第五章 圆二色分析
(完整word版)圆二色谱法测蛋白二级结构
圆二色谱法分析多肽二级结构
圆二色谱是一种特殊的吸收谱，它通过测量蛋白质等生物大分子的圆二色光谱，从而得到生物大分子的二级结构，简单、快捷，广泛应用在蛋白质折叠，蛋白质构象研究，酶动力学等领域。
圆二色谱紫外区段（190-240nm），主要生色团是肽链，这一波长范围的CD谱包含了生物大分子主链构象的信息。
α-螺旋构象的CD 谱在222nm、208nm处呈负峰，在190nm附近有一正峰。
β-折叠构象的CD谱，在217-218nm处有一负峰，在195-198nm处有一强的正峰。
无规则卷曲构象的CD谱在198nm附近有一负峰，在220nm附近有一小而宽的正峰。
蛋白浓度与使用的光径厚度和测量区域有一定关系，对于测量远紫外区德氨基酸残基微环境的蛋白而言，浓度范围在0.1~1.0mg/ml，则光径可选择在0.1~0.2cm之间，溶液体积则在200~500ul。
而测量近紫外区的蛋白质三级结构，所需浓度要至少比远紫外区的浓10倍方能检测到有效信号，且一般光径的选择均在0.2~1.0cm，相应的体积也需增加至1~2mL
缓冲液可选50~100mmol trs-HCl、PBS等，尽量除去EDTA。
远紫外
近紫外
二硫键一般都是不对称的，它在圆二色性光谱上，于195-200nm和250-260处有谱峰
色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸残基的侧链其谱峰在230-310nm之间，色氨酸残基侧链的谱峰一般集中在290- 310nm之间，但有时也会向短波长方向移动从而与酪氨酸残基侧链的谱峰重叠
在250-260nm之间，苯环的谱峰又与二流键的谱峰重叠
溶液度吸收的影响。
[PPT]-圆二色谱CircularDichroism(CD)
![[PPT]-圆二色谱CircularDichroism(CD)](https://img.taocdn.com/s3/m/561ccaee0d22590102020740be1e650e52eacf1b.png)
Near UV CD spectrum
蛋白质中芳香氨基酸残基，如色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)及二硫键处于不对称微环境时，在近紫外区250～320 nm，表现出CD信号。 Phe残基: 255、261和268 nm附近；Tyr残基:277 nm左右；而在279、284和291 nm是Trp残基的信息；二硫键的变化信息反映在整个近紫外CD谱上。 近紫外CD谱可作为一种灵敏的光谱探针，反映Trp、Tyr和Phe及二硫键所处微环境的扰动，能用来研究蛋白质三级结构精细变化。
蛋白质的光学活性
蛋白质的CD谱
CD spectra in the far UV region (180 nm – 250 nm) probes the secondary structures of proteins. CD spectra in the near UV region (~250 and ~ 350) monitors the side chain tertiary structures of proteins.
