Кіріспе
Шеңберлік поляризацияланған жарықпен дихроизм. Шұңғыл дихроизм (ШД) – шеңберлік поляризацияланған жарықты қамтитын дихроизм, яғни сол және оң жақ жарықтың дифференциалдық сіңірілуі. Сол жақ шеңберлік (LHC) және оң жақ шеңберлік (RHC) поляризацияланған жарық фотон үшін екі мүмкін спиндік бұрыштық импульс күйін білдіреді, сондықтан шеңберлік дихроизмді спиндік бұрыштық импульс үшін дихроизм деп те атайды. Бұл құбылысты Жан Батист Биот, Августин Френель және Аимэ Коттон 19 ғасырдың бірінші жартысында ашты. Шұңғыл дихроизм және шұңғыл екіжақтылық оптикалық белсенділіктің көрінісі болып табылады. Ол оптикалық белсенді хиральды молекулалардың сіңіру спектрлерінде байқалады. ШД спектроскопиясы көптеген салаларда кеңінен қолданылады. Ең маңыздысы, КСР жарығы (UV CD) белоктердің екінші құрылымын зерттеу үшін қолданылады. UV/Vis ШД зарядтың ауысуын зерттеу үшін қолданылады. Жақын инфрақызыл ШД геометриялық және электрондық құрылымды металдың d→d ауысуларын зерттеу үшін қолданылады. Бұл көлденең толқын. Сызықтық поляризацияланған жарық электр өрісі векторы тек бір жазықтықта тербелгенде пайда болса, шеңберлік поляризацияланған жарық электр өрісі векторының бағыты таралу бағыты бойынша айналғанда, ал вектор тұрақты шамада сақталғанда пайда болады. Кеңістіктегі бір нүктеде шеңберлік поляризацияланған вектор толқын жиілігінің бір периодында шеңберді сызады, сондықтан осылай аталады. Төмендегі екі сурет сызықтық және шеңберлік поляризацияланған жарықтың электр өрісі векторларын бір уақыт сәтінде, әртүрлі орналасқан нүктелерде көрсетеді; шеңберлік поляризацияланған электр векторының графигі таралу бағыты бойынша спираль құрайды. Сол жақ шеңберлік поляризацияланған жарық (LCP) үшін, таралу бағыты бақылаушыға қарай болғанда, электр векторы сағат тіліне қарсы айналады. Шеңберлік поляризацияланған толқындардың дифференциалдық берілуін (және шағылысуын) қоса алғанда, материал арқылы таралу бағытына да тәуелді. Бұл жағдайда, экстринсикалық 3D хиралдылық деп аталатын жарық сәулесі мен құрылымның өзара орналасуымен байланысты.
Circular dichroism (CD) is dichroism involving circularly polarized light, i. e., the differential absorption of left and right handed light. Left hand circular (LHC) and right hand circular (RHC) polarized light represent two possible spin angular momentum states for a photon, and so circular dichroism is also referred to as dichroism for spin angular momentum. This phenomenon was discovered by Jean Baptiste Biot, Augustin Fresnel, and Aimé Cotton in the first half of the 19th century. Circular dichroism and circular birefringence are manifestations of optical activity. It is exhibited in the absorption bands of optically active chiral molecules. CD spectroscopy has a wide range of applications in many different fields. Most notably, UV CD is used to investigate the secondary structure of proteins. UV/Vis CD is used to investigate charge transfer transitions. Near infrared CD is used to investigate geometric and electronic structure by probing metal d→d transitions. a transverse wave. While linearly polarized light occurs when the electric field vector oscillates only in one plane, circularly polarized light occurs when the direction of the electric field vector rotates about its propagation direction while the vector retains constant magnitude. At a single point in space, the circularly polarized vector will trace out a circle over one period of the wave frequency, hence the name. The two diagrams below show the electric field vectors of linearly and circularly polarized light, at one moment of time, for a range of positions; the plot of the circularly polarized electric vector forms a helix along the direction of propagation For left circularly polarized light (LCP) with propagation towards the observer, the electric vector rotates counterclockwise. including differential transmission (and reflection) of circularly polarized waves also depends on the propagation direction through the material. In this case, so called extrinsic 3d chirality is associated with the mutual orientation of light beam and structure.
