resonancia magnética nuclear en sistemas … · sabe que las sustancias paramagnéticas producen...

Introducción

La Resonancia Magnética Nuclear(RMN) es probablemente la técnicaespectroscópica que más especta-cularmente se ha desarrollado enlas últimas décadas. La informaciónestructural, dinámica, termodinámi-ca y cinética que proporciona de lossistemas estudiados justifica estaexplosión. Su aplicación médica estambién una causa de la populari-dad con la que se ha expandido.

Desde los inicios de la RMN sesabe que las sustancias paramagnéticas producen lapérdida de las señales observadas mediante esta técni-ca1. Tradicionalmente, la mayoría de los espectro-scopistas huían de sistemas que contenían compuestosparamagnéticos. No es infrecuente leer en libros deRMN recetas en la preparación de las muestras del tipo:"Procure eliminar el oxígeno molecular presente en dis-olución". ¿Por qué los electrones desapareados pro-ducen los efectos de ensanchamiento y pérdida deseñales en RMN? ¿Se trata de una desventaja insalv-able? ¿Podemos obtener, quizá, beneficio de estosefectos? En las siguientes líneas intentaremos respon-der a estas preguntas. Adelantamos ya que la existen-cia de sustancias paramagnéticas en RMN proporcionarelevante información sobre el sistema molecular en elque se encuentran. La existencia de estos compuestos,lejos de ser un problema, como en principio se estima-ba, amplía las aplicaciones de la técnica.

Tiempos de relajación y observación deseñales

En RMN, más que en otras espectroscopías, la infor-mación proviene no sólo del parámetro que nos indicala energía de los niveles entre los que se produce latransición (desplazamiento químico), sino también deltiempo que los núcleos resonantes tardan en volver alequilibrio después de haber sido perturbados. Desde unpunto de vista clásico, cada núcleo es un pequeño imány la suma de los momentos magnéticos de todos ellosorigina el denominado vector magnetización, M. Enpresencia de un campo magnético B0 y en el equilibrio,este vector magnetización posee una componente netaen el eje z (dirección del campo magnético), Mz0, difer-ente de cero y componentes en el plano xy, Mx0 y My0,nulas (Figura 1A). Si se perturba la magnetización (apli-

cando una radiofrecuencia o pulso),el sistema se modifica del equilibrio(Mz Mz0, Mx 0, My 0). Al dejarde actuar el pulso, el sistemavolverá al equilibrio (Figuras 1B,C).Suponiendo que el proceso derecuperación corresponda a unacinética de primer orden, se deno-mina velocidad de relajación longi-tudinal (R1) a la constante de veloci-dad de recuperación de la magneti-zación Mz en el eje z. La pérdida demagnetización en el plano xy lle-varía asociada consigo una cons-tante denominada velocidad de

relajación transversal (R2). Las inversas de estas veloci-dades son los tiempos de relajación longitudinal (T1) ytransversal (T2).

Luis AntonioAlcaraz Mas

Antonio DonaireGonzález

Instituto de Biología Molecular yCelular, Universidad Miguel Hernándezde Elche, Edificio Torregaitán, Avda. de

la Universidad, s/n.03202-Elche, Alicante.

Tfno. 966658942. Fax. [email protected],

[email protected]

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Figura 1. A) Representación de las componentes z (Mz0,izquierda), y x, y (Mx0, My0, derecha) del vector magnetizaciónen el equilibrio. B) Recuperación de la magnetización longitu-dinal (en función del T1) y (C) pérdida de la magnetizacióntransversal (en función de T2) de dicho vector después dehaber sido perturbado.

Resonancia Magnética Nuclear en Sistemas ParamagnéticosResumen: La presencia de electrones desapareados puede producir la desaparición de las señales en experimentos deResonancia Magnética Nuclear. Por ello, el empleo de esta espectroscopía en sistemas paramagnéticos no ha tenido grandesarrollo en la comunidad química general. En el presente artículo se describen los efectos de los iones metálicos paramag-néticos en RMN y cómo, lejos de ser una desventaja, pueden resultar beneficiosos para obtener información estructural de lossistemas que los contienen.

