揭開物質(zhì)的結(jié)構(gòu)奧秘

第二次世界大戰(zhàn)接近尾聲的時候，伯羅奇和普塞爾領(lǐng)導(dǎo)的兩個小組實現(xiàn)了凝聚態(tài)物質(zhì)中的核磁共振實驗，因而獲得了1952年諾貝爾物理獎。核磁共振譜可以為化學(xué)家提供諸如磁性核的類型、化學(xué)環(huán)境、相對數(shù)量、核間相對距離等一系列結(jié)構(gòu)信息。在有機化學(xué)、藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究中，獲得了廣泛的應(yīng)用。比如很多國家認定新藥開發(fā)時，若缺少了核磁共振數(shù)據(jù)，則不予批準(zhǔn)。五十多年核磁共振已由一個原理實驗的完成逐步成為化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)諸多實驗室中必不可缺的裝置。

眾所周知，物質(zhì)是由分子組成，分子由原子組成，而原子又由原子核及繞核運轉(zhuǎn)的電子組成的。原子核有自旋現(xiàn)象，其能量是量子化的，可用一個自旋量子數(shù)I描述。凡自旋量子數(shù)不為零的原子核都有磁距。一些核，如¹H、¹³C、³¹P、¹⁹F、¹⁵N等其I＝1／2，可近似地看成是電荷均勻分布的球體。這些核都是核磁共振研究的主要對象。以氫原子核，即質(zhì)子為例，一個質(zhì)子是一個帶正電荷的自旋單體，因此順著它的自旋軸就產(chǎn)生了一個微小的磁場。假如把這個原子核放在一個外加的磁場內(nèi)，它將以兩種方式排列起來，一種是與外加磁場平行的，另一種是反平行的。這兩種排列能量相差很小。當(dāng)接受一定頻率的無線電渡時，平行排列的原子核就吸收能量變?yōu)榉雌叫械?，即發(fā)生了所謂的“共振”，這時人們就可以從儀表上測出從振動器流出的電流，這種現(xiàn)象由于是原子核吸收能量所引起的，所以稱之為核磁共振。

如同其他光譜，核磁共振方法早期采用每一時刻只觀測物質(zhì)對一個頻率的響應(yīng)的方法。這種方法實驗上容易實現(xiàn)，但其效率是很低的，尤其對靈敏度很低的核磁共振來講更是致命的。經(jīng)過多年的探索與研究，于20世紀(jì)60年代中期終于找到了一種同時觀測物質(zhì)對多個頻率的響應(yīng)，再用稱作傅立葉變換的運算，可以獲得通常的波譜。這種叫做脈沖傅立葉變換核磁共振方法的崛起，是一次革命性的飛躍。它可以同時檢測所有頻率的吸收情況，因此大大節(jié)省了時間。將其用于多次累加，將靈敏度提高了1～2個數(shù)量級。

核磁共振在中小分子應(yīng)用中的極大成功，又促使人們將目標(biāo)指向更復(fù)雜的體系。但當(dāng)用于核酸、蛋白質(zhì)、多糖等生物物質(zhì)時，遇到了譜線擁擠進而重疊、譜線變寬等問題。提高靜磁場的強度可以把譜拉伸開，如同擴大了房間面積，還可以提高檢測靈敏度。于是高場核磁共振取得了飛快的發(fā)展。與此同時人們注意到若檢測變量從一個（線）增加到兩個（平面）時，可以把譜舒坦展開。在20世紀(jì)70年代中期實現(xiàn)了這一想法，稱為二維核磁共振。瑞士的恩斯特由于脈沖傅立葉變換和二維核磁共振波譜發(fā)展中的突出貢獻獲1991年諾貝爾化學(xué)獎。

人們一直試圖探明物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。而對性能起決定作用的是物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代初，二維核磁共振波譜在小的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中取得了突破，成為求解溶液三維結(jié)構(gòu)的唯一方法。與求解物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)最有效的方法——X射線衍射方法相比，它避開了培養(yǎng)單晶這一難題，而且在更接近于生理環(huán)境的條件下測量和更容易研究活性分子之間的作用。但當(dāng)研究的分子較大時，由于譜線的重疊和譜線變寬愈加嚴(yán)重，無法求解。人們很自然地想到發(fā)展三維、四維等多維核磁共振了。

正在進行的人類基因組計劃和緊鑼密鼓聲中籌劃的后基因組計劃，將引起人類對生物認識的飛躍。其中闡明生物功能的承擔(dān)者——蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，是核心問題之一，尤其是生物大分子復(fù)合體、膜蛋白精細結(jié)構(gòu)的解析，更是一個富于挑戰(zhàn)性的難題。美、日等發(fā)達國家為迎接這一挑戰(zhàn)，投巨資組建核磁共振園區(qū)，建立蛋白質(zhì)典型結(jié)構(gòu)分類庫，我們希望生物核磁共振將揭開更加輝煌的一頁。