圆二色谱
圆二色谱圆二色谱是一种特殊的吸收普，它对手性分子的构象十分敏感，因此它是最重要的光谱实验之一。
手性是物质结构中的重要特征，即具有不能重叠的三维镜像对映异构体，它们的分子式完全相同，但其中原子或原子基团在空间的配置不同，互为镜像。
凡手性分子都具有光学活性，即可使偏振光的振动面发生旋转。
许多有机物和络合物都具有手性，它们的对映异构体物理化学性质(熔点、沸点、旋光度、溶解度、分子式等)几乎完全相同，但它们的旋光方向相反，生理作用大不相同。
生物基础分子一般都具有手性，也都具有光学活性。
在对生物分子手性的研究中，发现了令人惊异至今不解的对称性破缺现象，那就是在自然界中，氨基酸有L型和D型两种对映异构体，天然糖也有L糖和D糖两种糖。
但在生物体中，组成蛋白质的20种氨基酸，除最简单的甘氨酸不具有手性外，其余都是L型的，而生物体核酸中的糖环则都是D型的。
生物体中这种对称性破缺现象是有特殊意义的自然现象。
手性分子都具有光学活性。
当单色左旋与右旋的圆偏振光通过某一种手性样品时，该样品对左、右旋圆偏振光的吸收不同，这叫做圆二色性。
其差值△A=△AL一△AR称为圆二色值，按波长扫描就得到了圆二色谱(CD谱)。
利用法拉第效应，在外加磁场作用下，许多原来没有光学活性的物质也具有了光学活性，原来可测出CD谱的在磁场中CD信号将增大几个量级。
这种条件下即可测得磁圆二色谱(MCD谱)。
CD和MCD是特殊的吸收谱，它们比一般的吸收谱弱几个量级，但由于它们对分子结构十分敏感，因此近十几年来，CD和MCD 已成为研究分子构型和分子间相互作用的最重要的光谱实验之一。
利用CD和MCD 研究生物大分子和药物分子，具有重要的科学意义和实用价值。
基本定义和原理一束平面偏振光通过光学活性分子后，由于左、右圆偏振光的折射率不同，偏振面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光，偏振面旋转的角度称为旋光度。
朝光源看，偏振面按顺时针方向旋转的，称为右旋，用“+”号表示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用“-”号表示。
圆二色谱b-sheet分析
圆二色谱b-sheet分析圆二色谱是分析各种有机物的常用方法，也是目前常用的化学分析方法。
通过该方法可以很好地掌握物体的化学组成和理化性质，尤其是在检测成分和分散性方面。
并且其主要作用是通过色谱峰来分析化合物分子结构，如图1所示。
该仪器的特点为能够快速准确地检测样品中的有机物的含量。
应用范围非常广泛，如食品、化妆品、塑料、橡胶等都可以通过对产品进行分析测定获得！今天主要为大家介绍一下圆二色谱仪b-sheet方法。
操作步骤：在色谱仪中先加入少量水并使色谱柱静止3 min,之后通过对样品气体进行提取，将提取出来的色谱气体用滤波方法进行净化处理，然后使用 Trism进行二次分离得到最终产物检测。
1.首先对提取液进行处理，其中 Trism为标准色谱柱，然后用离心机分离纯化出。
Trism作为色谱柱用于制备液相色谱，是对目标化合物进行分析时提取出来的色谱气体中的化合物成分。
它是一种高效溶剂，可以快速去除残留在溶剂中的化合物和杂质。
因此，其提取是一种非常有效的方法之一。
通常采用萃取液法和离子交换法相结合，将纯度较高物质分离出来。
其主要步骤是用盐酸处理提取液直到色谱柱完全干涸。
然后去除溶剂表面上的水并使它与氢气相结合；接着使用 HCO或氢气来净化分离样品气体。
这样可以有效地去除杂质，以避免色谱柱造成分析结果不准确。
例如一种白色液体出现。
因为这种白色液体主要是以丙酮为主，所以必须使用溶剂如：乙醚和氯仿进行萃取分离才可以得到最终成分！2.将提取出来的色谱气体放入 Trism柱式洗涤器中并充分利用色谱柱的流动相，使其温度在120℃以下，如图2所示。
为了防止色谱柱上的样品成分被破坏，在加入适量水中，加入适量的 Trism进行分离。
当溶液中的盐类和水发生化学反应时，导致样品中的结构发生改变。
而 Trism柱式洗涤器能很好将色谱气体进行净化处理。
使用 Trism对样品气体进行滤波处理，并得到最终产物检测（最终得到的结果）。
圆二色光谱
β—折叠
β—转角
P2结构
蛋白质CD光谱分析——定性分析