Қалдықтардың орташа эллиптикалық
Полимерлерде, әсіресе ақуыздар мен полипептидтердегі екінші құрылымды бағалау әдістері көбінесе өлшенген молярлық эллиптикалық спектрді нормаланған мәнге, яғни полимер ұзындығына тәуелсіз мәнге түрлендіруді қажет етеді. Орташа қалдық эллиптикалық шама осы мақсатта қолданылады; ол молекуланың өлшенген молярлық эллиптикалық шамасын молекуладағы мономерлік бірліктердің (қалдықтардың) санына бөлу арқылы есептеледі.
Биологиялық молекулаларға қолдану
Жалпы алғанда, бұл құбылыс кез келген оптикалық белсенді молекуланың сіңіру жолақтарында байқалады. Осының салдарынан, биологиялық молекулалар оң және сол жаққа бұрылатын компоненттерінің болуына байланысты дөңгелек дихроизмді көрсетеді. Екінші құрылым да өзінің молекулаларына ерекше CD сипаттамасын беретіні одан да маңызды. Сондықтан, ақуыздардың альфа-спиралі және нуклеин қышқылдарының қос спиралі олардың құрылымын көрсететін CD спектрлік іздерге ие. CD-нің құрылымдық іздерді беру қабілеті оны қазіргі заманғы биохимияның қуатты құралы етеді, оның қолданылу аймағы зерттеулердің барлық саласын қамтиды. CD оптикалық айналымдық дисперсия (ORD) әдісімен тығыз байланысты және көбінесе одан жетілгені саналады. CD молекуланың қызығушылық тудыратын сіңіру жолақтарында немесе жақын жерде өлшенеді, ал ORD осы жолақтардан алыс өлшенеді. CD-нің артықшылығы деректерді талдау кезінде көрінеді. Құрылымдық элементтер нақтырақ ажыратылады, себебі олардың тіркелген жолақтары ORD-де байқалатындай, белгілі бір толқын ұзындықтарында кеңінен жапырылмайды. Принцип бойынша, егер барлық сіңірулер өлшемдерге енгізілсе, бұл екі спектрлік өлшемдерді интегралды түрлендіру арқылы (Крамерс-Крониг қатынасы) бір-біріне ауыстыруға болады. Ақуыздардың алыс ультракөк сәуле (УФ) CD спектрі олардың екінші құрылымының маңызды ерекшеліктерін аша алады. CD спектрлері молекуланың альфа-спиральдық конформацияда, бета-парақ конформацияда, бета-бұрылыс конформациясында немесе басқа (мысалы, кездейсоқ орам) конформацияда қандай үлесте екенін бағау үшін оңай қолданылады. Бұл үлестік тағайындамалар ақуыздың болуы мүмкін екіншілік конформацияларына маңызды шектеулер қояды. CD, әдетте, анықталған альфа-спиральдар молекуланың ішінде қайда орналасқандығын немесе олардың саны қанша екенін толық болжап бере алмайды. Дегенмен, CD құнды құрал, әсіресе конформациядағы өзгерістерді көрсету үшін. Мысалы, оны молекуланың екінші құрылымы температураға немесе денатурациялаушы агенттердің, мысалы, гуанидиний хлориді немесе мочевинаның концентрациясына байланысты қалай өзгеретінін зерттеу үшін қолдануға болады. Осылайша ол молекула туралы маңызды термодинамикалық ақпаратты (мысалы, энтальпия және денатурацияның Гиббс еркін энергиясы) анықтай алады, оны басқа жолмен алу қиын. Кез келген белсендіні зерттеуге тырысатын адам CD-ні онымен кең көлемді және/немесе қымбат тәжірибелер жүргізуден бұрын, белоктың өзінің табиғи конформациясында екенін тексеру үшін құнды құрал деп табады. Сонымен қатар, CD спектроскопиясының альфа-спиральдық үлесті бағалаумен байланысты емес, белок химиясында басқа да көптеген қолданылулары бар. CD спектроскопиясы биоинорганикалық интерфейс зерттеулерінде де қолданылған. Атап айтқанда, ол реактивпен титрлеуден бұрын және кейін инженерлік жолмен жасалған белоктың екінші құрылымындағы айырмашылықтарды талдау үшін пайдаланылды. Алыс УФ-CD спектрі (>250 нм) үшінші құрылым туралы ақпарат береді. 