Investigación Química

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En el proceso de relajación, los núcleos se comportancomo pequeños imanes moviéndose a cierta frecuenciay, en consecuencia, generan una corriente electromag-nética. Esta radiofrecuencia emitida por los núcleos alvolver al equilibrio se mide mediante un receptor situa-do en el eje x (o en el eje y). La señal recibida (FID, freeinduction decay) decae exponencialmente a cero deacuerdo con el T2 (la señal se observa en el plano xy).La señal es adquirida en el dominio del tiempo.Mediante una transformada de Fourier se observa en eldominio de frecuencias, dando lugar al espectro RMN(Figura 2). En un campo completamente homogéneo, laanchura de una señal y el T2 del núcleo que la originaestán, pues, inversamente relacionados. Un núcleo conT2 largo (relajación transversal lenta) dará lugar, en eldominio de frecuencias, a una señal estrecha y vice-versa (Figuras 2A y B). Un núcleo con un T2 excesiva-mente corto daría lugar a una señal tan ancha quepudiera estar embebida en el ruido de fondo y no obser-varse (Figura 2C).

¿Cómo se relajan los núcleos?a

El proceso de relajación se produce cuando los núcleosintercambian energía con el medio (red) y/o susmomentos de spin entre sí2. Para ello, en la red debenexistir fluctuaciones magnéticas con frecuencias simi-

lares a las de resonancia de los núcleos (del orden de5 x 108 Hz para protones en un espectrómetro de 11,74Tesla ó 500 MHz), de forma que éstos puedan cederenergía. El movimiento rotacional de las moléculascoincide en magnitud con las frecuencias de resonanciade los núcleos, por lo que es este movimiento, que ge-nera campos magnéticos fluctuantes, la principal fuentede relajación de los núcleos por RMN.

Esta última frase es cierta si no existen electrones desa-pareados cerca del núcleo que vuelve al equilibrio. Loselectrones desapareados generan unos campos mag-néticos fluctuantes de frecuencias, en general, supe-riores a las de resonancia de los núcleos3,4 (Figura 3).Debido a las diferentes posiciones de cada molécularespecto al campo magnético los electrones no presen-tan una única frecuencia de resonancia, sino una dis-tribución de ellas. Como los electrones se relajanmucho más rápidamente que los núcleos, el electrón leestá proporcionando al núcleo una fuente continua derelajación adicional mucho más eficiente que cualquierotro mecanismo. En consecuencia, los núcleos queobservan electrones desapareados poseen velocidadesde relajación muy superiores (tiempos de relajación, T1

y T2, mucho más cortos) que los que poseerían si nosintieran ese efecto paramagnético. Para moléculasdiamagnéticas de peso molecular en torno a 10 kDavalores de centenares de milisegundos para el T1 y dedecenas de milisegundos para el T2 de protón son fre-cuentes. En moléculas paramagnéticas ambosparámetros pueden tomar valores inferiores incluso aun milisegundo. En consecuencia, al poseer un T2

mucho más corto, estos protones darán lugar a señalesmucho más anchas (Figura 2B); en casos límite, perofrecuentes, incluso no observables5 (Figura 2C). Deaquí se deduce lo reacio que siempre hemos sido losespectroscopistas de RMN a trabajar con sustanciasparamagnéticas.

La situación empeora si tenemos en cuenta que, paraobtener información de un sistema en RMN, además deobservarse, las señales se deben asignar. Y para ellose recurre a relacionar unas señales (los núcleos quelas originan) con otras. Es decir, debemos recurrir aexperimentos, en la mayoría de los casos bidimensio-nales, que conecten unos núcleos con otros (un pico decruce entre dos señales en un experimento bidimen-sional indica que los dos protones que originan esasseñales están relacionados). La relación puede serescalar (a través de enlaces químicos) o dipolar (através del espacio)2. En los experimentos de corre-lación escalar, el acoplamiento se desarrolla mientras lamagnetización se encuentra en el plano xy. En un sis-tema paramagnético (T2 pequeño), la magnetizacióndecae muy rápidamente en este plano, por lo que laseñal se pierde antes de que se desarrolle elacoplamiento. En otras palabras, los picos de cruce enexperimentos tipo COSY, TOCSY (homonucleares) o

