INTEGRATIVE STRUCTURAL BIOLOGY
CHAPTER 1: INTEGRATIVE STRUCTURAL BIOLOGY (Y. STERCKX)
/ (Inleidende les van wat we doorheen het semester gaan zien)
Examen: Schriftelijk met mondelingen toelichting.
- Beide delen van de proffen staan op evenveel punten
- Eerst ga je bij de ene binnen, erna terug in de ‘schrijf ruimte’ en wanneer het uw beurt is ga je naar de andere prof
- Je moet er in het totaal op door zijn
- Als je er op ½ door bent krijg je bij de herexamens een partiële vrijstelling
- Bij prof. Van Doorslaer is er op 1,5-2/10 punten een oefening op het genereren van 1D NMR & COZY (zie Chapter
4.3)
CHAPTER 2: WHY MAGNETIC RESONANCE? (S. VAN DOORSLAER)
2.1: DIFFERENT AIMS OF MAGENTIC RESONANCE
het schema legt de dubbele kracht van magnetische resonatie (MR)
uit, het laat zien dat deze techniek niet alleen vertelt wat een stof is,
maar ook waar deze zich bevindt.
- Spectroscopie (‘wat?’): de rode & blauwe kant van de MR,
vaak bekent als NMR.
o Rood: Moleculen (zoals biomoleculen) absorberen
elektromagnetische golven. Hierdoor ontstaat er
een overgang tussen 2 energienieveaus. Je kunt dit
vergelijken met een molecuul dat een ‘zetje’ krijgt
van energie en naar een hogere staat springt.
o Blauw: De opbrengst, door te meten welke energie precies wordt geabsorbeerd, krijgen we informatie over
de chemische eigenschappen.
§ Structuur (welke stof is het?)
§ Identificatie (Hoe ziet het molecuul er uit?)
§ Dynamiek (Hoe beweegt het molecuul door de tijd?)
- Microscopie (‘waar?’): de groene kader richt zich op de ruimtelijke informatie
o Locatie: In plaats van alleen te kijken naar de structuur van een molecuul, kijkt men hier naar de locatie
van de moleculen in de ruimte.
o MRI-scan: Waar NMR in een reageerbuis naar de chemie kijkt, brengt MRI in jaart waar de bijvoorbeeld
watermoleculen zich in een menselijk lichaam bevinden om een beeld te vormen.
Dus, schema laat zien dat MR een veelzijdig tool is. Het wordt gebruikt voor structuurbepaling (zéér belangrijk bij NMR &
enzymatische testen) én voor het zichtbaar maken van de locatie van stoffen ‘zoals bij MRI). De pijlen
tussen spectroscopy en microscopy geven aan dat deze twee velden elkaar versterken en in elkaar overvloeien:
• Je begint vaak met het begrijpen van het spectrum (de chemie).
• Daarna pas je die kennis toe om beelden te maken (microscopie/imaging).
• Samen vormen ze het volledige plaatje van Magnetic Resonance.
1. De "Nucleaire" Kant
Deze technieken maken gebruik van de magnetische
eigenschappen van de atoomkern. Hiervoor heb
je magnetische kernen nodig (zoals waterstofatomen in je
lichaam).
- NMR (Nuclear Magnetic Resonance): Dit is de
spectroscopie-variant. Het wordt gebruikt om de
chemische structuur van moleculen te bepalen.
- MRI (Magnetic Resonance Imaging): Dit is de
beeldvormende variant (bekend van het ziekenhuis).
o Men heeft het woord "Nuclear" hier
weggelaten omdat mensen bang waren dat het met radioactiviteit te maken had, terwijl MRI volkomen
veilig is en geen straling gebruikt.
1
,2. De "Elektron" Kant
Deze technieken kijken naar ongepaarde elektronen. Normaal gesproken komen elektronen in paren voor, maar in
sommige stoffen (zoals vrije radicalen of bepaalde metalen) is dat niet zo.
