Résonance magnétique

La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son application la plus connue l'imagerie par résonance magnétique (IRM) , est une technique d’analyse chimique et structurale non destructive très utilisée en physique (études de matériaux), chimie ou biochimie (structure de molécules) et pour l'imagerie médicale. C'est une technique de spectroscopie appliquable aux particules ou ensembles de particules qui ont un spin nucléaire non nul.

Les physicens Bloch et Purcell reçurent le premier prix nobel de physique en 1953 (trois prix nobel sont actuellement attribués à cette découverte) pour leurs applications spectromètriques et d'imagerie. Ultérieurement ces mêmes techniques (1970) de spectromètrie RMN (spectroscopie RMN) ont été appliqué à l'imagerie médicale (zeugmatographie ) grace au développement de l'informatique et la rapidité de calcul des array processeurs (processeurs vectoriels) et l'utilisation de la transformée de Fourier rapide (FFT) (en cours de rédaction)

Dans le phénomène de résonance magnétique nucléaire, un noyau atomique absorbe le rayonnement électromagnétique à une fréquence spécifique, caractéristique du noyau considéré, en présence d'un fort champ magnétique. Isidor Isaac Rabi a découvert ce phénomène en 1938. La résonance magnétique a été, par la suite, appliquée à la détection des atomes légers tel que l'hydrogène.

Ses applications concernent la physique, la chimie et l'imagerie médicale.

Sommaire 1 Principe 1.1 Modélisation physique de la résonance magnétique nucléaire 1.1.1 L'excitation par les champs magnétiques 1.1.1.1 Le modèle classique 1.1.1.2 Le modèle quantique 1.1.2 Les phénomènes de relaxation 1.1.2.1 La relaxation longitudinale ou T1 1.1.2.2 La relaxation transversale ou T2 2 Historique 3 Utilisations 3.1 La RMN en chimie organique 3.2 La RMN impulsionnelle 3.3 La RMN en imagerie médicale et biophysique 3.4 La RMN en informatique quantique 3.5 La RMN en biologie structurale 3.5.1 RMN homonucléaire sans marquage isotopique 3.5.2 RMN hétéronucléaire avec marquage isotopique 4 Références 5 Voir aussi 5.1 Liens internes 6 Liens externes

Principe

La RMN exploite une propriété particulière des particules quantiques qu'on appelle le spin. Toute particule possède un spin dont l'effet est similaire à celui d'un moment magnétique (i.e. une sorte de petit aimant). Il en résulte qu'un champ magnétique extérieur peut interagir avec le moment magnétique de spin, un peu comme le champ magnétique terrestre fait tourner l'aiguille d'une boussole.

Le spin du noyau d'un atome ou spin nucléaire dépend de son nombre de protons et de neutrons : les atomes dont les noyaux sont composés d'un nombre pair de protons et de neutrons possèdent un spin nul. Ainsi, les atomes de carbone (qui possède 6 protons + 6 neutrons sous sa forme isotopique la plus stable, dite carbone 12) et d'oxygène 16 (8 protons et 8 neutrons) sont très répandus mais leur spin nucléaire est nul. En revanche, d'autres noyaux ont un spin nucléaire différent de zéro, on va donc pouvoir interagir avec eux en RMN. Par exemple, le noyau de l'hydrogène n'est composé que d'un seul proton, le moment magnétique nucléaire de l'hydrogène est donc celui du proton isolé, à savoir s = 1 / 2. Or comme l'hydrogène est un élément très répandu, la résonance magnétique de l'hydrogène (dite aussi RMN du proton) est la plus utilisée mais on exploite aussi couramment la RMN du carbone 13 ou le deutérium (²H). Il est en particulier important de faire remarquer que l'adjectif nucléaire employé ici n'a aucun rapport avec les phénomènes de radioactivité, mais fait juste référence au noyau atomique.