Figura 2. Evolución de la señal inducida (FID) por un núcleocon relajación: A) lenta; B) rápida, y; C) muy rápida. Las trans-formadas de Fourier (espectros) se muestran a la derecha. Laanchura de las señales es inversamente proporcional al tiem-po de decaimiento de las mismas (dibujado en rojo sobre lasFIDs).

a Aunque en muchos aspectos lo comentado en el presente artículo es aplicable a núcleos cuadrupolares y a la RMN en estado sólido,de aquí en adelante, nos referiremos siempre a núcleos con spin 1/2 y a RMN en fase líquida.

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HSQC (heteronucleares), basados en correlacionesescalares, son muy débiles o se pierden en sistemasparamagnéticos. En los experimentos de correlacióndipolar (experimentos tipo NOESY), la interacción entrelos momentos dipolares de los núcleos que dan el picode cruce se produce mientras los núcleos se relajan enel eje z. Como quiera que esta relajación es rápida (T1pequeño) si los protones se encuentran cerca de elec-trones desapareados, la interacción entre los núcleosserá pequeña y, en consecuencia, también el pico decruce. Resumiendo, aún si observamos las señales delos núcleos, en sistemas paramagnéticos será difícilasignarlas, puesto que se perderán las correlacionesnecesarias. Y un espectro de RMN sin asignar es comoun libro escrito en una lengua ignota.

Un apunte antes de continuar, la magnitud de la inter-acción entre el núcleo resonante y el electrón des-pareado depende, entre otros factores, del cuadrado dela constante magnetogírica del núcleo observado. Elprotón, con la mayor constante magnetogírica(γ1H = 267.5 x 106 rad s-1T-1), presenta un efectodieciséis veces mayor que un núcleo de 13C en las mis-mas condiciones (γ13C = 67.3 x 106 rad s-1T-1). El efec-to es cien veces inferior en el caso de un núcleo de 15N(γ15N = -27.1 x 106 rad s-1T-1). Por lo tanto, los efectosaquí comentados son drásticos para el protón y menosacusados para el resto de los núcleos. Nos referiremosde aquí en adelante preferentemente al protón, al ser elnúcleo más ampliamente utilizado en RMN, aunquesimilares efectos, si bien más leves, se producen encualquier otro tipo de núcleo.

Contribución de contacto y dipolar

Acabamos de indicar que los núcleos se relajan rápida-mente si se encuentran cerca de electrones desaparea-dos. Efectivamente, si los momentos magnéticos origi-nados por el núcleo y el electrón se encuentran espa-cialmente cerca, existirá entonces una interacción a

través del espacio entre ambos que aumentará la rela-jación nuclear. Se trata de la denominada contribucióndipolar3,4.

Pero cerca, en nuestro mester, puede también significara pocos enlaces químicos. Estamos hablando entoncesde la denominada contribución de contacto a las veloci-dades de relajación. Este mecanismo de relajación sóloes operativo en ligandos covalentemente unidos al ionmetálico y decae rápidamente con el número deenlaces (a más de cinco enlaces suele ser despreciable).

Iones paramagnéticos buenos y malos paraRMN

Los humanos, y también los químicos, tenemos ten-dencia a clasificar las cosas entre buenas y malas. Noseremos menos aquí. No obstante, antes definiremoslos conceptos bueno/malo. Consideramos un ion para-magnético bueno para RMN cuando el efecto que pro-duce en un núcleo es tal que su radio de alcance (aquéldentro del cual no se observan núcleos de un tipo deter-minado) es pequeño. Es decir, el efecto paramagnéticopara un ion considerado bueno es relativamentepequeño y sólo los núcleos muy cercanos a dicho ion losentirán (Figura 4). Un ion malo ocasionaría, por el con-trario, una gran relajación nuclear a su alrededor, impi-diendo la observación de núcleos incluso a grandes dis-tancias.

