CD圓二色光譜的理論和實(shí)驗(yàn)

SeminarI

CD(圓二色)光譜的理論和實(shí)驗(yàn)

報(bào)告人：李冠娜導(dǎo)師：李燦研究員/院士

2008/05/27當(dāng)前1頁(yè)，總共34頁(yè)。報(bào)告內(nèi)容一、現(xiàn)象描述和基本理論

二、圓二色光譜儀工作原理三、圓二色譜的應(yīng)用實(shí)例四、總結(jié)當(dāng)前2頁(yè)，總共34頁(yè)。光的振動(dòng)面不隨時(shí)間變化光波的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)在空間的軌跡在平面上的投影為圓形振幅相等、位相差1/4波長(zhǎng)的兩束線偏振光合成圓偏振光。振幅、頻率、相位相同，旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右旋圓偏振光合成一束平面偏振光線偏振與圓偏振光概念當(dāng)前3頁(yè)，總共34頁(yè)。園二色光譜示意圖Δ當(dāng)前4頁(yè)，總共34頁(yè)。θ振幅、頻率、相位相同，旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右旋圓偏振光合成一束平面偏振光通過(guò)手性物質(zhì)后電場(chǎng)矢量的振幅不同，合成橢圓偏振光。橢圓率橢圓率與圓二色吸收的關(guān)系摩爾橢圓率與摩爾吸收系數(shù)的關(guān)系園二色性（CD）Lambert-Beer定律當(dāng)前5頁(yè)，總共34頁(yè)。圓二色光譜儀結(jié)構(gòu)圖LSM0M1S1M2M3M4M5S2S3P1P2LFCDMSHPM趙南明，周夢(mèng)?！渡镂锢韺W(xué)》/products/cd當(dāng)前6頁(yè)，總共34頁(yè)。園二色譜的應(yīng)用圓二色光譜利用左旋、右旋偏振光（手性光）通過(guò)一定的物質(zhì)時(shí)所顯示的總的

旋光性的不同，而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。1．測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu)

通過(guò)圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊﹑蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，DNA/RNA反應(yīng)，酶動(dòng)力學(xué)，光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分析。圓二色光譜亦是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。

2．測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu)

圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。

3．測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用

測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。

當(dāng)前7頁(yè)，總共34頁(yè)。Ⅰ八區(qū)定律NinaBerova,LorenzoDiBari,GennaroPescitelliChem.Soc.Rev.,2007,36,914-931(a)C=O鍵的中心為原點(diǎn),用xy、xz、yz三個(gè)平面隔開,產(chǎn)生八個(gè)空間。(b)xy平面后方的四個(gè)空間稱后八區(qū),xy平面前方的四個(gè)空間稱為前八區(qū).一般化合物只考慮后八區(qū)。(c)位于正、負(fù)區(qū)的取代效應(yīng)可以相抵消。(d)取代基貢獻(xiàn)的大小隨著與生色團(tuán)的距離增加而減小,貢獻(xiàn)大小與取代基的性質(zhì)有關(guān)。XYZ當(dāng)前8頁(yè)，總共34頁(yè)。Ⅱ預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)(○)α-螺旋；(●)β-折疊；(Δ)β-轉(zhuǎn)角；(▼)P2(0.1mol/L醋酸溶液中的聚-L-脯氨酸)黃漢昌，姜招峰，朱宏吉《化學(xué)通報(bào)》，2007年70卷7期,501-506頁(yè)[θ]λ,α、[θ]λ,β、[θ]λ,γ分別為α螺旋、β折疊和無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)λ處的橢圓率值fα、fβ、fγ分別為α螺旋、β折疊和無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中所占重量百分比當(dāng)前9頁(yè)，總共34頁(yè)。Ⅲ發(fā)色團(tuán)的激發(fā)耦合N.BerovaandK.Nakanishi,CircularDichroism:PrinciplesandApplications,Wiley-VCH,NewYork,2nded.,2000ExcitonChirality:FundamentalsandFrontiers,Monatsh.Chem.,2005,136(3)當(dāng)前10頁(yè)，總共34頁(yè)。O.Mcconnell,A.Bach,C.Balibar,etal.,Chirality,2007,19,658