La physique quantique nous apprend qu'un moment magnétique de spin 1/2 placé dans un champ magnétique extérieur possède deux niveaux d'énergie possible. La RMN consiste à modifier le moment magnétique nucléaire, autrement dit à faire passer le noyau d'un niveau d'énergie à un autre, en appliquant des champs magnétiques à l'échantillon qu'on veut étudier. Lorsque l'énergie des photons qui constituent ces champs magnétiques correspond à l'énergie de transition d'un niveau d'énergie à l'autre, ces photons peuvent être absorbés par le noyau : il y a alors résonance. De façon imagée, on peut se représenter la résonance comme si les photons faisaient « basculer » le spin du noyau d'une orientation à une autre.

Comme l'énergie des photons d'un champ électromagnétique est directement dépendante de la fréquence de ce champ, on peut caractériser l'énergie de transition du moment magnétique de spin nucléaire en donnant la fréquence de l'onde électromagnétique qui permet la résonance. On parle donc de fréquence de résonance. Pour les champs usuels (de l'ordre du tesla), la résonance du proton a lieu dans le domaine des ondes radio (100 MHz environ) : 42 MHz dans un champ de 1,0 T et 63 MHz dans un champ de 1,5 T.

La relation mathématique existant entre le champ magnétique imposé de norme B₀ et la fréquence de résonance (retournement de spin) ν₀ est très simple (voir ci-dessous pour la démonstration) :

où γ est le rapport gyromagnétique caractéristique de chaque noyau étudié.

Ainsi le tableau suivant donne les valeurs de γ pour les noyaux les plus courants

Noyau	Spin Net	γ(MHz/T)
1H	1/2	42,58
31P	1/2	17,25
14N	1	3,08
13C	1/2	10,71
19F	1/2	40,08

On voit ainsi que la fréquence de l'onde électromagnétique nécessaire pour la résonance du proton est environ 4 fois plus élevée que celle nécessaire pour la résonance du ¹³C.

La transition du spin vers son retour à l'équilibre (la relaxation) entraîne l'émission d'une onde électromagnétique qui peut être détectée par un capteur.

Modélisation physique de la résonance magnétique nucléaire

L'excitation par les champs magnétiques

Lorsqu'un proton est soumis à un champ magnétique externe tel que B₀, il aura tendance à s'orienter dans la direction de celui-ci ; mais, contrairement aux aimants à mémoire permanente, les protons ne vont pas tous s'orienter dans le même sens (nord-sud et sud-nord) en tournant autour de B₀ avec un certain angle de précession. Les deux populations ainsi formées vont se répartir de façon soit parallèle (dans le même sens que B₀) soit anti-parallèle (dans le sens contraire de B₀)^[1].

Le phénomène de résonance magnétique peut être abordé selon deux modèles :

• une approche macroscopique dite « géométrique » en mécanique classique ;
• une approche « énergétique » à l'échelle nucléaire en mécanique quantique.

Le modèle classique

En mécanique classique, la description du phénomène de résonance magnétique permet d'aborder les notions de « double » précession. Une notion utile pour comprendre le phénomène de « bascule » du vecteur d'aimantation macroscopique par les RF lors de la résonance.

En absence de champ magnétique externe, les protons d'un échantillon tissulaire sont orientés de façon aléatoire dans l'espace sachant que la somme des vecteurs d'aimantation élémentaire (de chaque proton) microscopique est nulle et il n'y a pas de vecteur d'aimantation macroscopique (M=0). Lorsqu'un champ magnétique externe d'intensité significative est appliqué, les protons s'orientent dans sa direction sans être réellement parfaitement alignés à celui-ci. En effet, les protons tournent individuellement autour de B₀ à une fréquence angulaire (c'est la précession) selon l'équation de Joseph Larmor, où ω₀ est la fréquence angulaire de Larmor ou fréquence angulaire de résonance proportionnelle à B₀ et γ est le rapport gyromagnétique (spécifique à chaque noyau) :

Chaque proton décrit un cône autour de B₀, comme le ferait une toupie de gravitation terrestre (En réalité le proton décrit un double cône dont les sommets se rejoignent en son centre de gravité) selon leur sens parallèle (basse énergie) ou anti-parallèle (haute énergie).