La pregunta, por tanto, sería: ¿qué características debeposeer un ion paramagnético para producir una rela-jación máxima (o mínima) en núcleos cercanos a él? Enprincipio, cuantos más electrones desapareados poseael ion tanto mayor será el efecto que producirá sobre elnúcleo. El spin electrónico, S, es, en consecuencia,importante. No obstante, no es, en absoluto, el factor

Figura 3. Campo magnético generado por un ion metálico conelectrones desapareados (spin S). El núcleo resonante (spinnuclear I) ve modificado sus parámetros de RMN como con-secuencia de la interacción con aquél.

Figura 4. Efecto de alcance de un ion metálico en una proteí-na. Las señales de los núcleos incluidos dentro de la esfera deradio r1 experimentan un ensanchamiento extremo y no seobservan (ver Figura 2C). Los núcleos ubicados a mayor dis-tancia que r2 no sienten el efecto paramagnético. Los núcleossituados dentro de la corona circular intermedia se observan ypresentan tiempos de relajación proporcionales a la distanciadel núcleo al ion paramagnético. A partir de estos tiempos esposible determinar dicha distancia.

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fundamental. El principal factor que determina la obser-vación de núcleos de RMN en un sistema paramagnéti-co es el tiempo de relajación electrónica del ion metáli-co, τs

4. El ion paramagnético posee diferentes niveleselectrónicos. En un campo magnético estos nivelesestán desdoblados (niveles de energía de Zeeman) deacuerdo con el valor de Ms. El electrón se relaja entreestos valores negativos (de menor energía) y positivos(de mayor energía), de forma que, en promedio, seencontrará prácticamente casi el mismo tiempo enambos estados. Los núcleos resonantes poseen unasfrecuencias de resonancia mucho menores que laselectrónicas (el electrón posee una constante magne-togírica 657 veces mayor que la del protón). En conse-cuencia, el protón observa un efecto neto por parte delelectrón que es tanto menor cuanto más rápidadmenterelaje el electrón. En otras palabras, si el electrón serelaja muy rápidamente, el protón (que se mueve acámara lenta con respecto al electrón) ve un promediodel electrón entre valores de Ms positivos y negativosque disminuyen, de forma drástica, el efecto neto delelectrón desapareado. En este caso tendremos tiemposde relajación nuclear no excesivamente pequeños y seobservarán las señales de RMN. Y viceversa: si el elec-trón relaja muy lentamente, entonces el protón tendrátiempo de observar un efecto neto del electrón desa-pareado. Aquí, el núcleo poseerá valores de T1 y T2

muy pequeños y las señales serán anchas o no seobservarán (Figura 5).

La relajación electrónica depende del estado de oxi-dación, de la geometría y de los ligandos del ion metáli-co. Iones metálicos con τs pequeños son, en general,aquéllos que poseen muchos niveles próximosenergéticamente, bien por acoplamiento spin-órbita,bien por el desdoblamiento a campo cero (ZFS). Entre

éstos se encuentran el hierro(III) de bajo spin o el cobal-to(II) octaédrico (Tabla 1). Se trata de iones buenospara RMN. Es fácil entender que hayan sido las proteí-nas hemo (bien con hierro hexacoordinado, o bien losderivados hexacoordinados con cianuro) aquéllas másestudiadas por la RMN paramagnética6. De hecho,tanto el primer espectro monodimensional7 como elprimero bidimensional8 en un sistema paramagnéticose realizó con citocromos tipo c.

En el caso opuesto tenemos el hierro(III) de alto spin oel cobre(II). En estos sistemas será difícil observar lasseñales de RMN (ver Tabla 1). Un caso drástico lo re-presentan los radicales libres. Con valores de τs delorden de 10-7 s, estas sustancias relajan tan lentamenteque su efecto de ensanchamiento y pérdida de señalesde RMN es drástico. Estos compuestos son malos paraRMN.