- EPR / ESR / EMR: Verschillende namen voor hetzelfde (Electron Paramagnetic Resonance is de meest gebruikte).
Dit wordt gebruikt als spectroscopie om bijvoorbeeld vrije radicalen (ROS) te bestuderen.
- EPRI (Electron Paramagnetic Resonance Imaging): De beeldvormende versie hiervan, die bijvoorbeeld in de
oncologie wordt gebruikt om zuurstofgehaltes in tumoren te meten.
3. Het verschil tussen Spectroscopy en Microscopy/Imaging
- Spectroscopy: Je kijkt naar de chemische omgeving en de eigenschappen van de deeltjes. "Wat is het voor een
stof?" (het belangrijkste deel).
- Microscopy / Imaging: Je kijkt naar de locatie van de deeltjes om een plaatje te maken. "Waar zit de stof?"
De belangrijkste vereisten:
- Voor de rode kant: Je hebt magnetische kernen nodig (zoals 1H of 13C ).
- Voor de blauwe kant: Je hebt ongepaarde elektronen nodig (vrije radicalen of paramagnetische centra).
HISTORICAL INTERMEZZO
Niet te kennen
Were Purcell and Bloch really the first?
1. Cornelus Jakobus GORTER
- 1936-1940 : Groningen university
- Studies paramagnetic relaxation
- Comes very close to discovery of NMR in solid state but had
the wrong sample with unfavorable relaxations
- 1940-1946: director at Univ of Amsterdam (Zeeman lab)
but could not continue his experiment
2. Evgeny Zavoisky
- -Reads about Gorter’s attempts to observe NMR
- Started experiments with a much better detector, but poor magnet
- Lab book: he observes NMR, but repeatability due to inhomogeneous
magnetic field is low
- His work is interrupted by the second world war since Kazan State University
had to host all evacuated labs of other institutes (lab space was scares)
Þ It thus went unnoticed that he discovered NMR !
Who was the father of 2D NMR?
1.Jean Jeener, Emeritus ULB
- Presented COSY at a workshop in Yugoslavia
- Student of Ernst comes home enthousiastically
- Ernst has new ideas, waits for Jeener to publish his results
- Doesn’t happen, so contacts Jeener
- Jeener was already working on other things, proposes Ernst to join forces and they co-publish the first paper on 2D
NMR
2.What about Zavoisky ?
- End of 1943: resumes activities, but now turns to electron instead of nuclear spins (paramagnetic samples
- July 12 1944: discovers EPR electron paramagnetic resonance
2
,CHAPTER 3: THE MAGENTIC RESONANCE TOOLBOX (S. VAN DOORSLAER)
INTERMEZZO – A RECAP AF A FEW IMORTANT POINTS
Recap van de electromagnetisch (EM) spectrum.
1.Energie vs. Golflengte
• Wanneer de golffrequentie stijgt, vergroot de energie.
o Korte golflengte: Betekent een hogere frequentie en hoge energie (zoals röntgenstraling of gammastraling)
o Lange golflengte: Betekent een lage frequentie en lage energie (zoals radiogolven)
2.Radio tot microwaves
• Belangrijk deel voor deze cursus. De magnetische resonantie techniek bevinden zich in dit interval.
o Radiofrequenties: hier bevindt zich NMR & MRI. (Grote golven, dus lage energie)
§ Straling is niet ioniserend!
o Microgolven (microwaves): Hier bevindt zich
EPR. Deze golven hebben een kleinere
golflengte en dus een grotere energie.
Isotopes: Zijn verschillende vormen van een element en varieren
enkel in n0. De protonen zijn per element altijd gelijk (bv 6 voor
C, 7 voor N,…). Door het aantal protonen te weten, weet je dus
uw element. Per element kunnen er isotopen zijn en deze
variëren in neutrons. De som van uw proton en neutron
(nucleus) wijst op welke isotoop het is.
