KEMS544 Makromolekyylien NMR-spektroskopia (3–5 op)

Opinnon taso:
Syventävät opinnot
Arviointiasteikko:
0-5
Suorituskieli:
englanti, suomi
Vastuuorganisaatio:
Kemian laitos
Opetussuunnitelmakaudet:
2020-2021, 2021-2022, 2022-2023, 2023-2024

Kuvaus

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

Osaamistavoitteet

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.

Lisätietoja

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

Esitietojen kuvaus

Kurssien KEMS5380 NMR-spektroskopian perusteet (4 op) ja KEMS5390 Käytännön NMR-spektroskopia (2 op) suorittaminen ei ole pakollista, mutta erittäin suositeltavaa.


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


Oppimateriaalit

  • 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)

Suoritustavat

Tapa 1

Arviointiperusteet:
Johdantokurssista hyväksytty suoritus (1/5) edellyttää harjoitustehtävän suorittamista hyväksytysti sekä vähintään 50% tentin maksimipistemäärästä. Suorittaakseen lisäksi jatkokurssin hyväksytysti edellytetään vähintään 50% jatkokurssin tentin maksimipistemäärästä.
Opetusajankohta:
Periodi 4
Valitaan kaikki merkityt osat
Suoritustapojen osat
x

Osallistuminen opetukseen (3–5 op)

Tyyppi:
Osallistuminen opetukseen
Arviointiasteikko:
0-5
Arviointiperusteet:
Johdantokurssi arvostellaan asteikolla 0-5 ja jatkokurssi hyväksytty-hylätty. Koko kurssin arvolause määräytyy siis johdantokurssin arvolauseen perusteella.
Suorituskieli:
englanti, suomi
Työskentelytavat:

Opetuskieli on tarvittaessa englanti.

Ei julkaistua opetusta