En Resonancia de Spin Electrónico (EPR) un ion para-magnético con relajación lenta puede observarse a tem-peratura ambiente. Diríamos que el ion es bueno paraEPR. Un ion que relaja muy rápidamente sólo puedeobservarse si se disminuye en alto grado su relajación,verbigracia, bajando la temperatura. Se puede afirmarde forma resumida que donde empieza la RMN acabala EPR o, lo que es bueno para RMN es malo para EPR.La recíproca también es cierta. Comenzamos el aparta-do con implicaciones morales, podríamos también con-cluirlo afirmando que el concepto de bueno/malo esmuy relativo, no sólo entre los humanos, sino tambiénentre los distintos tipos de espectroscopistas.

No todo es negativo: Desplazamiento hiperfino

Se comprende por lo dicho hasta el momento las reti-cencias de los espectroscopistas de RMN a la hora deutilizar sustancias con electrones desapareados en susmuestras. Existen, sin embargo, efectos positivos de losiones paramagnéticos.

En primer lugar, la interacción entre el núcleo resonantey el electrón desapareado altera enormemente los nive-les energéticos de aquél. En consecuencia, estosnúcleos poseerán desplazamientos químicos muyinusuales. Este desplazamiento se denomina hiperfinoy es, en general, mucho mayor en magnitud que eldesplazamiento típico de los núcleos en un entorno dia-magnético.

En la Figura 6 se muestra el espectro de un mismo sis-tema (rusticianina, una proteína azul de cobre) en esta-do reducido (cobre(I), diamagnético), en estado oxida-do9 (cobre(II), paramagnético) y el espectro de la pro-teína metalosustituida por cobalto(II)10. En el sistemadiamagnético (Figura 6A) no existen señales más alláde 12 ppm, mientras que en los sistemas paramagnéti-cos (Figuras 6B, C) se observan señales incluso a 300ppm (Figura 6C). Desplazamientos químicos para elprotón de tal magnitud se producen debido al efecto delos electrones desapareados. En esta misma Figura se

Figura 5. Relación entre la estructura electrónica de un ionmetálico y la observación de señales y acoplamientos en RMNde un sistema paramagnético.

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observa que las señales del sistema de cobre(II) sonmucho más anchas que las de cobalto(II), de acuerdocon los valores de τs para estos dos iones (ver Tabla 1).

El desplazamiento hiperfino se ha aprovechado desdemediados de los años sesenta para estudiar específica-mente el centro activo de macromoléculas biológicas.En proteínas de tamaño molecular bajo/medio existendesde centenares a miles de protones. Los electronesdesapareados permiten discernir específicamenteaquéllos que se encuentran cerca del metal. En la ma-yoría de las ocasiones, precisamente el metal y suentorno forman el centro activo y, en consecuencia, setrata del dominio más interesante de la proteína desdeel punto de vista funcional. Existen infinidad de trabajosen las que se aprovecha este efecto6,11.

Al igual que sucedía con las velocidades de relajación,son dos las contribuciones al desplazamiento hiperfino:la contribución de contacto o de Fermi (producida através de enlaces químicos) y la dipolar o de pseudo-contacto (a través del espacio). En general, la contribu-ción de contacto suele ser mayor en magnitud que ladipolar. Por otra parte, la contribución dipolar es conse-cuencia de la anisotropía magnética del sistema, esdecir, en último término, del hecho de que los elec-trones se disponen en ciertos orbitales atómicos concierta orientación preferente.

Incluso hay efectos positivos

Información estructural. Hemos mencionado en diver-sas ocasiones la palabra cerca. Obviamente, los efec-tos paramagnéticos (disminución de los tiempos derelajación y grandes desplazamientos hiperfinos) serán

Tabla 1. Valores de τs de algunos iones paramagnéticos. Se indican, asimismo, las velocidades de relajación nuclear que

inducen en protones de una molécula relativamente grande (τr = 10-8 s), situados a 5 Å del ion metálico en un campo de mag-

nético de 11.7 T4.