250-300 нм аймағында алынған сигналдар фенилаланин, тирозин, цистеин (немесе S-S дисульфидтік көпірлер) және триптофан аминқышқылдарының сіңіруіне, дипольдық бағдарлануына және қоршаған ортаның сипатына байланысты. Алыс УФ-CD-дан айырмашылығы, алыс УФ-CD спектрін қандай да бір 3D құрылымына жатқызуға болмайды. Керісінше, алыс УФ-CD спектрлері ақуыздағы протездік топтардың сипаты туралы құрылымдық ақпаратты береді, мысалы, гемоглобиндегі және цитохром c гема топтары. Көрінетін CD спектроскопиясы металл-ақуыз өзара әрекеттесуін зерттеу үшін өте қуатты әдіс болып табылады және жеке d-d электрондық ауысуларды жеке жолақтар ретінде анықтай алады. CD спектрлері көрінетін жарық аймағында металл ионы хиральды ортада болған кезде ғана пайда болады, сондықтан ерітіндідегі бос металл иондары анықталмайды. Бұл тек ақуызға байланған металды бақылауға мүмкіндік береді, сондықтан pH тәуелділігі мен стехиометриясы оңай алынады. Өтпелі металл иондарындағы оптикалық белсенділік конфигурациялық, конформациялық және вицинальды әсерлерге байланысты. Клевпатинонд және Вилес (2007) гистидин мен негізгі тізбектің координациясын қамтитын Cu2+ және Ni2+ квадраттық жазықтық кешендері үшін көрінетін CD спектрлерінің пайда болуын болжау үшін эмпирикалық ережелер жиынтығын жасады. CD рентгендік кристаллография және ақуыздық ЯМР спектроскопиясы сияқты, атомдық ажыратымдылық деректерін беруге қарағанда кеміс. Дегенмен, CD спектроскопиясы жылдам әдіс болып табылады және үлкен мөлшерде ақуыздарды немесе кең көлемді деректерді өңдеуді қажет етпейді. Осылайша CD көптеген еріткіш жағдайларын, температураның өзгеруін, pH, тұздылықты және әртүрлі кофакторлардың болуын зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. CD спектроскопиясы әдетте ерітіндіштегі ақуыздарды зерттеу үшін қолданылады, осылайша ол қатты күйдегі зерттеулерді толықтырады. Бұл сонымен қатар шектеу болып табылады, себебі көптеген ақуыздар олардың табиғи күйінде мембраналарға енген, ал мембраналық құрылымдарды қамтитын ерітінділер көбінесе күшті шашырауға ұшырайды. CD кейде жұқа пленкаларда өлшенеді. CD спектроскопиясы сонымен қатар TiO2 сияқты жартылай өткізгіш материалдарды қолдану арқылы УФ толқын ұзындығының диапазонында үлкен сигналдар алу үшін қолданылған, онда биомолекулалардың электрондық ауысулары көбінесе жүреді.
Visible CD spectroscopy is a very powerful technique to study metal–protein interactions and can resolve individual d–d electronic transitions as separate bands. CD spectra in the visible light region are only produced when a metal ion is in a chiral environment, thus, free metal ions in solution are not detected. This has the advantage of only observing the protein bound metal, so pH dependence and stoichiometries are readily obtained. Optical activity in transition metal ion complexes have been attributed to configurational, conformational and the vicinal effects. Klewpatinond and Viles (2007) have produced a set of empirical rules for predicting the appearance of visible CD spectra for Cu2+ and Ni2+ square planar complexes involving histidine and main chain coordination. CD gives less specific structural information than X ray crystallography and protein NMR spectroscopy, for example, which both give atomic resolution data. However, CD spectroscopy is a quick method that does not require large amounts of proteins or extensive data processing. Thus CD can be used to survey a large number of solvent conditions, varying temperature, pH, salinity, and the presence of various cofactors. CD spectroscopy is usually used to study proteins in solution, and thus it complements methods that study the solid state. This is also a limitation, in that many proteins are embedded in membranes in their native state, and solutions containing membrane structures are often strongly scattering. CD is sometimes measured in thin films. CD spectroscopy has also been done using semiconducting materials such as TiO2 to obtain large signals in the UV range of wavelengths, where the electronic transitions for biomolecules often occur.