无 规 卷 曲 向 β 折 叠 转 化
蛋白质CD光谱分析——定量分析
❖ 基本原理：
假设蛋白质在波长λ处的CD信号是蛋白质中各种二 级结构组分的线性加和，则有等式：
C fiCi
假设溶液态蛋白质与晶体中的二级结构相同，则可利用已知二级结构 的蛋白质或多肽的CD光谱作为参考数据，对未知蛋白质的二级结构进 行拟合计算，能得出α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规线团等结构所占的 比例。
❖ 蛋白质的圆二色特征
(1)光学活性基团及折叠结构； (2)250nm以下的光谱区，肽键的电子跃迁引起； (3)250~300nm光谱区，侧链芳香基团的电子跃迁引起； (4)300~700nm光谱区，蛋白质辅基等外在生色基团引起。
蛋白质CD光谱分析——定性分析
分子构象
α-螺旋 （α-helix）
电子跃迁 形式
192.5(-)强
230nm(-) 215~218nm
（+）
195~202nm(-)强
[θ]*103 Deg.cm2/dmol
-38~-40 -36~-40 72~86 -19~-21 28~42
-1.6 1~2 -25~-50
蛋白质CD光谱分析——定性分析
蛋白质CD光谱的波长范围：远紫外区（185-245nm)、近紫外区（245-320nm)
圆二色光谱（CD光谱）
主要内容
1
预备知识
2
圆二色光谱
3
圆二色光谱仪的基本构造
4
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
5
蛋白质CD光谱图的分析
6
CD样品制备及条件选择
CD(圆二色)光谱的理论和实验
2 12 2 , 0 V12 r12 1 2 , 0 2 , , r12
N. Berova and K. Nakanishi, Circular Dichroism: Principles and Applications, Wiley-VCH, New York, 2nd ed., 2000 Exciton Chirality: Fundamentals and Frontiers, Monatsh. Chem., 2005, 136(3)
d 不含发色团的手性配体与在UVvis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, 409-422 G. Ascoli, E. Domenici, C. Bertucci, Chirality, 2006, 18, 667-679 L. Di Bari, G. Pescitelli and P. Salvadori, Chem.–Eur. J., 2004, 10, 1205–1214
Ⅳ 超分子体系诱导CD（ICD）
a 手性客体分子与含发色团的非手性主体
O. Mcconnell, A. Bach, C. Balibar, et al., Chirality, 2007, 19,658 - 682
Ⅳ 超分子体系诱导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。
摩尔椭圆率
平均残基椭圆率
OR旋光现象
R
L
L R 在 旋 光 介 质 中
在 非 旋 光 介 质 中
圆二色谱报告
圆二色谱报告一、实验目的1. 圆二色性；2. 圆二色光谱的原理与应用；3. 圆二色光谱的相关拓展知识；4. 圆二色光谱的实验技术与操作。
二、实验原理圆二色性是手性分子在光学上表现的一种特性。
光可视为振动方向与传播方向垂直的电磁横波。
当光波的电矢量方向以一个固定的角速度以传播方向为轴心匀速旋转时，称之为圆偏振光。
根据圆偏振光电矢量旋转方向的不同，可以将其区分为左圆偏振光和右圆偏振光。
一束平面偏振光可以看成是由两个振幅和速度相同而螺旋前进方向相反的圆偏振光叠加而成（图1）。
两圆偏振光彼此对映，互为镜像。
当手性物质在偏振光的波长范围内存在吸收的时候，其对左右圆偏振光的吸收程度，也就是摩尔吸光系数，是不同的。
此时不但偏振光的偏振平面将被旋转，构成该偏振光的左右圆偏振光的振幅也将不再相等。
组成出射光的左右圆偏振光的电矢量和将沿一个椭圆轨迹移动，此时的出射光就是椭圆偏振光（图2）。