Ion Metálico S / J a ττs (s) R1M (s-1) R2M (s-1)b

VO2+ 1/2 10-8 30 15000

V3+ 1 10-11 100 500

V2+ 3/2 10-9 1000 15000

Fe3+ (a.s.)c 5/2 10-9-10-11 500-3000 (8-50)×103

Fe3+ (b.s.)d 1/2 10-11-10-13 1-60 50-150

Fe2+ (a.s.) 2 10-12-10-13 10-50 4000

Co2+ (a.s., 5-6coord)e 3/2 5×10-12-10-13 10-200 1000-2000

Co2+ (a.s., 4coord) 3/2 10-11 200-400 500-3000

Co2+ (b.s.) 1/2 10-9-10-10 200-400 500-3000

Cu2+ 1/2 10-8-10-10 40-200 (3-200)×103

Ru3+ 1/2 10-11-10-12 5-50 50-150

Ce3+ 5/2 10-13 4 300

Sm3+ 5/2 (5-20)×10-14 0.2-0.5 3-4

Gd3+ 7/2 (1-10)x10-8 800-5000 (1-4)×105

Dy3+ 15/2 (4-10)×10-13 170-300 80000

Yb3+ 7/2 (2-50)×10-14 16-30 3000

a Valor de S o J para iones de la serie d (mitad superior de la Tabla) o de la serie f (mitad inferior), respectivamente. b Lasanchuras de las señales son directamente proporcionales a estos valores. c Alto espín. d Bajo espín. e El subíndice coord serefiere al número de coordinación del ion metálico.

Figura 6. Espectros de RMN de 1H de rusticianina (Rc) en susformas: A) nativa reducida, Cu(I); B) nativa oxidada, Cu(II); C)metalosustituida por Co(II). En los tres casos, los ligandos ygeometría de coordinación (D) son los mismos.



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tanto más acentuados cuanto más cerca se encuentrenlos núcleos de los iones paramagnéticos. En las ecua-ciones que relacionan efectos y parámetros estruc-turales (no expuestas aquí) aparece la distancia núcleo-electrón como factor determinante. En consecuencia,del conocimiento de los tiempos de relajación nuclear yde los desplazamientos hiperfinos puede deducirsedicha distancia12,13 (Figura 4).

Por otra parte, el desplazamiento de pseudocontactodepende, además, de la orientación del núcleo respec-to de los ejes principales del tensor de anisotropía mag-nética. A partir de estos desplazamientos puedededucirse la orientación de este tensor, las anisotropíasde sus componentes principales y, de aquí, refinar laestructura molecular del sistema en estudio. Estaestrategia se ha utilizado en diversas proteínas, funda-mentalmente de hierro(III) (hemo y citocromos)14 y me-talosustituidas por iones lantánidos15 (ver más ade-lante).

Tiempos de relajación y desplazamientos hiperfinos sehan usado ampliamente en la resolución de estructurasde metaloproteínas12,16,17 (Figura 7). Alrededor de 40estructuras de otras tantas proteínas que se encuentrandepositadas en el Protein Data Bankb se han resueltomediante RMN y aprovechando la información estruc-tural que proporcionan los iones paramagnéticos.

Orientación. En disolución las moléculas rotan libre-mente y la anisotropía de los parámetros de RMN sesuele promediar. Sin embargo, si las moléculas quedanparcialmente "atrapadas" en medios intrínsecamenteanisotrópicos, con orientación preferente, los paráme-tros de RMN variarán en función de la orientación de losnúcleos respecto al campo magnético. Queda fuera deeste capítulo discutir estos efectos y la informaciónestructural que de ellos se extraenc. Sólo comentare-mos aquí que, de entre las diferentes formas existentesde orientar moléculas (bicapas lipídicas, fagos, frag-mentos de membrana púrpura), los iones paramagnéti-cos proporcionan a la molécula una susceptibilidadmagnética suficientemente grande como para produciresta ordenación18,19. En este sistema orientado, losparámetros de RMN variarán en función de la disposi-ción de los núcleos respecto al tensor de anisotropíamagnética del sistema, derivada fundamentalmente dela anisotropía magnética electrónica del ion paramag-nético. En consecuencia, la cuantificación de estosefectos permite orientar los núcleos respecto al tensorde anisotropía magnética y, posteriormente, refinar laestructura molecular del compuesto15.

