Introducción a la Resonancia Magnética Nuclear o RMN (NMR)

Esta es una introducción general sobre espectroscopía por RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)

A continuación, enlazo una serie de artículos que se han ido confeccionando en función del grado de detalle con respecto a esta técnica espectroscópica. Me centro fundamentalmente en las bases físicas y sus aplicaciones para la caracterización estructural de complejos biológicos. 

  1. Theoretical introduction to NMR (en inglés), texto complementario a la introducción general de mi Tesis Doctoral.
  2. ¿Qué es la RMN? (Texto para alumnos de programas de Máster)
  3. Podcast de la entrevista a Marta Bruix en el programa “A Hombros de Gigantes” de RNE.
  4. ¿Qué peligros puede entrañar la Resonancia Magnética Nuclear?

¿Por qué la RMN?

Los procesos celulares de los organismos superiores se ven regulados por moléculas que actúan conjuntamente en forma de grandes complejos moleculares en los que las interacciones juegan un papel fundamental. El conjunto de estas redes de interacción se conoce como interactoma. A medida que el organismo se vuelve más complejo, el interactoma también lo hace y cualquier alteración del mismo puede desencadenar diversas patologías. Por ello, uno de los desafíos actuales en el área de la Biología y la Biomedicina es la caracterización de estos complejos a nivel atómico y energético y la descripción de su sincronización funcional. Este conocimiento puede ser de gran utilidad para el desarrollo de nuevos métodos diagnósticos o terapias específicas.

Estructura de la α-Sarcina, obtenida mediante RMN. Perez-Canadillas, J.M., Santoro, J., Campos-Olivas, R., Lacadena, J., Martinez del Pozo, A., Gavilanes, J.G., Rico, M., Bruix, M. SOLUTION STRUCTURE OF THE CYTOTOXIC RIBONUCLEASE ALPHA-SARCIN (2000) J.Mol.Biol. 299: 1061-1073

El estudio de los componentes individuales o asociados de estas redes de interacción (proteínas, DNA, RNA, lípidos, carbohidratos, metabolitos) puede llegar a ser muy complicado. La complejidad de cada una de estas moléculas impide por una parte una predicción teórica de su plegamiento a partir de la secuencia, y por otra la elucidación de las posibles interacciones en las que puede implicarse en un sistema vivo. Por ello, es imprescindible una aproximación experimental para el estudio de estas relaciones multicomponente.

A lo largo de los años, los paradigmas en el estudio de las interacciones entre biomoléculas han ido cambiando. Inicialmente se asumía el modelo de interacción entre cuerpos rígidos en el que el reconocimiento molecular depende de la geometría de los sitios de unión. Posteriormente, se introdujeron los posibles cambios conformacionales que deben permitir el establecimiento de interacciones. Más recientemente, han tomado protagonismo las interacciones que implican dominios y proteínas intrínsecamente desordenadas (IDDs e IPDs). La importancia de estos sistemas deriva de la elevada abundancia en organismos superiores, de su papel como reguladores y de su implicación en diversas enfermedades. Sin embargo, a diferencia de los sistemas globulares, sus estructuras, funciones y modos de asociación siguen siendo poco conocidos y representan una barrera a superar para el diseño óptimo de nuevos fármacos o nuevas terapias.

La RMN es una herramienta estructural muy potente y la única que permite el estudio de las interacciones moleculares en disolución con resolución atómica, especialmente las interacciones débiles que son las fisiológicamente más relevantes. Además, también conduce a la información estructural y dinámica de los complejos, permite hacer un análisis termodinámico y conocer las cinéticas de asociación y disociación en su estado nativo (a diferencia de la cristalografía). Es representativo de la condiciones in vivo y no es una técnica destructiva.

Los núcleos atómicos poseen una propiedad mecanocuántica denominada spin (I) y es característico para cada tipo de núcleo. Los valores I pueden ser 0, 1/2, 1,…,n. Si el valor I es distinto a cero, entonces tendrá una diferencia en la distribución de la carga y tendrán un momento magnético nuclear que interaccionará con el campo magnético (B0) al que se vea sometido(el 12C no da espectro RMN y el 14N da efecto cuadrupolar). El efecto RMN se produce cuando dicho núcleo se somete a B0 y se irradia con una radiofrecuencia (RF).

Los spines nucleares tienen una orientación determinada en equilibrio, al irradiarlos, salen de dicho estado, se desplazan del plano y se mide esta respuesta. Se interpreta la intensidad en función del tiempo (FID) aplicando métodos matemáticos como la transformada de Fourier (FT).

Para conseguir ese campo magnético tan potente, hace falta un aparataje sumamente complejo y caro de mantener. Dentro del aparato de RMN, una serie de imanes actuarán como superconductores y para ello hace falta que se encuentren próximos al cero absoluto (0 K o -273 ºC), de momento nos hemos acercado a esa temperatura empleando helio líquido, que alcanza una temperatura inferior a 4 K o unos 269 ºC bajo cero.

Obtención de la estructura

A través de las señales NOE (Nuclear Overhauser Effect): se trata de un fenómeno que se ocurre entre dos núcleos cuando están cercanos en el espacio a una distancia inferior a 5 Å aproximadamente. Esto da lugar a la obtención de datos estructurales al ser información de distancia ya que cuanto mayor sea el efecto obervado o dicho de otro modo, cuanto mayor sea la intensidad de la señal NOE, más cercanos se encontrarán los núcleos entre sí.

Los valores de estas distancias son de especial interés, ya que a través de programas informáticos se puede obtener una estructura. Es como decir “Pedro está a 1 m de Pablo, Pablo a su vez está a 2 m de José y José está a 3.5 m de Pedro” se esta forma podemos formar la estructura “triángulo” entre estas tres personas.

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