这种光学现象就称为手性物质所具有的圆二色性。
对于纯手性物质，其椭圆偏振光的椭圆度θ在特定溶剂、浓度、温度和光程下，在特定波长处为定值。
同时，在特定波长处的椭圆度θ与在该波长处对左右圆偏振光的摩尔吸光系数之差(Δε)成正比。
将θ或Δε对波长作图，即得到圆二色光谱。
图1 右圆偏振光(a)、左圆偏振光(b)及平面偏振光示意图，水平箭头表示光的传播方向。
图2 (a) 平面偏振光的圆组分；(b) 平面偏振光的旋转与圆组分；(c) 椭圆偏振光的旋转与圆组分被吸收的情况。
其中，OB与OC分别表示右、左圆偏振光被吸收后的振幅，OD表示OB与OC的矢量和，θ表示椭圆偏振光的椭圆率角，tanθ= OE/OA″≈θ。
圆二色光谱的英文名称为Circular Dichroism，简称CD光谱。
其光谱仪的基本测试原理是——通过入射圆偏振光的波长变化，测定手性样品的左圆偏振光和右圆偏振光摩尔消光系数之差Δε。
由于CD光谱反映了光和分子间的能量交换，因而只能在有最大能量交换的共振波长范围内测。
有机化学的手性分析方法
有机化学的手性分析方法
在有机化学领域中，手性分析是一项十分重要的工作。
手性化合物是指分子的结构镜像不能完全重合的分子。
因此，手性分析的目的就是确定有机化合物中手性中心的配置。
在本文中，将介绍几种常用的手性分析方法。
一、圆二色谱分析法
圆二色谱分析法是一种利用圆二色现象测定有机物的手性的方法。
圆二色现象是指左旋光和右旋光通过具有手性的物质后，光传播方向不变，但相位差发生变化的现象。
通过观察物质在不同波长下的圆二色光谱，可以确定其手性。
二、红外吸收光谱分析法
红外吸收光谱分析法是一种常用的手性分析方法。
在红外光谱中，手性物质通常表现出特定的旋光效应，通过比较旋光贡献可以判断有机物的手性。
三、核磁共振分析法
核磁共振分析法是一种非常重要的手性分析方法。
通过核磁共振技术，可以观察到手性物质中的不对称中心周围原子核的信号差异，从而确定有机物的手性。
四、质谱分析法
质谱分析法是一种高灵敏度的手性分析方法。
通过质谱仪对有机物进行分析，可以观察到手性分子离子的不同质量谱峰，从而确定有机物的手性。
五、氨基酸序列分析法
氨基酸序列分析法主要用于蛋白质的手性分析。
通过氨基酸序列分析仪，可以确定蛋白质中的手性氨基酸的排列顺序，从而确定蛋白质的整体手性。
综上所述，有机化学的手性分析方法主要包括圆二色谱分析法、红外吸收光谱分析法、核磁共振分析法、质谱分析法以及氨基酸序列分析法。
这些方法各自有其优点和适用范围，科学家们可以根据具体情况选择合适的手性分析方法来进行研究。
圆二色谱的原理和应用
圆二色谱的原理和应用原理圆二色谱是一种用来分析物质的光学技术，它能够测量物质对不同偏振光波的吸收和旋光性质。
它的原理基于光的波动理论和旋光性质。
旋光性质旋光性是指物质对偏振光通过时会导致光的偏振面发生旋转的性质。
物质对光的旋光性可以分为正旋光性和负旋光性。
正旋光性表示物质使偏振光的偏振面顺时针旋转，负旋光性表示物质使偏振光的偏振面逆时针旋转。
旋光性可以通过旋光仪进行测量。
光的偏振光波一般是沿着特定的方向振动的，这个方向就是光的偏振方向。
偏振光通过介质之后，其偏振方向可能会发生改变，这种现象称为偏振光的旋转。
圆二色谱法圆二色谱法是通过测量物质对不同偏振方向的肩振光波的吸光度差异来分析物质的技术。
它使用圆二色偏振器和检测器进行测量。
圆二色偏振器分为正旋光和负旋光的偏振器，检测器测量不同偏振方向的肩振光波的吸光度差。
应用圆二色谱在生物化学、药物化学和有机化学等领域有广泛的应用。
蛋白质结构分析圆二色谱可以用来分析蛋白质的二级结构，如α-螺旋、β-折叠等。
蛋白质的二级结构对其功能和稳定性有重要影响，因此了解蛋白质的二级结构对于研究蛋白质的结构和功能十分重要。
药物研发圆二色谱可以用来研究药物的立体化学特性。
有机化合物通常会存在手性，不同手性的化合物可能具有不同的药理活性。
通过圆二色谱分析药物的手性可以帮助研发人员合成更有效的手性药物。
有机化学研究圆二色谱可以用来研究有机化合物的结构和手性。
有机化合物的手性对其性质和反应具有重要影响。
通过圆二色谱分析有机化合物的手性可以帮助有机化学研究人员了解其结构和性质。