Iones lantánidos. Los efectos hasta aquí comentadosse aplican por igual a cualquier ion metálico. Noobstante, dedicaremos un párrafo exclusivamente a losiones lantánidos (en estado de oxidación +3) por variosmotivos. En primer lugar, el paramagnetismo de estos

iones proviene del acoplamiento spin-órbita (J) y nosólo de los electrones desapareados (S), como suelesuceder en los iones metálicos de la serie d. Por estemotivo el efecto paramagnético que originan estosiones (relajación, desplazamiento hiperfino y, sobretodo, elevado grado de anisotropía) es, en general,mucho mayor que el producido por otros iones metáli-cos20,21. Por otro lado, en algunos de estos iones, y apesar de este gran efecto paramagnético, la relajaciónelectrónica es muy rápida, lo que permite la obser-vación de las señales. Por último, existe una graduacióndesde el La(III), diamagnético, al Lu(III) de laspropiedades paramagnéticas en función de J que per-mite modificar el rango de alcance que afecta a losdiferentes núcleos para un mismo sistema22. En sis-temas en los que se pueden sustituir el ion metáliconativo por iones lantánidos (como las proteínas de cal-cio) ésta es una herramienta muy potente para obtenerinformación estructural. De hecho, en el último lustro seha incrementado de forma exponencial el número deestudios por RMN de sistemas que contienen iones lan-tánidos (generalmente introducidos por sustituciónmetálica)11.

También hay efectos saludables

Hoy en día, una de las aplicaciones de la RMN en plenafase de desarrollo es la médicad. Efectivamente, laRMN posee un valor extraordinario como herramientade diagnóstico de muy diversas enfermedades y para lalocalización de tejidos anómalos (tumores) o derramescerebrales. Las Imágenes por Resonancia Magnética(MRI) no son más que el mapeo, en tres dimensiones,de un parámetro concreto de RMN (intensidad de laseñal, tiempos de relajación u otro) de las moléculas deagua existentes en los tejidos de estudio23. En MRI elcampo magnético se modifica de forma controlada paracada coordenada espacial, x, y, z, de forma que sepuede identificar cada valor del parámetro con la posi-ción espacial. Cada rango de estos parámetros se co-

b http://www.rcsb.org/pdb/c Un excelente artículo de O. Millet sobre este tema puede encontrarse en el número 2 de este año de esta revista.d En 2003, los profesores P. C. Lauterbur y P. Mansfield fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina "for their discoveriesconcerning magnetic resonance imaging".

Figura 7. Estructura tridimensional de la ferredoxina 2[Fe4S4]

de Clostridium pasteurianum16. En la resolución de estaestructura se utilizaron los tiempos de relajación como restric-ciones del metal.

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difica posteriormente en diversas intensidades o tonali-dades. De esta forma se obtiene la imagen24. Los tiem-pos de relajación (T1 o T2) son los parámetros más uti-lizados. En estas imágenes (Figura 8) se muestra cómovaría el T2 (o, en su caso el T1) de las moléculas deagua en una sección transversal de un tejido u órgano.

Una forma muy eficiente de aumentar la sensibilidad dela técnica es el uso de sustancias que incrementen sig-nificativamente los tiempos de relajación, es decir, sus-tancias paramagnéticas. Para ello se deben diseñarcomplejos inocuos que, por una parte, se unan al tejidodeseado (dañino) y, por otra, posean un ion metálicocapaz de provocar una alta relajación nuclear. El ionGd(III), con 7 electrones desapareados, tiene una rela-jación electrónica muy ineficiente, por lo que produceensanchamientos de señales enormes (ver Tabla 1).Típicamente son complejos de este ion los utilizadoscomo agente de contraste en MRI para obtener imá-genes muy nítidas.

Conclusiones

Los electrones desapareados ensanchan las señalesde RMN hasta su no observación. Este efecto, en prin-cipio altamente negativo para la aplicación de la RMNen estos sistemas, se ha aprovechado, sin embargo,para obtener información electrónica, estructural y fun-cional de macromoléculas biológicas. En este sentido,los iones lantánidos son los más utilizados en los últi-mos tiempos. El efecto en la relajación de estas sustan-cias es también extensamente utilizado en MRI.