3.1 WHAT’S IN A NAME?
Magnetic nuclei?
- Protons, electrons & neutrons hava a intrinsic physical property which is called SPIN.
- Somewhat oversimplified, you can consider them as an object (particle) rotating a round
their own axis (see the purple ball).
- Spin = The angular momentum of this particle (draaiimpuls, moet de juiste lading hebben
en draait rond de as. Bewegende lading kan dan een magnetisch moment vormen).
- Protons, electrons & neutrons have an intrinsic magnetic moment
• They behave as small sompass needles, see further)
§ Compas naald – Wanneer er bij een magnetische kern een lading zal zijn,
draait die rond een klein magnetisch moment
• Je hebt de draaibeweging nodig in de kern voor een magnetisch moment te creëren
3
, What is the consequence for different nuclei?
- We take this simplistic image of a nucleus
- A nucleus is built up out of protons and neutrons
- The angluar momenta (spins) of the protons and neutrons can add up or counter act
• Kleine deeltjes in de kern gedragen zich als compas naalden
• Naargelang de compositie van de kern is er al dan niet een magnetisch moment
- This results in a total nuclear angular momentum I with the related magnetics momentum µ
• µ = Magnetisch moment, ‘kracht’ van het magneetje. Heeft aan hoe sterk het deeltje reageret op een exern
magneetveld
• γ = Gyromagnetische verhouding, dit is de cte die de 2 met elkaar verbindt. Als een deeltje ‘zo’ snel tolt,
dan is dit de magnetische sterkte die daarbij hoort.
§ Dit is de cte die verhoudingen tussen de spin en het magnetisch moment bepaalt. Elke kern heeft
zijn eigen specifieke verhouding, wat bepaalt hoe ‘gevoelig’ die kern is voor een magneetveld.
• I = Spinmomentum, dit stelt de ‘spin’ van het deeltje voor. Je kunt het vergelijken met een deeltje dat om
zijn eigen as tolt.
• e = Lading, hoe groot de elektrische lading van het deeltje is, hoe sterker het magnetisch moment. Zonder
lading is er geen magnetisch veld
• m = massa, hoe zwaarder het deeltje, hoe kleiner de gryomagnetische verhouding (gamma).
§ Omdat de massa onder de breukstreep staat, heeft een zwaar deeltje (zoals een atoomkern) een
veel lagere gamma dan een licht deeltje (zoals een elektron).
§ De massa hangt dus af van het element, N is anders dan C (meer elektronen, dus hogere massa)
à magnetisch moment van de 2 kernen is dus verschillend
- Depending on sign of γ, the magnetic moment µ is parallel or opposed to I
• γ> 0 = Magnetisch moment is de richting van het draai moment
• γ< 0 = Magnetisch moment tegengesteld aan de richting van het draai moment
- Some isotopes are magnetic nuclei (i.e. having a magnetic moment), others not
• Isotopes have the same amount of protons, but differ in their amount of neutrons
• Example: 12C is NOT a magnetic nucleus, 13C is a magnetic nucleus
§ 12C heeft GEEN magnetische kern, dus kan het niet aan de NMR doen
§ 13C kan dit wel, dus enkel een extra neutron zorg hier voor (N0 = 7 ipv 6)
• Maakt zo een swich van geen magnetisch moment naar wel een magnetisch moment
- Belangrijke elementen zijn H, C, N, P & O (kennen!!)
• 1H of 2D
• 13C
• 14N
• 31P
• 6O à géén magnetische kern!
SCIENTIFIC INTERMEZZO – RECAP FROM GENRAL PHYSICS
What happens when you place a mangetic nucleus or an electron in a magnetic field?