La répartition des protons parallèles et anti-parallèles est à peu près équivalente. Cependant, il y a un peu plus de protons parallèles que de protons anti-parallèles, mais cette différence, si infime soit elle (pour un B₀ = 0,5 tesla et à environ 37 °C sur 1 000 002 de protons d'hydrogène il y a 500 002 protons parallèles), suffit largement à produire un signal RMN à l'échelle tissulaire qui sera l'origine de la formation d'une image. Plus l'intensité du champ magnétique principal est grande plus la différence entre protons parallèles et anti-parallèles est grande et donc plus la quantité de signal est élevé.

Les protons parallèles surnuméraires vont être à l'origine de la formation d'un vecteur d'aimantation macroscopique M. À l'état d'équilibre, celui-ci est aligné sur B₀ sans aimantation transversale mais précessant autour de cet axe (appelé par convention M_z) avec un angle donné. Ce phénomène de précession fait apparaitre une nouvelle composante longitudinale M_z (aimantation longitudinale) ; à l'équilibre cette aimantation est appelée M_0z : Les précessions protoniques ne sont pas cohérentes ; pour un temps T donné et précis, les précessions sont dans différentes directions. On dit que les protons sont "déphasés" : il n'y a pas de composante transversale M_xy résultante. M_0z croît avec la concentration en protons par unité de volume (c'est la densité protonique) et avec la force du champ magnétique principal.

Il est impossible, à cette étape, de mesurer le vecteur d'aimantation macroscopique : celui-ci étant dans le même sens et la même direction que B₀, son signal est noyé dans celui du champ principal.
Pour pouvoir le mesurer, il va falloir trouver un moyen de le discriminer du champ magnétique principal, en le basculant dans le plan xOy par un deuxième champ magnétique dit "tournant" : B₁ ou onde de radiofréquence (RF).

Le champ électro-magnétique B₁ est appliqué dans le plan xOy selon l'axe Ox. Pour qu'il y ait transfert d'énergie à ce système en état d'équilibre il faut que la fréquence de rotation ω_r des ondes de radiofréquence soit synchrone à la fréquence de Larmor spécifique des protons dans le champ donné B₀ : on dit alors que les deux systèmes sont en résonance (ω₀ = ω_r).

Lors de l'application du second champ magnétique le vecteur macroscopique M continue de précesser autour de B_o à la fréquence angulaire ω₀.
Il se met également à précesser autour de B₁ à la fréquence angulaire ω₁.

A ce moment, il y a donc trois fréquences angulaires qui s'appliquent sur les protons :

• ω_r, fréquence angulaire de rotation des ondes de radiofréquence.
• ω₀, fréquence angulaire de précession autour du champ magnétique principal.
• ω₁, fréquence angulaire de précession autour du champ magnétique tournant.

Rappelons aussi qu'à ce moment (ω₀ = ω_r) sinon il n'y a pas résonance.

En imagerie, le champ magnétique tournant (ou onde de radiofréquence) est appliqué pendant un temps très court de l'ordre de quelques millisecondes (ms) de telle sorte que M bascule d'un angle de 90° ou 180°. Pour mieux représenter cette réalité, on ne parle plus de l'application d'un "champ électromagnétique tournant" mais plutôt "d'impulsion de radiofréquence" ou encore "d'impulsion d'excitation" bien que cela ne change rien à la nature de B₁ et que l'on continue à parler de la même chose.

Selon l'angle de bascule de M provoqué par l'onde RF et par convention, on parlera d'impulsion de 90° ou impulsion à 180°.

Dans une impulsion à 90° :

• Avant l'impulsion : M est aligné sur Oz, M = M_0z.
• A l'impulsion : bascule de M autour de B₁ (donc M_z diminue et M_xy croît)
• Après l'impulsion : Le vecteur M est entièrement situé dans le plan xOy (à 90° de Oz selon Oy), sa longueur est égale à M_0z, on l'appelle alors M_{xy m} (m pour maximal).

