат информацию обо всех химических сдвигах и обо всех атомах водорода в молекуле, однако для определения индивидуальных химических сдвигов этого бывает недостаточно. Проблема решается использованием двумерной ЯМР спектроскопии, из которой можно получить информацию об относительном положении атомов водорода в молекулах. Полная структура рассчитывается путем последовательного учета взаимодействий в двумерных спектрах.

Развитие аналитических методов двухмерной спектроскопии ЯМР в начале 1970;х гг. с применением Фурье-преобразования существенно расширило возможности анализа строения молекул. Несколько позднее ядерный магнитный резонанс стал применяться для изучения структуры биологических макромолекул, в частности белков.

Вообще говоря, для изучения молекулярных структур существует множество методик, однако только две из них рентгеновская кристаллография и ЯМР обладают разрешением, позволяющим различать отдельные атомы. Рентгеновская кристаллография является весьма привлекательной методикой, ее разрешающая способность составляет порядка 2A, однако для определения структуры белка кристаллографическими методами необходим большой белковый кристалл, внутри которого белки формируют регулярную решетку. При этом практически невозможно разрешить неструктурированные или мобильные части молекулы. При использовании ядерно-магнитного резонанса эта проблема не возникает. В ЯМР исследования проводятся в растворах, а на определение затрачивается очень небольшое время. Поэтому ЯМР позволяет различать как подвижные, так и доменные структуры.

При определении структуры белков обычно используют ЯМР спектры протонов (ядер водорода Н₁). Делается это по следующим причинам: водород Н₁ присутствует во многих узлах белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, кроме того ЯМР атома водорода Н₁ наиболее просто детектируется.

Для того чтобы при получении ЯМР-спектров в растворах не вносить погрешностей в результаты измерений используются специальные растворители для ЯМР, с повышенным содержанием дейтерия.

В настоящее время предельный размер белков, чья структура может быть определена методами ядерно-магнитного резонанса, составляет примерно 200 аминокислот.

Разработаны множество методик применения ЯМР-спектрометрии в химическом анализе. А. Г. Крушельницкий в своей работе " Обменная ЯМР спектроскопия твердого тела: применение для изучения крупномасштабной конформационной динамики биополимеров" . Где обменный ЯМР эксперимент основан на сравнении резонансной частоты магнитного ядра до и после так называемого времени смешивания, что дает информацию о молекулярной динамике в миллисекундном и секундном диапазонах времени. Хотя в растворах обменные ЯМР эксперименты используются уже долгое время, в твердых телах их применение было ограничено рядом методических проблем. Только к концу 90-х годов XX века развитие методики твердотельной обменной спектроскопии позволило использовать этот тип экспериментов для исследования таких сложных объектов, как биополимеры [10].

Сотрудниками Казанского университета описана работа «ЯМР-спектроскопия в исследованиях структуры органических и биоорганических соединений в лиотропных жидкокристаллических системах» [11].

ЯМР-спектроскопия используется для определения продуктов метаболизма.

Это явилось основой для определения метаболитов в работе ЗАО «Научно-исследовательского института Аджиномото-Генетика». Оптимизации экспрессии генов в бактериальных клетках в биотехнологических исследованиях ХХI века" . На основе ЯМР-спектроскопии препаратов гидролизата белков клеток, выросших в присутствии глюкозы с добавлением 10% [C13]-глюкозы, расчетным путем определен долевой вклад альтернативных цепей метаболических реакций в реальный процесс образования некоторых центральных метаболитов (Риболоза-5-фосфат — Rl5P; Глицеральдегид-3-фосфат — G3P; Оксалоацетат — OAA; Серин — Ser; Глицин — Gly). Этот современный метод исследований дает чрезвычайно полезную информацию о жизнедеятельности организма и рассматривается как очень перспективный. В качестве примера возможности получения информации о метаболизме клети был представлен результат анализа распределения основных потоков углерода в центральном метаболизме клетки E.coli дикого типа, растущей на среде, содержащей глюкозу в качестве единственного источника углерода, проведенный на основе экспериментов по ЯМР-спектроскопии.