CD圆二色光谱的理论和实验

SeminarI

CD(圆二色)光谱的理论和实验(Yan)

报告人：李冠娜导师：李灿研究员/院士

2008/05/27第一页，共三十四页。报告(Gao)内容一、现象描述和基本理论

二、圆二色光谱仪工作原理三、圆二色谱的应用实例四、总结第二页，共三十四页。光的振动面不随时间变化光波的电场矢量端点在空间的轨迹在平面上的投影为圆形振幅(Fu)相等、位相差1/4波长的两束线偏振光合成圆偏振光。振幅、频率、相位相同，旋转方向相反的左、右旋圆偏振光合成一束平面偏振光线偏振与圆偏振光概念第三页，共三十四页。园二(Er)色光谱示意图Δ第四页，共三十四页。θ振幅、频率(Lv)、相位相同，旋转方向相反的左、右旋圆偏振光合成一束平面偏振光通过手性物质后电场矢量的振幅不同，合成椭圆偏振光。椭圆率椭圆率与圆二色吸收的关系摩尔椭圆率与摩尔吸收系数的关系园二色性（CD）Lambert-Beer定律第五页，共三十四页。圆二色光谱仪(Yi)结构图LSM0M1S1M2M3M4M5S2S3P1P2LFCDMSHPM赵南明，周梦海《生物物理学》/products/cd第六页，共三十四页。园二色谱的应用圆二色光谱利用左旋、右旋偏振光（手性光）通过一定的物质时所显示的总的

旋光性的不同，而判定该物质的结构或结构变化。1．测定生物大分子的结构

通过圆二色光谱仪测量生物大分子的圆二色光谱从而获得生物大分子二级结构的信息，是(Shi)简便和快捷的获得生物大分子结构的手段之一。圆二色光谱对蛋白质的构象变化非常灵敏，可应用于蛋白质折叠﹑蛋白质构象研究，DNA/RNA反应，酶动力学，光学活性物质纯度测量，药物定量分析。圆二色光谱亦是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。

2．测定化合物的立体结构

圆二色光谱仪可用于测定有机化合物、金属络合物、聚合物等的立体结构。

3．测定生物大分子与小分子的相互作用

测定小分子化合物与大分子相互作用后引起的生物大分子结构的变化，皆以进行以生物大分子为靶点活性化合物的筛选或研究药物的作用机制。

第七页，共三十四页。Ⅰ八区定(Ding)律NinaBerova,LorenzoDiBari,GennaroPescitelliChem.Soc.Rev.,2007,36,914-931(a)C=O键的中心为原点,用xy、xz、yz三个平面隔开,产生八个空间。(b)xy平面后方的四个空间称后八区,xy平面前方的四个空间称为前八区.一般化合物只考虑后八区。(c)位于正、负区的取代效应可以相抵消。(d)取代基贡献的大小随着与生色团的距离增加而减小,贡献大小与取代基的性质有关。XYZ第八页，共三十四页。Ⅱ预测蛋白质二(Er)级结构(○)α-螺旋；(●)β-折叠；(Δ)β-转角；(▼)P2(0.1mol/L醋酸溶液中的聚-L-脯氨酸)黄汉昌，姜招峰，朱宏吉《化学通报》，2007年70卷7期,501-506页[θ]λ,α、[θ]λ,β、[θ]λ,γ分别为α螺旋、β折叠和无规则结构在波长λ处的椭圆率值fα、fβ、fγ分别为α螺旋、β折叠和无规则结构在蛋白质二级结构中所占重量百分比第九页，共三十四页。Ⅲ发色团的激(Ji)发耦合N.BerovaandK.Nakanishi,CircularDichroism:PrinciplesandApplications,Wiley-VCH,NewYork,2nded.,2000ExcitonChirality:FundamentalsandFrontiers,Monatsh.Chem.,2005,136(3)第十页，共三十四页。O.Mcconnell,A.Bach,C.Balibar,etal.,Chirality,2007,19,658

-

682

a手性客体分(Fen)子与含发色团的非手性主体Ⅳ超分子体系诱导CD（ICD）第十一页，共三十四页。Ⅳ超分子体系诱(You)导CD（ICD）b带发色团的非手性小分子键合手性生物高聚物主体中，如蛋白质，多肽，寡核苷酸，低聚糖（环糊精）。c几个客体分子同时结合在主体大分子的不同活性位。d不含发色团的手性配体与在UV-vis区有d或f型跃迁的金属离子络合，产生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

第十二页，共三十四页。Ⅴ停留(Liu)技术&固态CD光谱PVA膜、α-Ni(H2O)6.SO4单晶的固态CD谱M.Kelly,etal.,Biochimica.Biophysica.,2005,1751,119-139R.Kuroda,etal.,Rev.Sci.Instrum.,2001,72,3802-3810亮氨酸拉链式多肽在GdmCl中变形后再折叠过程在220nm处的停留CD曲线第十三页，共三十四页。ⅥCD光(Guang)谱的理论模拟寻找稳定构象（Mnote-Carlo,DFT)与实验结构比较（NMR或其他）各构型CD谱线（Rvs.λ)拟合光谱（线型，带宽）平均谱图（Boltzmann,exp.)J.STEPHENS,etal.,