生物医学研究圆二色谱可以用来研究生物体内的分子结构。
许多生物分子具有手性，其手性对其功能和相互作用有重要影响。
通过圆二色谱可以研究生物分子的手性及其与其他分子的相互作用，有助于了解生物体内的生化过程。
总结圆二色谱是一种用于分析物质的光学技术，通过测量物质对不同偏振光波的吸收和旋光性质来分析物质。
圆二色谱广泛应用于蛋白质结构分析、药物研发、有机化学研究和生物医学研究等领域。
圆二色谱特征峰
圆二色谱特征峰
圆二色谱是一种研究化合物空间结构的技术，根据被测物质在圆偏振光照射下的左右偏振光的吸收度不同进行分析。
圆二色谱的特征峰是指在特定波长下的吸收峰，这些峰的形状和位置可以提供关于被测物质的结构和构象的信息。
在圆二色谱中，当使用平面偏振光照射蛋白质时，蛋白质对左右偏振光的吸收度不同。
以不同频率的平面偏振光的波长λ作为横坐标，左（εL）、右（εR）偏振光的吸收系数之差Δε为纵坐标，绘制λ-Δε曲线，就得到该蛋白的圆二色光谱图。
蛋白质的圆二色谱特征峰主要包括α-螺旋和β-折叠等结构特征对应的峰。
例如，α-螺旋结构会在208nm和222nm处表现出特征性的负峰。
这些特征峰的位置和形状可以用于推断蛋白质的二级结构和其他构象信息。
需要注意的是，圆二色谱特征峰的形状和位置可能会受到多种因素的影响，如溶液的pH 值、离子强度、温度等。
因此，在进行圆二色谱分析时，需要仔细控制实验条件，以确保结果的准确性和可靠性。
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长轴：矢量相位相同时的强度
短轴：矢量相位相反时的强度
θ：平面偏振光离开样品槽的
角度——椭圆度
[θ]= θ·M/100lc=3300Δε
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
4. 椭圆率表示CD中使用符号
比椭圆率[y]l
The Specific Ellipticity ：[] = /CL 摩尔椭圆率[ ] The Molar Ellipticity ：[ ]l = Mw [y]l /100,
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
6.3 康顿效应 (cotton effect)及ORD、CD和UV间的关系
1. 理想情况下：λmax（UV） =λmax(CD) =λk (ORD) 实际情况：三者接近，但丌 一定重合 2. ORD谱和CD谱都可用来 测定有特征吸收的手性化合 物的绝对构型 3. CD谱：容易解析 ORD谱：比较复杂
CD反映光不分子间能量的交换，旋 光性则是不分子中电子的运动有关。
可以由Kronlg-Krammers相互转换。
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
6.1 CD和ORD-科顿效应的关系
CD谱的极值处与吸收峰一致（科 顿效应，cotton effect），因而分 子中不同生色团对亍谱的贡献比 在ORD中更容易分辨。
第五章 圆二色光谱
3. [θ] 的物理意义-椭圆率
椭圆偏振光电场矢量端点在空间的轨迹投影到垂直于光传播方向的平面 上为一椭圆，此椭圆的短轴a不长轴b之比的反正切。用箭头的长短代 替强度。因而光在传播时，它的矢量和将产生的一椭圆轨道. (圆二色 性大小也可用椭圆度来表示)
θ＝tg-1 （a 弧度）
b
由理论分析可推出椭圆率和圆二色性间的关系为 180
ORD是渐近线，两端不回归
ORD 吸收带附近，旋光度由负到正 吸收带附近，旋光度由正到负
正Cotton效应 负Cotton效应
CD 正CD带 负CD带
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
6.2 CD和ORD-科顿效应的关系
CD比ORD容易辨别重叠峰
CD比ORD弱带易检测
CD比ORD更容易拟合
CD比ORD提供较多意义明确的信息表明 有三个生色团，其中两个有光学活性
旋光 (OR): 平面偏振光通过手性物质时，偏振面会发生旋转，即该物 质具有旋光性，旋转的角度。习惯上用（+）号表示右旋物质，用（-） 号表示左旋物质。
旋光色散(ORD): 旋转角度与波长的函数关系.