Эксперименттің шектеулері
CD көмірсуларда да зерттелді, бірақ вакуумдық ультракүлгін (VUV) аймағында (100–200 нм) CD спектрін өлшеумен байланысты тәжірибелік қиындықтарға байланысты шектеулі табысқа жетті, мұнда алмастырылмаған көмірсулардың сәйкес CD жолақтары орналасқан. VUV аймағынан жоғары жолақты алмастырылған көмірсулар сәтті өлшенді. CD өлшеуді сонымен қатар типтік сулы буферлік жүйелер жиі шеңберлік поляризацияланған жарықтың құрылымдық ерекшеліктері әртүрлі сіңіруді көрсететін диапазонда сіңіреді. Фосфат, сульфат, карбонат және ацетат буферлері, егер олар өте сұйылтылған болмаса, CD-мен үйлеспейді, мысалы 10–50 мМ диапазонында. Алыс УФ CD-ды орындау кезінде TRIS буферлік жүйесінен мүлдем аулақ болу керек. Борат пен оний қосылыстары жиі CD эксперименттері үшін тиісті pH диапазонын белгілеу үшін қолданылады. Кейбір зерттеушілер хлор ионын фтормен алмастырды, өйткені фтор алыс ультракүлгін сәулесін аз сіңіреді, ал кейбіреулері таза суда жұмыс істеді. Басқа, жалпыға бірдей әдіс - алыс УФ сәуледе жұмыс істегенде қысқа жол ұзындығы ұяшықтарын пайдалану арқылы еріткіш сіңіруін азайту, бұл жұмыста 0,1 мм жол ұзындығы сирек кездеспейді. Сулы жүйелерде өлшеуден басқа, CD, әсіресе алыс УФ CD органикалық еріткіштерде, мысалы, этанолда, метанолда, трифторэтанолда (TFE) өлшенуі мүмкін. Соңғысының артықшылығы - белоктардың құрылымын қалыптастыру, кейбіреулерінде бета-қаптамаларды, ал басқаларында альфа-спиральдарды пайда етеді, олар қалыпты сулы жағдайда көрсетілмейді. Алайда, ацетонитрил, ТГФ, хлороформ, дихлорметан сияқты көп таралған органикалық еріткіштер алыс УФ CD-мен үйлесімсіз. Екіншілік құрылымды бағалауда қолданылатын CD спектрлері аминқышқылдарын байланыстыратын амид байланыстарының π-ден π* орбитальды сіңірулеріне байланысты екенін атап өту қызықты болуы мүмкін. Бұл сіңіру жолақтары ішінара вакуумдық ультракүлгін деп аталатын (толқын ұзындығы 200 нм-ден аз) аймақта орналасқан. Толқын ұзындығындағы қызығушылық аймағы ауада қолжетімді емес, өйткені осы толқын ұзындықтарында оттегі жарықты қатты сіңіреді. Іс жүзінде бұл спектрлер вакуумда емес, оттегісіз аспапта (таза азот газымен толтырылған) өлшенеді. Оттегі жойылғаннан кейін, 200 нм төмен жұмыс істеудегі екінші маңызды техникалық фактор - оптикалық жүйенің қалған бөлігін осы аймақта төмен шығындармен жобалау. Бұл ретте алюминийленген айналарды пайдалану өте маңызды, олардың қаптамалары спектрдің осы аймағында аз жоғалту үшін оңтайландырылған. Бұл аспаптардағы әдеттегі жарық көзі - жоғары қысымды, қысқа доғалы ксенон шамдары. Кәдімгі ксенонды доғалы шамдар төмен УФ сәулелерінде қолдануға жарамсыз. Оның орнына, арнайы жасалған, қабығы жоғары тазалықтағы синтетикалық балқытылған кремнийден жасалған шамдарды пайдалану керек. Синхротроннан келетін жарық қысқа толқын ұзындығында әлдеқайда жоғары ағыны бар және CD-ді 160 нм-ге дейін жазу үшін пайдаланылды. 2010 жылы Даниядағы Орхус университетінің электронды сақтау сақинасы ISA-дағы CD спектрофотометрі қатты күйдегі CD спектрлерін 120 нм-ге дейін жазу үшін пайдаланылды. Кванттық механикалық деңгейде дөңгелек дихроизм мен оптикалық айналудың ерекшелік тығыздығы бірдей. Оптикалық ротациялық дисперсия мен циркулярлық дихроизм бірдей кванттық ақпарат мазмұнын бөліседі.