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a手性客體分子與含發(fā)色團(tuán)的非手性主體Ⅳ超分子體系誘導(dǎo)CD（ICD）當(dāng)前11頁(yè)，總共34頁(yè)。Ⅳ超分子體系誘導(dǎo)CD（ICD）b帶發(fā)色團(tuán)的非手性小分子鍵合手性生物高聚物主體中，如蛋白質(zhì)，多肽，寡核苷酸，低聚糖（環(huán)糊精）。c幾個(gè)客體分子同時(shí)結(jié)合在主體大分子的不同活性位。d不含發(fā)色團(tuán)的手性配體與在UV-vis區(qū)有d或f型躍遷的金屬離子絡(luò)合，產(chǎn)生ICD活性。S.Allenmark,Chirality,2003,15,409-422G.Ascoli,E.Domenici,C.Bertucci,Chirality,2006,18,667-679L.DiBari,G.PescitelliandP.Salvadori,Chem.–Eur.J.,2004,10,1205–1214

當(dāng)前12頁(yè)，總共34頁(yè)。Ⅴ停留技術(shù)&固態(tài)CD光譜PVA膜、α-Ni(H2O)6.SO4單晶的固態(tài)CD譜M.Kelly,etal.,Biochimica.Biophysica.,2005,1751,119-139R.Kuroda,etal.,Rev.Sci.Instrum.,2001,72,3802-3810亮氨酸拉鏈?zhǔn)蕉嚯脑贕dmCl中變形后再折疊過(guò)程在220nm處的停留CD曲線當(dāng)前13頁(yè)，總共34頁(yè)。ⅥCD光譜的理論模擬尋找穩(wěn)定構(gòu)象（Mnote-Carlo,DFT)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)比較（NMR或其他）各構(gòu)型CD譜線（Rvs.λ)擬合光譜（線型，帶寬）平均譜圖（Boltzmann,exp.)J.STEPHENS,etal.,

CHIRALITY,2008,20,454–470當(dāng)前14頁(yè)，總共34頁(yè)?？偨Y(jié)CD技術(shù)是檢測(cè)手性光活性的較成熟的幾種方法之一，在過(guò)去的幾十年中，CD光譜技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和分析方面取得了很大的進(jìn)展。現(xiàn)代CD光譜儀可以實(shí)現(xiàn)163-1100nm紫外可見和近紅外區(qū)的信號(hào)測(cè)量。目前已經(jīng)有研究組開展真空紫外區(qū)的儀器研發(fā)工作。CD光譜具有高靈敏度（△A/A～10-2，VCD△A/A～10-4，-6

)，需樣品量少（≦0.1mg（深紫外），1mg（近紫外-可見區(qū)），檢測(cè)時(shí)間短，對(duì)樣品無(wú)破壞。主-客體復(fù)合物在UV-vis區(qū)展現(xiàn)的強(qiáng)吸收和熒光性質(zhì)對(duì)研究體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常有價(jià)值。CD光譜存在分辨率低，特定發(fā)色團(tuán)譜峰歸屬困難等問(wèn)題，需要借助激發(fā)態(tài)量化計(jì)算來(lái)進(jìn)行深入的解釋。CD光譜與旋光光譜，NMR，UV-vis，X-ray晶體衍射等方法結(jié)合，獲得更全面可靠的結(jié)果。當(dāng)前15頁(yè)，總共34頁(yè)。參考文獻(xiàn)J.Stephens,etal.,Chirality,2008,20,454–470M.Kelly,etal.,Biochimica.Biophysica.,2005,1751,119-139R.Kuroda,etal.,Rev.Sci.Instrum.,2001,72,3802-3810黃漢昌，姜招峰，朱宏吉《化學(xué)通報(bào)》，2007年70卷7期,501-506頁(yè)S.Allenmark,Chirality,2003,15,409-422G.Ascoli,E.Domenici,C.Bertucci,Chirality,2006,18,667-679L.DiBari,G.PescitelliandP.Salvadori,Chem.–Eur.J.,2004,10,1205–1214O.Mcconnell,A.Bach,C.Balibar,etal.,Chirality,2007,19,658

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682趙南明，周夢(mèng)?！渡镂锢韺W(xué)》N.BerovaandK.Nakanishi,CircularDichroism:PrinciplesandApplications,Wiley-VCH,NewYork,2nded.,2000ExcitonChirality:FundamentalsandFrontiers,Monatsh.Chem.,2005,136(3)G.Gottarelli,S.Lena,S.Masiero,etal.,Chirality,2008,20,471-485P.J.Stephens,D.M.McCann,F.J.Devlin,etal.,J.AM.CHEM.SOC.,2004,126,7514-7521當(dāng)前16頁(yè)，總共34頁(yè)。Thankyou!