Dans une impulsion à 180° :

• Avant l'impulsion : M est aligné sur Oz, M = M_0z.
• A l'impulsion : M bascule autour de B₁ (M_z diminue et s'inverse)
• Après l'impulsion : Le vecteur M est entièrement inversé aligné sur Oz. On l'appelle alors -M_0z.

La durée de l'impulsion est directement proportionnelle à l'angle de bascule de M, ainsi on sait que T/4 pour une impulsion à 90° et T/2 pour une impulsion à 180° ou T est la période de l'impulsion (une période T correspond au temps nécessaire à l'onde RF pour effectuer une bascule de 360° de M). Il faut donc deux fois plus de temps pour une impulsion à 180° que pour une impulsion à 90°.

Dès la fin de l'excitation, le vecteur M va retourner à l'état d'équilibre, tout en précessant autour de B₀, avec diminution rapide de la composante transversale M_xy : C'est ce que l'on nomme les phénomène de relaxation. On parlera séparément de relaxation transversale et de relaxation longitudinale qui correspondent aux deux types d'aimantation tissulaire M_z et M_xy qui sont soumis à des mécanismes d'apparition et de disparition bien différents. Ceux-ci sont expliqués par le modèle quantique.

Le modèle quantique

Le modèle quantique permet une autre approche des mécanismes de la RMN qui est indispensable à la compréhension des phénomènes de relaxation.

Les protons soumis à un champ magnétique externe ne peuvent présenter que deux orientations de spin : la parallèle et l'anti-parallèle. Par convention, on dit que le proton à un spin 1/2.

Comme énoncé brièvement plus haut, les deux conformations parallèle et anti-parallèle correspondent à deux niveaux d'énergie :

• Le proton parallèle (basse énergie) possède une énergie de
• Le proton anti-parallèle (haute énergie) possède une énergie de

(où h est la constante de Planck)

L'énergie du proton parallèle est moins élevée que celle du proton anti-parallèle. La différence énergétique Δ_E = E₁ − E₂ est proportionnelle à B₀ Elle est trois fois plus élevée dans un champ de 1,5 Tesla que dans un champ de 0,5 Tesla.

Cette différence énergétique est mise à profit en IRM. Comme nous l'avons vu précédemment, le vecteur d'aimantation ne pouvait être récupéré car dans les mêmes sens et direction que le champ magnétique principal B₀. Il fallait utiliser un champ magnétique tournant pour basculer ce vecteur et le rendre détectable. Nous tenterons ci-dessous de comprendre par quels phénomènes cette "bascule" à lieu.

Il est possible d'induire des transitions du niveau E₁ au niveau E₂ (et donc de modifier l'orientation de M) en induisant une onde de radiofréquence qui fournira une quantité énergétique exactement égale à Δ_E
Cette quantité d'énergie E est directement proportionnelle à la fréquence des RFs, donc pour que E = Δ_E il faut bien que V_r=V₀ ou que ω_r = ω₀.

Les ondes de radiofréquence sont appliquées sous forme d'impulsions, c'est donc pendant ces courts laps de temps que vont se produire les transitions de protons du niveau de basse énergie E₁ vers un niveau de haute énergie E₂ (les protons parallèles s'orientent alors en anti-parallèles).
Lorsque la moitié des protons surnuméraires est passé en anti-parallèle, il y a égalisation des populations de haute et de basse énergie : c'est ce qu'il se produit lors d'une impulsion à 90° (voir chapitre ci-dessus). en revanche lors d'une impulsion à 180°, c'est la totalité des protons surnuméraires qui passent en anti-parallèle il y a donc inversion des populations. Lors de cette opération on observe donc la formation et la modification de la composante longitudinale de M (M_z), mais ceci n'explique pas l'apparition de la composante transversale de M.

Lors des chapitres précédents, il a été remarqué que les spins des protons soumis à un champ magnétique étaient déphasés, c'est-à-dire qu'ils se mouvaient de manière anarchiques. Cependant lorsque les protons changent d'orientation, sous l'impulsion des ondes de radiofréquence, il y a mise en phase des uns par rapport aux autres. Ce phénomène entraîne l'apparition macroscopique d'une composante transversale de M (M_xy).