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
6. ORD与CD光谱 同时产生。
包括同样的分子结构信息：光学活性 物质分子中的丌对称生色团。
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
圆二色光谱 Circular Dichroism
(CD)
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
1. 手性是自然界的基本特性
大多数有机分子都是手性的； 小分子光学活性; 多数生命体系中其重要作用的分子是具有多种异构体 ； （包括氨基酸，糖，蛋白质，核酸，维生素，萜烯，类 生物碱类，类固醇。）
实用仪器分析
ห้องสมุดไป่ตู้
第五章 圆二色光谱
5. 旋光度 (OR)和旋光色散 (ORD) 光折射：一束光通过物质后，其电场矢量传播速度的减 小称之为折射，可用折射率n0表示 折射率n: 在真空中的速度C不在某种物质中的速度v之 比为折射率。
旋光现象是平面偏振光通过旋光物质时，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 (折射率不同，nL不等与nR)， 存在圆双折射。
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
二. CD电子圆二色光谱原理
1. CD测定的原理
圆二色 (Circular dichroism) 当圆偏振光通过手性物质时，丌仅其组分(左和右 圆偏振光) 以不同的速度传播 (旋光)，而且对光有不同的吸收。在这种情况下， 通过物质的光是椭圆偏振的，该物质被称为具有圆二色性(或CD)。
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
四. 电子圆二色仪器简介
1. 手性CD光谱方法分类及功能扩展附件
电子圆二色 （ECD-)谱 (光学活性物质对左右圆偏振光吸收差异。 手性化合物立体结构和电子跃迁的重要谱学手段)。 旋光色散 (ORD-) (光学活性物质对圆偏振产生角度变化). 振动圆二色 （VCD-virbl Circular Dichroism） 手性拉曼（ROA-Raman Optical Activity ） 圆偏振収光（CPL-Circularly Polarized Luminescence） 荧光圆二色（FCD-Fluorescence-Detected Circular Dichroism） 磁圆二色（MCD-Magnetic Circular Dichroism） 线二向性 (LCD-Linear Dichroism）
实用仪器分析
2. 圆二色性与振幅
Beer-Lanmbert Law
A= lgI0/I
=(1/2.303) lnI0/I
=εCL
ΔA=AL- AR =Δε C L
第五章 圆二色光谱
Optical active object
L ?
Ex= E0 cos [ωt-(2L /λ)n +φ0]
实用仪器分析
实用仪器分析
第五Y 章 圆二色光谱
3. 圆偏振光
圆偏振光是两个频率和振幅相同,偏振面互相垂直的平面偏振光,如果其 相位差90度,则它们合成一个圆偏振光。产生由光电调节器.
左圆偏振光
右圆偏振光
椭圆偏振光
朝光源看 电场矢量方向按顺时针方向旋转的，称为右圆偏振光； 电场矢量方向按逆时针方向旋转的，称为左圆偏振光。
实用仪器分析
第五章 圆二色光谱
2. 光的偏振
自然光, 振动矢量, 偏振矢量,平面偏振光, 线偏振光, 偏振面
平面偏振光 (直线偏振光)
. ...
.
自然光
. ...
. ...
晶轴相互平行时， 透射光强度最大；
晶轴夹角为α时， 透射光强度与 cos2α成正比。
. ...
起偏器
检偏器
晶轴相互垂直时， 透射光强度为零；
[θ]=3300 Δε=3300 (εL - εR)
平均残基椭圆率
MRW
MRW
100 C
[ ]lMRw C: 摩尔浓度 L : 光程 (dm), MRW平均残基分子量
[ ]l 单位 : [deg • mol-1 • cm-1] or [deg • cm2 • dmol-1]