Referencias:

1. Bloembergen, N.; Purcell, E. M.; Pound, R. V. Phys. Rev. 1948, 73, 679−712.

2. Ernst, R. R.; Bodenhausen, G.; Wokaun, A. Principlesof Nuclear Magnetic Resonance in one and two

dimensions; Oxford University Press: London,1987.

3. La Mar, G. N.; Horrocks, J., W.D., Eds. NMR ofParamagnetic Molecules; Academic Press: NewYork, 1973.

4. Bertini, I.; Luchinat, C. NMR of paramagnetic subs-tances; 1 ed.; Coord. Chem. Rev. 150, Elsevier:Amsterdam, 1996.

5. La Mar, G. N.; de Ropp, J. S. In Biological Magnetic Resonance; Berliner, L. J., Reuben, J., Eds.;Plenum Press: New York, 1993; Vol. 12, pp 1−78.

6. Bertini, I.; Turano, P.; Vila, A. J. Chem.Rev. 1993, 93,2833−2932.

7. Kowalsky, A. Biochemistry 1965, 4, 2382−2388.8. Santos, H.; Turner, D. L.; Xavier, A. V.; LeGall, J. J.

Magn. Reson. 1984, 59, 177−180.9. Donaire, A.; Jimenez, B.; Fernandez, C. O.; Pierattelli,

R.; Niizeki, T.; Moratal, J. M.; Hall, J. F.; Kohzuma,T.; Hasnain, S. S.; Vila, A. J. J. Am. Chem. Soc.2002, 124, 13698−13708.

10. Donaire, A.; Jiménez, B.; Moratal, J. M.; Hall, J. F.; Hasnain, S. S. Biochemistry 2001, 40, 837−846.

11. Bertini, I.; Luchinat, C.; Piccioli, M. Methods Enzymol 2001, 339, 314−340.

12. Wang, P. L.; Donaire, A.; Zhou, Z. H.; Adams, M. W. M.; La Mar, G. N. Biochemistry 1996, 32, 11319−11328.

13. Bertini, I.; Donaire, A.; Luchinat, C.; Rosato, A. Proteins 1997, 29, 348−358.

14. Gochin, M.; Roder, H. Protein Sci. 1995, 4, 296−305.15. Bertini, I.; Donaire, A.; Jiménez, B.; Luchinat, C.;

Parigi, G.; Piccioli, M.; Poggi, L. J Biomol NMR2001, 21, 85−98.

16. Bertini, I.; Donaire, A.; Feinberg, B. A.; Luchinat, C.; Piccioli, M.; Yuan, H. Eur.J.Biochem. 1995, 232,192−205.

17. Bertini, I.; Couture, M. M.; Donaire, A.; Eltis, L. D.; Felli, I. C.; Luchinat, C.; Piccioli, M.; Rosato, A. EurJ Biochem 1996, 241, 440−452.

18. Tolman, J. R.; Flanagan, J. M.; Kennedy, M. A.; Prestegard, J. H. Proc Natl Acad Sci U S A 1995,92, 9279−9283.

19. Contreras, M. A.; Ubach, J.; Millet, O.; Rizo, J.; Pons,M. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 8947−8948.

20. Bleaney, B.; Dobson, C. M.; Levine, B. A.; Martin, R. B.; Williams, R. J. P.; Xavier, A. V. J. Chem. Soc.,Chem. Commun. 1972, 791.

21. Bleaney, B. J.Magn.Reson. 1972, 8, 91−100.22. Allegrozzi, M.; Bertini, I.; Janik, M. B.; Lee, Y. M.;

Liu, G.; Luchinat, C. J.Am.Chem.Soc. 2000, 122,4154−4161.

23. Lauterbur, P. C. Nature 1973, 242, 190−191.24. Graaf, R. A. In Vivo NMR Spectroscopy: Principles

and Techniques; John Wiley and Sons: New York, 1998

Figura 8. Imagen de Resonancia Magnética obtenida a partirde valores de T2. Para obtener la misma, se ha utilizadoGd(III) como agente de contraste.



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resonancia magnética nuclear en sistemas … · sabe que las sustancias paramagnéticas producen...

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