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Fast Magic-Angle-Spinning 19F Spin Exchange NMR for Determining Nanometer 19F–19F Distances in Proteins and Pharmaceutical Compounds
The Journal of Physical Chemistry B ( IF 2.8 ) Pub Date : 2018-02-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b00310 Matthias Roos 1 , Tuo Wang 1 , Alexander A Shcherbakov 1 , Mei Hong 1
The Journal of Physical Chemistry B ( IF 2.8 ) Pub Date : 2018-02-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b00310 Matthias Roos 1 , Tuo Wang 1 , Alexander A Shcherbakov 1 , Mei Hong 1
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Internuclear distances measured using NMR provide crucial constraints of three-dimensional structures but are often restricted to about 5 Å due to the weakness of nuclear-spin dipolar couplings. For studying macromolecular assemblies in biology and materials science, distance constraints beyond 1 nm will be extremely valuable. Here we present an extensive and quantitative analysis of the feasibility of 19F spin exchange NMR for precise and robust measurements of interatomic distances up to 1.6 nm at a magnetic field of 14.1 T, under 20–40 kHz magic-angle spinning (MAS). The measured distances are comparable to those achievable from paramagnetic relaxation enhancement but have higher precision, which is better than ±1 Å for short distances and ±2 Å for long distances. For 19F spins with the same isotropic chemical shift but different anisotropic chemical shifts, intermediate MAS frequencies of 15–25 kHz without 1H irradiation accelerate spin exchange. For spectrally resolved 19F–19F spin exchange, 1H–19F dipolar recoupling significantly speeds up 19F–19F spin exchange. On the basis of data from five fluorinated synthetic, pharmaceutical, and biological compounds, we obtained two general curves for spin exchange between CF groups and between CF3 and CF groups. These curves allow 19F–19F distances to be extracted from the measured spin exchange rates after taking into account 19F chemical shifts. These results demonstrate the robustness of 19F spin exchange NMR for distance measurements in a wide range of biological and chemical systems.
中文翻译：
快速魔角旋转 19F 自旋交换 NMR 用于测定蛋白质和药物化合物中的纳米 19F–19F 距离
使用 NMR 测量的核间距离提供了三维结构的关键约束，但由于核自旋偶极耦合的弱点，通常限制在 5 Å 左右。对于研究生物学和材料科学中的大分子组装体，超过 1 nm 的距离限制将非常有价值。在这里，我们对19 F 自旋交换 NMR的可行性进行了广泛的定量分析，用于在 14.1 T 磁场、20-40 kHz 魔角旋转 (MAS) 下精确、稳健地测量高达 1.6 nm 的原子间距离。测量的距离与顺磁弛豫增强可实现的距离相当，但精度更高，短距离优于 ±1 Å，长距离优于 ±2 Å。对于具有相同各向同性化学位移但不同各向异性化学位移的19 F 自旋，没有1 H 照射的 15-25 kHz 中间 MAS 频率加速了自旋交换。对于光谱解析的19 F– 19 F 自旋交换，1 H– 19 F 偶极重耦合显着加速了19 F– 19 F 自旋交换。根据五种氟化合成、药物和生物化合物的数据，我们获得了CF基团之间以及CF 3和CF基团之间自旋交换的两条通用曲线。这些曲线允许在考虑19 F 化学位移后从测量的自旋交换率中提取19 F– 19 F 距离。这些结果证明了19 F 自旋交换 NMR 在各种生物和化学系统中进行距离测量的稳健性。
更新日期：2018-02-27
中文翻译：
快速魔角旋转 19F 自旋交换 NMR 用于测定蛋白质和药物化合物中的纳米 19F–19F 距离
使用 NMR 测量的核间距离提供了三维结构的关键约束，但由于核自旋偶极耦合的弱点，通常限制在 5 Å 左右。对于研究生物学和材料科学中的大分子组装体，超过 1 nm 的距离限制将非常有价值。在这里，我们对19 F 自旋交换 NMR的可行性进行了广泛的定量分析，用于在 14.1 T 磁场、20-40 kHz 魔角旋转 (MAS) 下精确、稳健地测量高达 1.6 nm 的原子间距离。测量的距离与顺磁弛豫增强可实现的距离相当，但精度更高，短距离优于 ±1 Å，长距离优于 ±2 Å。对于具有相同各向同性化学位移但不同各向异性化学位移的19 F 自旋，没有1 H 照射的 15-25 kHz 中间 MAS 频率加速了自旋交换。对于光谱解析的19 F– 19 F 自旋交换，1 H– 19 F 偶极重耦合显着加速了19 F– 19 F 自旋交换。根据五种氟化合成、药物和生物化合物的数据，我们获得了CF基团之间以及CF 3和CF基团之间自旋交换的两条通用曲线。这些曲线允许在考虑19 F 化学位移后从测量的自旋交换率中提取19 F– 19 F 距离。这些结果证明了19 F 自旋交换 NMR 在各种生物和化学系统中进行距离测量的稳健性。
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