KEMS544 Makromolekyylien NMR-spektroskopia (3–5 op)

Kurssilla tutustutaan NMR-spektroskopiaan makromolekyylien rakenteellisen karakterisoinnin näkökulmasta. Kurssi on kaksiosainen, koostuen johdantotasoisesta kurssista (3 op) sekä sen kanssa samanaikaisesti etenevästä jatkokurssista (2 op).

3 op johdantotason kurssilla tutustutaan yleistajuisesti moniuloitteisen NMR-spektroskopian perusperiaatteisiin ja kuinka NMR-menetelmiä voidaan hyödyntää makromolekyylien rakenteen ja toiminnan tutkimuksessa.

• NMR-spektroskopian teoreettiset perusteet biologisten makromolekyylien rakennekarakterisoinnin näkökulmasta
• • NMR-signaalin syntyminen, ekstitaatio, detektio, taajuuserottelu
  • Havainnoitavat vuorovaikutukset; kemiallinen siirtymä, skalaarinen ja dipolaarinen kytkeytyminen, relaksaatio
• NMR-spektrometrin toiminta
• • Resoluutio ja herkkyys
  • Magneetti
  • Mittapää
• Moniuloitteinen NMR-spektroskopia
• • 2D homonukleaariset NMR-kokeet
  • 2D heteronukleaariset NMR-kokeet
  • 3D-nD kolmoisresonanssikokeet
• Spektridatan kerääminen erilaisin NMR-menetelmin
• Spektridatan prosessointi ja analysointi
• Näytteenvalmistus ja isotooppileimaus
• Proteiinirakennemäärityksen vaiheet
• • Pääketjun resonanssien assignointi
  • Sivuketjujen resonanssien assigointi
  • Etäisyys-, kulma- ja suuntariippuvaisten rajoitteiden määrittäminen
  • Rakennelaskut
  • Rakenteiden hienonnus ja validointi
• Suurten proteiinien NMR-rakennemääritys ja haasteet
• • Isotooppileimaus/deuterointi
  • TROSY
• Epäjärjestäytyneiden proteiinin rakennekarakterisointi
• Molekulaaristen vuorovaikutusten tutkiminen
• • Sitoutuminen ja NMR-aikaskaalat
  • Dissosaatiovakion määrittäminen
  • Epitooppimappaus
  • Proteiini-ligandi -kompleksin rakennemääritys
• Dynamiikan tutkiminen
• • Relaksaatiomekanismit
  • Aikaskaalat
  • Spektraalitiheysfunktio
  • Järjestysparametri

2 op jatkokurssilla käydään yksityiskohtaisemmin läpi erilaisten NMR-menetelmien teoreettiset perusteet, hyödyntäen mm. tiheysoperaattoriformalismia NMR-pulssisarjojen kuvaamisessa.

• NMR-spektroskopian teoreettiset perusteet
• • Blochin yhtälöt
  • Liuoville-von Neumann -yhtälöt
• Tiheysoperaattoriformalismi
• • Karteesiset tulo-operaattorit
  • Yksi-elementti -operaattorit
  • Populaatiot ja transiitiot
  • Efektiiviset Hamilton -vuorovaikutukset (RF-pulssi, kemiallinen siirtymä, skalaarinen vuorovaikutus)
• NMR-elementtien kuvaaminen tiheysoperaattoriformalismin avulla
• • Yhden pulssin NMR-koe
  • Spin-kaiku -pulssielementti (homonukleaarinen ja heteronukleaarinen kahden spinin systeemi)
  • Koherenssin siirto
• Moniulotteisten NMR-kokeiden kuvaaminen tiheysoperaattoriformalismin avulla
• •  Homonukleaariset NMR-kokeet (COSY, DQF-COSY, NOESY, TOCSY)
  • Heteronukleaariset NMR-kokeet (INEPT, INEPT-R, HSQC, HMQC)
• Koherenssin valinta
• • Vaihekierto
  • Kenttägradientit
• Koherenssinsiirtotehokkuus
• • IS, I₂S ja I₃S -spin-systeemi
  • Kolmoisresonanssikokeet

3 op opintojakson hyväksytysti suorittanut opiskelija

• osaa käyttää biologiseen NMR-spektroskopiaan liittyviä käsitteitä ja –termejä.
• ymmärtää makromolekyylien NMR-spektroskopiaan vaikuttavia tekijöitä ja niiden merkityksen rakennemäärityksen kannalta.
• ymmärtää yleistasolla moniulotteisen moniydin-NMR-spektroskopian toimintaperiaatteet.
• ymmärtää kuinka NMR-spektroskopiaa voidaan käyttää biologisten makromolekyylien rakennemääritykseen, dynamiikan tai vuorovaikutusten tutkimiseen.
• hallitsee biologisten makromolekyylien näytteenvalmistuksen.
• hallitsee moniuloitteisten NMR-spektrien prosessoinnin ja spektridatan tulkinnan.
• osaa valita tehokkaimmat NMR-kokeet tutkittavan kohdemolekyylin rakenteen tutkimisen kannalta.

2 op jatkokurssin hyväksytysti suorittanut opiskelija

• ymmärtää syvällisesti NMR-kokeiden toiminnan.
• ymmärtää kuinka magnetisaatio käyttäytyy ja kuinka sitä voidaan manipuloida NMR-kokeen aikana.
• osaa laskea NMR-kokeiden koherenssinsiirtotehokkuuden.
• pystyy muokkaamaan NMR-kokeita tutkimuskysymyksen tarpeiden mukaan.
• Osaa suunnitella uusia NMR-kokeita.

Työelämätaidot

• Hallitsee oman työn, tehtävien ja ajankäytön suunnittelun ja noudattaa sovittuja aikatauluja
• Osaa yhdistää ja soveltaa kurssilla oppimiaan asioita laajempaan kontekstiin
• Osaa hankkia itsenäisesti tietoa ja laajentaa tietopohjaansa
• Osaa vastata annettuihin tehtäviin ja ongelmakokonaisuuksiin suullisesti ja kirjallisesti ja perustella vastauksensa tai mielipiteensä selkeästi
• Osaa keskustella makromolekyylien NMR-spektroskopiaan liittyvistä ilmiöistä käyttäen oikeaa terminologiaa ja käsitteistöä suomeksi ja englanniksi.

Kurssi on suoritettavissa lukuvuosina 2020-2021 ja 2022-2023.

Osallistuminen jatkokurssille (2 op) edellyttää samanaikaista osallistumista myös johdantotason kurssille.

• Lu-Yun Lian (Editor), Gordon Roberts (Editor), Protein NMR Spectroscopy: Principal Techniques and Applications, Wiley, 2011. (ISBN-13: 978-0470721933)
• J. Cavanagh, W. J. Fairbrother, A. G. Palmer III, M. Rance & N. J. Skelton, Protein NMR spectroscopy – principles and practice. Academic Press, 2007. (ISBN-13: 978-0-12-164491-8)