- Take the example of a compass needle in the earth’s magnetic field:
• Compass needle has a magnetic momentum µ
• Compass needle orients itself in magentic field
- At each time, the enrgy of µ in the exernal magnetif field B0 is gived by
4
CHAPTER 1: INTEGRATIVE STRUCTURAL BIOLOGY (Y. STERCKX)
/ (Inleidende les van wat we doorheen het semester gaan zien)
Examen: Schriftelijk met mondelingen toelichting.
- Beide delen van de proffen staan op evenveel punten
- Eerst ga je bij de ene binnen, erna terug in de ‘schrijf ruimte’ en wanneer het uw beurt is ga je naar de andere prof
- Je moet er in het totaal op door zijn
- Als je er op ½ door bent krijg je bij de herexamens een partiële vrijstelling
- Bij prof. Van Doorslaer is er op 1,5-2/10 punten een oefening op het genereren van 1D NMR & COZY (zie Chapter
4.3)
CHAPTER 2: WHY MAGNETIC RESONANCE? (S. VAN DOORSLAER)
2.1: DIFFERENT AIMS OF MAGENTIC RESONANCE
het schema legt de dubbele kracht van magnetische resonatie (MR)
uit, het laat zien dat deze techniek niet alleen vertelt wat een stof is,
maar ook waar deze zich bevindt.
- Spectroscopie (‘wat?’): de rode & blauwe kant van de MR,
vaak bekent als NMR.
o Rood: Moleculen (zoals biomoleculen) absorberen
elektromagnetische golven. Hierdoor ontstaat er
een overgang tussen 2 energienieveaus. Je kunt dit
vergelijken met een molecuul dat een ‘zetje’ krijgt
van energie en naar een hogere staat springt.
o Blauw: De opbrengst, door te meten welke energie precies wordt geabsorbeerd, krijgen we informatie over
de chemische eigenschappen.
§ Structuur (welke stof is het?)
§ Identificatie (Hoe ziet het molecuul er uit?)
§ Dynamiek (Hoe beweegt het molecuul door de tijd?)
- Microscopie (‘waar?’): de groene kader richt zich op de ruimtelijke informatie
o Locatie: In plaats van alleen te kijken naar de structuur van een molecuul, kijkt men hier naar de locatie
van de moleculen in de ruimte.
o MRI-scan: Waar NMR in een reageerbuis naar de chemie kijkt, brengt MRI in jaart waar de bijvoorbeeld
watermoleculen zich in een menselijk lichaam bevinden om een beeld te vormen.
Dus, schema laat zien dat MR een veelzijdig tool is. Het wordt gebruikt voor structuurbepaling (zéér belangrijk bij NMR &
enzymatische testen) én voor het zichtbaar maken van de locatie van stoffen ‘zoals bij MRI). De pijlen
tussen spectroscopy en microscopy geven aan dat deze twee velden elkaar versterken en in elkaar overvloeien:
• Je begint vaak met het begrijpen van het spectrum (de chemie).
• Daarna pas je die kennis toe om beelden te maken (microscopie/imaging).
• Samen vormen ze het volledige plaatje van Magnetic Resonance.
1. De "Nucleaire" Kant
Deze technieken maken gebruik van de magnetische
eigenschappen van de atoomkern. Hiervoor heb
je magnetische kernen nodig (zoals waterstofatomen in je
lichaam).
- NMR (Nuclear Magnetic Resonance): Dit is de
spectroscopie-variant. Het wordt gebruikt om de
chemische structuur van moleculen te bepalen.
- MRI (Magnetic Resonance Imaging): Dit is de
beeldvormende variant (bekend van het ziekenhuis).
o Men heeft het woord "Nuclear" hier
weggelaten omdat mensen bang waren dat het met radioactiviteit te maken had, terwijl MRI volkomen
veilig is en geen straling gebruikt.
1
,2. De "Elektron" Kant
Deze technieken kijken naar ongepaarde elektronen. Normaal gesproken komen elektronen in paren voor, maar in
sommige stoffen (zoals vrije radicalen of bepaalde metalen) is dat niet zo.