Les phénomènes de relaxation

Dès la fin de l'excitation, il va y avoir un retour à l'état d'équilibre.

D'une part par une réapparition (repousse) progressive de l'aimantation longitudinale M_z (relaxation T1) et par une disparition rapide de l'aimantation transversale M_xy (relaxation T2). C'est par la relaxation des protons que le phénomène de résonance magnétique nucléaire devient détectable.

Soit :

• M_z correspond à la transition des protons entre niveau énergétique E₁ vers E₂ et inversement.
• M_xy correspond à la mise en phase et au déphasage des spins.

La relaxation longitudinale ou T1

La relaxation se fait exponentiellement. Si M₀ est la valeur à l'équilibre de l'aimantation longitudinale et supposons que l'aimantation initiale est nulle (après une impulsion électromagnétique de pi/2), on peut écrire:

M(t)=M₀ [1-exp(-t/T1)]

On voit qu'après un temps suffisamment grand, le moment retourne à sa valeur d'équilibre.

La relaxation transversale ou T2

Historique

• En 1938, Isidor Isaac Rabi découvre le phénomène de résonance magnétique sur des jets moléculaires.
• En 1946, Felix Bloch et Edward Mills Purcell précisent la notion de fréquence de résonance.
• C'est sous le terme de zeugmatomographie (zeugma étant un terme grec signifiant « union ») qu'est apparue son application en imagerie, créée en 1973 par Paul Lauterbur, prix Nobel de physiologie et de médecine en 2003 pour cette invention.

Utilisations

Le caractère non destructif de cette technique analytique a conduit à divers développements de cette méthode qui est désormais employée en médecine pour étudier le corps humain (IRM), ou en chimie organique pour réaliser des analyses structurales.

C'est un outil de biophysique très utilisé en génomique structurale pour obtenir une 'image' en 3D des molécules du vivant.

La RMN en chimie organique

La RMN est l'outil d'analyse actuellement le plus utilisé en chimie organique. Elle permet d'obtenir des informations qualitatives ou quantitatives sur l'échantillon analysé, suivant la technique employée. Les noyaux les plus souvent étudiés sont le ¹H, le ¹³C, le ¹⁷O, le ³¹P et le ¹⁹F qui présentent, pour la plupart, un spin nucléaire non nul égal à 1/2. Le ¹⁴N quant à lui présente un spin nucléaire égal à 1 tandis que celui de l'oxygène est de 5/2.

L'échantillon à analyser est mis en solution dans un solvant deutéré (voir ²D, un isotope de l'¹H présentant un spin nucléaire égal à un). Ce solvant, généralement du chloroforme deutéré, (CDCl₃) est normalement invisible en RMN du proton, puisque le deutérium a une fréquence de résonance bien différente de celle de l'hydrogène (le rapport gyromagnétique vaut 6,54 MHz/T dans le cas du Deutérium).

Considérons la RMN du ¹H : l'environnement chimique des atomes d'hydrogène qui sont reliés chimiquement aux molécules de l'échantillon influent sur la fréquence de résonance de ceux-ci ; ainsi, l'hydrogène d'un groupement alcool (-OH) aura une fréquence de résonance ν1 supérieure à celle de l'hydrogène d'un groupement carboxyle (-COOH) ν2. Comme la différence entre ces deux fréquences est de quelques Herz, les chimistes ont défini une autre grandeur : le déplacement chimique (chemical shift), et se réfèrent à une fréquence de retournement de spin étalon, celle du tétraméthylsilane (TMS), que l'on introduit dans l'échantillon.

La relation entre la fréquence de résonance de l'échantillon ν1 et le déplacement chimique correspondant δ1 est donnée par le calcul suivant :

δ₁ = 1000000 * (ν₁ − νTMS) / νappareil

Dans les cas cités, le déplacement chimique vaut environ 4 pour RO-H, et 11 pour R-COO-H.