CHIRALITY,2008,20,454–470第十四页，共三十四页。总(Zong)结CD技术是检测手性光活性的较成熟的几种方法之一，在过去的几十年中，CD光谱技术在数据采集和分析方面取得了很大的进展。现代CD光谱仪可以实现163-1100nm紫外可见和近红外区的信号测量。目前已经有研究组开展真空紫外区的仪器研发工作。CD光谱具有高灵敏度（△A/A～10-2，VCD△A/A～10-4，-6

)，需样品量少（≦0.1mg（深紫外），1mg（近紫外-可见区），检测时间短，对样品无破坏。主-客体复合物在UV-vis区展现的强吸收和荧光性质对研究体系的结构和性质非常有价值。CD光谱存在分辨率低，特定发色团谱峰归属困难等问题，需要借助激发态量化计算来进行深入的解释。CD光谱与旋光光谱，NMR，UV-vis，X-ray晶体衍射等方法结合，获得更全面可靠的结果。第十五页，共三十四页。参考(Kao)文献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黄汉昌，姜招峰，朱宏吉《化学通报》，2007年70卷7期,501-506页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

-

682赵南明，周梦海《生物物理学》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第十六页，共三十四页。Thankyou!

第十七页，共三十四页。总(Zong)结CD与吸收光谱相比在结构分析中的优点（1）吸收谱均是正值，若同时存在多个吸收峰，其互相交叠，分析困难。（2）CD谱线可正可负，其极值与吸收谱一致。CD与X-ray和NMR方法比较（1）X-ray和NMR可以给出原子级别分辨的分子结构信息，而CD是一种体现整体结构特点的低分辨技术。（2）CD测量所需样品量很少≦0.1mg（深紫外）1mg（近紫外-可见区），对样品没有特殊要求，测量时间短，对样品无破环。（3）CD可以在各种实验条件下对样品进行检测。第十八页，共三十四页。第十九页，共三十四页。第二十页，共三十四页。圆(Yuan)二色光谱的应用Iα螺旋:

190nm(+)208nm,222nm(-)β折叠:

195nm(+)antiparallel:redshiftparallel:blueshift215-217nm(-)无规则卷曲:

bellow200nm(-)218nm(+)第二十一页，共三十四页。基本(Ben)理论EiEj第二十二页，共三十四页。比椭圆率摩(Mo)尔椭圆率平均残基椭圆率第二十三页，共三十四页。OR旋(Xuan)光现象旋光现象是由于平面偏振光通过旋光性物质时，组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光在介质中的传播速度不同(即折射率不同nL≠nR)，使平面偏振光的偏振面旋转了一定的角度造成。第二十四页，共三十四页。TherearethreemethodsformeasuringtheCDofasampleI.Themoststraight-forwardistomeasuretheabsorptionforeachrotationoflightandsubtractdirectlythemeasurementforrightcircularlypolarizedlightfromthemeasurementforleftcircularlypolarizedlightThismethodispioneeredinacommercialinstrumentforelectronicCDbyOn-LineInstrumentSystems(Olis,Bogart,Georgia)...Thisdualbeamcollectionanddirectsubtractionmethodhastwoadvantagesinadditiontotheflatbaseline.First...CDsignalsaremeasuredcorrectly.Second,theinstrumentismeasuringabsorbancedirectly,sothereisnoconstantofproportionalitytocalibrate.II.tomeasuretheellipticityimpartedonlinearlypolarizedlightthatpassesthroughthesample.Thismethodislimitedbythequalityofthelinearlypolarizedlightandthemechanicsofmeasuringthesmallperpendicularcomponentoftheellipticallypolarizedlight.III.Thethirdmethodistomodulatethelightbetweenthetworotations,andmeasurethedifferenceateachwavelength.Thismethodiswellsuitedtoanalogelectronics,andisthemethodusedbymostcommercialinstrumentation.第二十五页，共三十四页。CDStopped-FlowThedataaboverepresentsthefollowingconditions:12secondacquisitiontime,onesingleCDstoppedflowshot,gluconolactonevs.NaOH,11:1mix,<5milliseconddeadtime,<300μlsolutiontotal,highvolts=267&235.第二十六页，共三十四页。一、测定原理：

圆二色光谱仪（CD）是利用左旋、右旋偏振光（手性光）通过(Guo)一定的物质时所显示的总的

旋光性的不同，而判定该物质的结构或结构变化。

在电磁辐射是偏振光的情况下，偏振光与某些基团的共振和这些基团的不对称性有关，研究分子的这种不对称性的主要技术是旋光光谱和二色性光谱。后者以圆二色光谱最为成熟。由于生物大分子在结构上的不对称性，因此可以用旋光光谱和圆二色光谱来测定它们的立体结构（见）。二、园二色谱仪的应用：

1．测定生物大分子的结构

通过圆二色光谱仪测量生物大分子的圆二色光谱从而获得生物大分子二级结构的信息，是简便和快捷的获得生物大分子结构的手段之一。圆二色光谱对蛋白质的构象变化非常灵敏，可应用于蛋白质折叠﹑蛋白质构象研究，DNA/RNA反应，酶动力学，光学活性物质纯度测量，药物定量分析。圆二色光谱亦

是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。

2．测定化合物的立体结构

圆二色光谱仪可用于测定有机化合物、金属络合物、聚合物等的立体结构。

3．测定生物大分子与小分子的相互作用

测定小分子化合物与大分子相互作用后引起的生物大分子结构的变化，皆以进行以生物大分子为靶点活性化合物的筛选或研究药物的作用机制。

第二十七页，共三十四页。贡献大小(Xiao)还与取代基的性质有关。第二十八页，共三十四页。八区(Qu)定律O142O4