中国科学技术大学：生物大分子波谱学原理（全相关谱TOCSY、同核核磁实验方法）

生物大分子波谱学原理 TOCSY 全相关谱 TOCSY( total correlation spectroscopy)也称 HOHAHA Homonuclear hartmann-Hahn spectroscopy),可以提供整个自 旋体系的信息

TOCSY 生物大分子波谱学原理 吴季辉 全相关谱TOCSY(total correlation spectroscopy)也称HOHAHA (homonuclear Hartmann-Hahn spectroscopy)，可以提供整个自 旋体系的信息

生物大分子波谱学原理 TOCSY A脉冲序列及相循环 左图是 TOCSY序列及相 千传递途径,基本循环有 t 8步 DIPSI p1=02200220 p2=00220022 P p=11113333 e02020202 0 此循环由脉冲1,2,4各 2步完全循环组成, 故选择规则为Δp1d1+△p22+△p44+0即(△p1+1)1+(△p2+1)2+△p44=0 故选择的途径为Δp1;Ap2=±1;△p4=0,+2

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TOCSY 90° 90° △ Spinlock(x)|△ MLEV-17 Spin lock y-/ Z Product Operator Ix cos Q21t1 1z cos S21t1 I,z cos Q21t1 2xcosΩ2t1 Positive and absorptive diagonal cross peaks for Z-filtered anisotropic TocsY

TOCSY Positive and absorptive diagonal & cross peaks for Z-filtered anisotropic TOCSY MLEV-17 Spin Lock Product Operator:

生物大分子波谱学原理 TOCSY B脉冲序列分析 从Iz出发,前二个脉冲的作用类似COSY,产生4项信号,其中单量子 信号为相循环所抑制,剩下纵向磁化和多量子项,多量子项在 Isotropic混合脉 冲作用下由于射频场的不均一被抑制,最后只保留纵向磁化(见 granma09doc) K Cos (_21)o24)-→∑2a2(zm)os(21)os(xz124) 其中零量子项已被忽略,因其最后产生的信号为反相且与主信号相差90 度,为反相色散信号,特别在蛋白质情况下,影响不大。 在第三个90度脉冲作用下形成可观测信号 K C(TcoS (214)cos(a/241) 其中k=1项对应于对角峰,其他项对应于交叉峰。可以看出二者在二维 均是同相裂分,而且二者相位一致,即 TOCSY是一种同相谱。交叉峰强度 与混合效率ak(m)有关,后者与自旋体系的拓扑结构,J偶合常数的大小,混 合脉冲的混合效率以及弛豫的影响有关

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生物大分子波谱学原理 TOCSY 在 TOCSY中用的混合脉冲有很多种类,如 WALTZ16MLEV-17, DIPSI-2,DIPS3等,不 同的 isotropic mixing sequence的效率不同,适 合的谱宽也不同 在混合脉冲期间还有ROE效应,因此有的 TOCSY序列中的混合脉冲包括一定的间隔,在 无脉冲的间隔中没有ROE效应,但有NOE效应, 由于蛋白质等大分子有ROE=-2NOE,这样 适当选取间隔长度,可使二者基本抵销。这种 TOCSY序列称为 Clean- TOCSY

TOCSY 生物大分子波谱学原理 吴季辉 在TOCSY中用的混合脉冲有很多种类，如 WALTZ-16,MLEV-17,DIPSI-2,DIPSI-3等，不 同的isotropic mixing sequence的效率不同，适 合的谱宽也不同。 在混合脉冲期间还有ROE效应，因此有的 TOCSY序列中的混合脉冲包括一定的间隔，在 无脉冲的间隔中没有ROE效应，但有NOE效应， 由于蛋白质等大分子有ROE＝－2NOE，这样 适当选取间隔长度，可使二者基本抵销。这种 TOCSY序列称为Clean-TOCSY