La RMN du ¹H peut être relativement rapide (ordre d'idée : 2 min) et permet une analyse quantitative aisée. Grâce à l'interprétation de la nature des massifs obtenus (multiplets) et à la connaissance empirique des déplacements chimiques des protons présents dans chaque groupement fonctionnel, il est possible de déterminer la structure développée de toutes les molécules organiques par application d'un raisonnement logique simple.

La RMN du ¹³C permet de retrouver tous les carbones de la molécule grâce, là aussi, à la connaissance empirique des déplacements chimiques des carbones faisant partie de divers groupements fonctionnels. Les appareils récents permettent d'obtenir rapidement les spectres RMN ¹H et ¹³C, ceux-ci avec ou sans découplage du proton.

La RMN impulsionnelle

Les premières méthodes utilisées étaient soit de garder le champ magnétique constant et de balayer les fréquences, soit de garder la fréquence constante et de balayer le champ magnétique. Ces méthodes étaient longues car nécessitaient le relevé d'un grand nombre de mesures. La RMN impulsionnelle permet de gagner énormément de temps. Une impulsion électromagnétique extrêmement brève et intense est envoyé sur l'échantillon. Or plus une impulsion est brève, plus son spectre est large. Ce sont donc tous les noyaux qui vont être stimulés en même temps. Il suffit donc de récupérer le signal réémis par l'échantillon et de le décomposer en fonction simple grâce à des séries de Fourrier. De cette manière, on extrait le spectre RMN après un traitement mathématique mais en n'ayant fait qu'une mesure.

Cette méthode est souvent schématisée par une analogie avec un diapason de musicien: pour trouver la fréquence de résonance du diapason (la note de musique pour laquelle il sert de référence, le plus commun étant le La 440 á 440Hz), on a deux choix:

• jouer une large gamme de notes sur un instrument de musique et observer laquelle fait résonner le diapason (balayage de fréquences), ou
• frapper le diapason contre une surface dure - ce qui est l'analogie avec l'impulsion tres breve et énergétique - et écouter quelle(s) note(s) on obtient.

La RMN impulsionnelle correspond á cette deuxième méthode.

La RMN en imagerie médicale et biophysique

L'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) est une technique d'imagerie médicale permettant d'avoir une vue 2D ou 3D d'une partie du corps. Cette technique est très utile pour l'observation du cerveau. Grâce aux différentes séquences (séquence IRM), on peut observer différents tissus avec des contrastes très élevés car la résolution en contraste est nettement meilleure que celle du scanner.

Voir l'article imagerie par résonance magnétique

La RMN en informatique quantique

La RMN en biologie structurale

À côté de la radiocristallographie, la RMN est devenue une méthode d'étude des macromolécules biologiques en solution. Elle ne nécessite pas l'obtention de monocristaux et permet d'étudier des protéines, des acides nucléiques à des concentrations millimolaires. Les techniques de RMN multidimensionnelles conduisent à corréler les fréquences de plusieurs spins et de résoudre les ambiguïtés liées aux superpositions spectrales. Des protéines de masse moléculaire de 10 à 30 kDa peuvent être analysées ainsi que des oligonucléotides de plusieurs dizaines de paires de bases.

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RMN homonucléaire sans marquage isotopique

Historiquement, les protéines ont été étudiées par la RMN du proton (isotope ¹H) présent en abondance.

Une première étape consiste à attribuer les résonances, c'est-à-dire à établir une corrélation entre les signaux du spectre et les atomes d'hydrogène de la molécule. Deux expériences clefs sont utilisées, l'expérience de corrélation par les couplages scalaires (HOHAHA ou TOCSY) et l'expérience de corrélation à travers l'espace par effet Overhauser (NOESY). Cette attribution est dite séquentielle, car elle opère par positionnement relatif d'un noyau par rapport à ses voisins en utilisant l'information de la séquence peptidique. Ce processus d'attribution (semblable à un puzzle) devient de plus en plus complexe à mesure que la taille de la protéine augmente; de plus, l'effet Overhauser se transmet à travers l'espace et ne permet pas de distinguer des noyaux proches dans la séquence peptidique et ceux proches dans l'espace. Des erreurs sont donc possibles qui ne se détectent qu'à la fin du processus, lorsque certaines pièces du puzzle restent sur le tapis.