- EPR / ESR / EMR: Verschillende namen voor hetzelfde (Electron Paramagnetic Resonance is de meest gebruikte).
Dit wordt gebruikt als spectroscopie om bijvoorbeeld vrije radicalen (ROS) te bestuderen.
- EPRI (Electron Paramagnetic Resonance Imaging): De beeldvormende versie hiervan, die bijvoorbeeld in de
oncologie wordt gebruikt om zuurstofgehaltes in tumoren te meten.
3. Het verschil tussen Spectroscopy en Microscopy/Imaging
- Spectroscopy: Je kijkt naar de chemische omgeving en de eigenschappen van de deeltjes. "Wat is het voor een
stof?" (het belangrijkste deel).
- Microscopy / Imaging: Je kijkt naar de locatie van de deeltjes om een plaatje te maken. "Waar zit de stof?"
De belangrijkste vereisten:
- Voor de rode kant: Je hebt magnetische kernen nodig (zoals 1H of 13C ).
- Voor de blauwe kant: Je hebt ongepaarde elektronen nodig (vrije radicalen of paramagnetische centra).
HISTORICAL INTERMEZZO
Niet te kennen
Were Purcell and Bloch really the first?
1. Cornelus Jakobus GORTER
- 1936-1940 : Groningen university
- Studies paramagnetic relaxation
- Comes very close to discovery of NMR in solid state but had
the wrong sample with unfavorable relaxations
- 1940-1946: director at Univ of Amsterdam (Zeeman lab)
but could not continue his experiment
2. Evgeny Zavoisky
- -Reads about Gorter’s attempts to observe NMR
- Started experiments with a much better detector, but poor magnet
- Lab book: he observes NMR, but repeatability due to inhomogeneous
magnetic field is low
- His work is interrupted by the second world war since Kazan State University
had to host all evacuated labs of other institutes (lab space was scares)
Þ It thus went unnoticed that he discovered NMR !
Who was the father of 2D NMR?
1.Jean Jeener, Emeritus ULB
- Presented COSY at a workshop in Yugoslavia
- Student of Ernst comes home enthousiastically
- Ernst has new ideas, waits for Jeener to publish his results
- Doesn’t happen, so contacts Jeener
- Jeener was already working on other things, proposes Ernst to join forces and they co-publish the first paper on 2D
NMR
2.What about Zavoisky ?
- End of 1943: resumes activities, but now turns to electron instead of nuclear spins (paramagnetic samples
- July 12 1944: discovers EPR electron paramagnetic resonance
2
,CHAPTER 3: THE MAGENTIC RESONANCE TOOLBOX (S. VAN DOORSLAER)
INTERMEZZO – A RECAP AF A FEW IMORTANT POINTS
Recap van de electromagnetisch (EM) spectrum.
1.Energie vs. Golflengte
• Wanneer de golffrequentie stijgt, vergroot de energie.
o Korte golflengte: Betekent een hogere frequentie en hoge energie (zoals röntgenstraling of gammastraling)
o Lange golflengte: Betekent een lage frequentie en lage energie (zoals radiogolven)
2.Radio tot microwaves
• Belangrijk deel voor deze cursus. De magnetische resonantie techniek bevinden zich in dit interval.
o Radiofrequenties: hier bevindt zich NMR & MRI. (Grote golven, dus lage energie)
§ Straling is niet ioniserend!
o Microgolven (microwaves): Hier bevindt zich
EPR. Deze golven hebben een kleinere
golflengte en dus een grotere energie.
Isotopes: Zijn verschillende vormen van een element en varieren
enkel in n0. De protonen zijn per element altijd gelijk (bv 6 voor
C, 7 voor N,…). Door het aantal protonen te weten, weet je dus
uw element. Per element kunnen er isotopen zijn en deze
variëren in neutrons. De som van uw proton en neutron
(nucleus) wijst op welke isotoop het is.