生物大分子波谱学原理 TOCSY C实验及处理 同相谱与COSY等反相谱不同,间接维的点数不必 很大,一般512点足够 混合时间的选择与要求的传递距离有关,传递距离 越长,需要的时间越长,一般短的可取20-30ms, 长的可取100ms左右。要注意:混合脉冲所用的功 率不能太大,尤其混合时间较长的。否则可能损坏 放大器及探头,另外混合脉冲产生的热量将使样品 发热,使得 TOCSY的峰位同其他谱相比发生位移。 由于 TOCSY是同相谱,一般用相移60—90度的正 弦窗函数

TOCSY 生物大分子波谱学原理 吴季辉 C 实验及处理 •同相谱与COSY等反相谱不同，间接维的点数不必 很大，一般512点足够。 •混合时间的选择与要求的传递距离有关，传递距离 越长，需要的时间越长，一般短的可取20-30ms， 长的可取100ms左右。要注意：混合脉冲所用的功 率不能太大，尤其混合时间较长的。否则可能损坏 放大器及探头，另外混合脉冲产生的热量将使样品 发热，使得TOCSY的峰位同其他谱相比发生位移。 •由于TOCSY是同相谱，一般用相移60－90度的正 弦窗函数

生物大分子波谱学原理 TOCSY 0.6 0.4 250 FIGURE 6. 44 Variation of cross-peak intensity as a function of isotropic mixing time for an isoleucine spin system. (a)Cross-peak intensity for transfer from the ho spin with the h spin removed and(b)cross- peak intensity for magnetization transfer from the ' H spin. The curves for the destination spins are ( Ho,(--)H, (-.)HY,(.H2, and(----)'H. The transfer functions were calculated using the following coupling constants: J 10.0 Hz and JH HA=12 Hz. Vicinal couplings to methyl groups were 6.7 Hz, all geminal couplings were -15 Hz, and all other vicinal couplings were 7 Hz. The effect of relaxation during the mixing was not considered

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生物大分子波谱学原理 TOCSY D应用 TOCSY可提供整个自旋体系的连接,而且信号强 对于谱峰证认很有用 Y Y 8 YYββ 8 Y Q Eaa E K48 K29 K48 K29 K48 K29 8.07.9 8079 8.079 F2 (ppm) FIGURE 6. 45 Sections of H,0 TOCSY spectra acquired with mixing times of 48 (left),83(center), and 102 ms(right). The cross-peaks observed protons of Lys29 and Lys48 are assigned at the different mixing times. Cross peaks to the spin-system termini are observed only at the longer mixing times

TOCSY 生物大分子波谱学原理 吴季辉 D 应用 TOCSY可提供整个自旋体系的连接，而且信号强， 对于谱峰证认很有用

生物大分子波谱学原理 TOCSY-wagergate (0)-SINE.100(30,di,iso,100) % (0)-sINE,10030,di,iso,10 p19p11p10p1091101091101109110911010p101111 70dB QdB 9dB 9dB 9dB9dB 9dB 9dB9dB9dB 9dB 9dB 9dB 9dB 9dB: 44dB 44dB 预饱和,低功率选择性90脉冲(对准水峰)

TOCSY-wagergate 生物大分子波谱学原理 吴季辉 预饱和， 低功率选择性90脉冲（对准水峰）

生物大分子波谱学原理 TOCSY-doublewagergate (0)-SINE.100(30,di,is,100) (0)SINE.50(13,di,is0,50) (0)SINE.50(1,di,is,50) (0)-SINE.50(45i,i,50) (0) (0)(0) (0) (0):(0) (0)-SINE.50(24,di,iso,50) (0)-SINE.100(30;di,is0,100) 1p19p11p110p110p110p110p110p110p110p1p11:p113 OdB 60dB OdB 9dB9dB 9dB 9dB9dB 9dB9dB 9dB9dB: 44dB: 44dB dl恢复前梯度脉冲清除残留磁化,两个 WATERGATE以改善基线

TOCSY-doublewagergate 生物大分子波谱学原理 吴季辉 d1恢复前梯度脉冲清除残留磁化，两个WATERGATE以改善基线