當(dāng)前17頁(yè)，總共34頁(yè)?？偨Y(jié)CD與吸收光譜相比在結(jié)構(gòu)分析中的優(yōu)點(diǎn)（1）吸收譜均是正值，若同時(shí)存在多個(gè)吸收峰，其互相交疊，分析困難。（2）CD譜線可正可負(fù)，其極值與吸收譜一致。CD與X-ray和NMR方法比較（1）X-ray和NMR可以給出原子級(jí)別分辨的分子結(jié)構(gòu)信息，而CD是一種體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的低分辨技術(shù)。（2）CD測(cè)量所需樣品量很少≦0.1mg（深紫外）1mg（近紫外-可見區(qū)），對(duì)樣品沒有特殊要求，測(cè)量時(shí)間短，對(duì)樣品無(wú)破環(huán)。（3）CD可以在各種實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)前18頁(yè)，總共34頁(yè)。當(dāng)前19頁(yè)，總共34頁(yè)。當(dāng)前20頁(yè)，總共34頁(yè)。圓二色光譜的應(yīng)用Iα螺旋:

190nm(+)208nm,222nm(-)β折疊:

195nm(+)antiparallel:redshiftparallel:blueshift215-217nm(-)無(wú)規(guī)則卷曲:

bellow200nm(-)218nm(+)當(dāng)前21頁(yè)，總共34頁(yè)?；纠碚揈iEj當(dāng)前22頁(yè)，總共34頁(yè)。比橢圓率摩爾橢圓率平均殘基橢圓率當(dāng)前23頁(yè)，總共34頁(yè)。OR旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象是由于平面偏振光通過(guò)旋光性物質(zhì)時(shí)，組成平面偏振光的左旋圓偏光和右旋圓偏光在介質(zhì)中的傳播速度不同(即折射率不同nL≠nR)，使平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度造成。當(dāng)前24頁(yè)，總共34頁(yè)。TherearethreemethodsformeasuringtheCDofasampleI.Themoststraight-forwardistomeasuretheabsorptionforeachrotationoflightandsubtractdirectlythemeasurementforrightcircularlypolarizedlightfromthemeasurementforleftcircularlypolarizedlightThismethodispioneeredinacommercialinstrumentforelectronicCDbyOn-LineInstrumentSystems(Olis,Bogart,Georgia)...Thisdualbeamcollectionanddirectsubtractionmethodhastwoadvantagesinadditiontotheflatbaseline.First...CDsignalsaremeasuredcorrectly.Second,theinstrumentismeasuringabsorbancedirectly,sothereisnoconstantofproportionalitytocalibrate.II.tomeasuretheellipticityimpartedonlinearlypolarizedlightthatpassesthroughthesample.Thismethodislimitedbythequalityofthelinearlypolarizedlightandthemechanicsofmeasuringthesmallperpendicularcomponentoftheellipticallypolarizedlight.III.Thethirdmethodistomodulatethelightbetweenthetworotations,andmeasurethedifferenceateachwavelength.Thismethodiswellsuitedtoanalogelectronics,andisthemethodusedbymostcommercialinstrumentation.當(dāng)前25頁(yè)，總共34頁(yè)。CDStopped-FlowThedataaboverepresentsthefollowingconditions:12secondacquisitiontime,onesingleCDstoppedflowshot,gluconolactonevs.NaOH,11:1mix,<5milliseconddeadtime,<300μlsolutiontotal,highvolts=267&235.當(dāng)前26頁(yè)，總共34頁(yè)。一、測(cè)定原理：

圓二色光譜儀（CD）是利用左旋、右旋偏振光（手性光）通過(guò)一定的物質(zhì)時(shí)所顯示的總的

旋光性的不同，而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。

在電磁輻射是偏振光的情況下，偏振光與某些基團(tuán)的共振和這些基團(tuán)的不對(duì)稱性有關(guān)，研究分子的這種不對(duì)稱性的主要技術(shù)是旋光光譜和二色性光譜。后者以圓二色光譜最為成熟。由于生物大分子在結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性，因此可以用旋光光譜和圓二色光譜來(lái)測(cè)定它們的立體結(jié)構(gòu)（見）。二、園二色譜儀的應(yīng)用：

1．測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu)

通過(guò)圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊﹑蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，DNA/RNA反應(yīng)，酶動(dòng)力學(xué)，光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分析。圓二色光譜亦

是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。

2．測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu)

圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。

3．測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用

測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。

當(dāng)前27頁(yè)，總共34頁(yè)。貢獻(xiàn)大小還與取代基的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)前28頁(yè)，總共34頁(yè)。八區(qū)定律O142O