3.1 WHAT’S IN A NAME?
Magnetic nuclei?
- Protons, electrons & neutrons hava a intrinsic physical property which is called SPIN.
- Somewhat oversimplified, you can consider them as an object (particle) rotating a round
their own axis (see the purple ball).
- Spin = The angular momentum of this particle (draaiimpuls, moet de juiste lading hebben
en draait rond de as. Bewegende lading kan dan een magnetisch moment vormen).
- Protons, electrons & neutrons have an intrinsic magnetic moment
• They behave as small sompass needles, see further)
§ Compas naald – Wanneer er bij een magnetische kern een lading zal zijn,
draait die rond een klein magnetisch moment
• Je hebt de draaibeweging nodig in de kern voor een magnetisch moment te creëren
3
, What is the consequence for different nuclei?
- We take this simplistic image of a nucleus
- A nucleus is built up out of protons and neutrons
- The angluar momenta (spins) of the protons and neutrons can add up or counter act
• Kleine deeltjes in de kern gedragen zich als compas naalden
• Naargelang de compositie van de kern is er al dan niet een magnetisch moment
- This results in a total nuclear angular momentum I with the related magnetics momentum µ
• µ = Magnetisch moment, ‘kracht’ van het magneetje. Heeft aan hoe sterk het deeltje reageret op een exern
magneetveld
• γ = Gyromagnetische verhouding, dit is de cte die de 2 met elkaar verbindt. Als een deeltje ‘zo’ snel tolt,
dan is dit de magnetische sterkte die daarbij hoort.
§ Dit is de cte die verhoudingen tussen de spin en het magnetisch moment bepaalt. Elke kern heeft
zijn eigen specifieke verhouding, wat bepaalt hoe ‘gevoelig’ die kern is voor een magneetveld.
• I = Spinmomentum, dit stelt de ‘spin’ van het deeltje voor. Je kunt het vergelijken met een deeltje dat om
zijn eigen as tolt.
• e = Lading, hoe groot de elektrische lading van het deeltje is, hoe sterker het magnetisch moment. Zonder
lading is er geen magnetisch veld
• m = massa, hoe zwaarder het deeltje, hoe kleiner de gryomagnetische verhouding (gamma).
§ Omdat de massa onder de breukstreep staat, heeft een zwaar deeltje (zoals een atoomkern) een
veel lagere gamma dan een licht deeltje (zoals een elektron).
§ De massa hangt dus af van het element, N is anders dan C (meer elektronen, dus hogere massa)
à magnetisch moment van de 2 kernen is dus verschillend
- Depending on sign of γ, the magnetic moment µ is parallel or opposed to I
• γ> 0 = Magnetisch moment is de richting van het draai moment
• γ< 0 = Magnetisch moment tegengesteld aan de richting van het draai moment
- Some isotopes are magnetic nuclei (i.e. having a magnetic moment), others not
• Isotopes have the same amount of protons, but differ in their amount of neutrons
• Example: 12C is NOT a magnetic nucleus, 13C is a magnetic nucleus
§ 12C heeft GEEN magnetische kern, dus kan het niet aan de NMR doen
§ 13C kan dit wel, dus enkel een extra neutron zorg hier voor (N0 = 7 ipv 6)
• Maakt zo een swich van geen magnetisch moment naar wel een magnetisch moment
- Belangrijke elementen zijn H, C, N, P & O (kennen!!)
• 1H of 2D
• 13C
• 14N
• 31P
• 6O à géén magnetische kern!
SCIENTIFIC INTERMEZZO – RECAP FROM GENRAL PHYSICS
What happens when you place a mangetic nucleus or an electron in a magnetic field?
- Take the example of a compass needle in the earth’s magnetic field:
• Compass needle has a magnetic momentum µ
• Compass needle orients itself in magentic field
- At each time, the enrgy of µ in the exernal magnetif field B0 is gived by
4