Une fois les spectres attribués, les informations sont alors utilisées de manière quantitative: les couplages scalaires renseignent sur les angles dièdres et les effets Overhauser sur des distances interatomiques (jusqu'à 4-6 Angstroms). Ces informations sont introduites dans des programmes de modélisation moléculaire pour rechercher une ou plusieurs conformations de la molécule compatibles avec les données. La stratégie est comparable à celle du géomètre qui mesure des distances et des angles entre bâtiments et recalcule un plan de ville. Sauf que la portée des distances mesurées en RMN est faible par rapport aux objets évalués; l'accumulation des erreurs expérimentales et/ou le faible nombre de données conduit à des structures localement mal définies.

Deux difficultés limitent la taille des macromolécules étudiables: la complexité des spectres et la largeur individuelle de chaque signal. Si la taille de la protéine double, le nombre de résonances dans le spectre va doubler sans que la dispersion (c'est-à-dire la largeur spectrale) n'augmente. Une solution consiste à recourir à un spectromètre RMN à plus haut champ… et donc beaucoup plus coûteux. Si la taille double, la masse moléculaire augmente et la protéine tourne plus lentement sur elle-même par mouvement diffusif. Cela conduit à des signaux plus larges, car la relaxation transversale devient plus performante. L'augmentation du champ magnétique est sans effet… et il faut trouver une autre parade au problème (réduction de la viscosité, réduction du nombre de protons voisins…).

RMN hétéronucléaire avec marquage isotopique

Afin de résoudre les superpositions spectrales dans les grosses molécules, il s'avérait nécessaire de passer de la RMN 2D à la RMN 3D. Des essais peu fructueux ont été faits au début des années 1990 pour combiner les séquences HOHAHA et NOESY dans une expérience tridimensionnelle. Si on dispose d'une protéine entièrement enrichie en ¹⁵N et en ¹³C, on peut concevoir des expériences de corrélation entre spins, uniquement basées sur des couplages scalaires et permettant de relier tout le squelette peptidique ainsi que les chaînes latérales. Les isotopes naturellement abondants sont respectivement le ¹⁴N (noyau quadrupolaire) et le ¹²C (noyau invisible en RMN), mais la plupart des protéines étant obtenues par surexpression bactérienne, il est possible de faire des cultures sur des milieux enrichis isotopiquement.

Cette nouvelle stratégie fait appel à une série d'expériences 3D triple résonance: 3D car un spectre tridimensionnel est obtenu, triple résonance car les fréquences de trois noyaux différents sont détectées. Pour des raisons de sensibilité, toutes ces séquences partent du ¹H (noyau au rapport gyromagnétique élevé) et se terminent par la détection du même noyau. Dans l'expérience HNCO, on établit donc une corrélation entre le proton amide (^HN), son azote (N) et le carbonyle (CO) de l'acide aminé précédent. Les couplages scalaires utilisés pour les transferts de cohérence sont des couplages ¹J (à une liaison) et donc relativement importants (¹JNH = 90 Hz et ¹JNCO=15Hz). Cela assure donc une grande efficacité de transfert même dans le cas de protéines de masse élevées (largeur de raie). À noter que cette expérience HNCO permet de relier par couplage scalaire des acides aminés, ce que la stratégie homonucléaire ne permettait pas (absence de couplage scalaire 3J à travers la liaison peptidique)

Références

Voir aussi

Liens internes

Liens externes

• (fr) Abréviations et Acronymes utilisés en RMN
• (fr) Groupement français d'étude de la résonance magnétique (GERM)
• (fr) cours en ligne
• (fr) Explications sur l'étude des spectres RMN
• (fr) Spectroscopies de résonance magnétique nucléaire du proton
• (en) CARA Computer Aided Resonance Assigment, logiciel libre.
• (en) http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm

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