Circulardichroismus (CD) bezieht sich auf die Differenzialabsorption des linken und richtigen kreisförmig polarisierten Lichtes. Dieses Phänomen wurde von Jean-Baptiste Biot, Augustin Fresnel und Aimé Cotton in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Es wird in den Absorptionsbändern optisch aktiver chiral Moleküle ausgestellt. CD-Spektroskopie hat eine breite Reihe von Anwendungen in vielen verschiedenen Feldern. Am meisten namentlich wird UV CD verwendet, um die sekundäre Struktur von Proteinen zu untersuchen. UV/Vis CD wird verwendet, um Übergänge der Anklage-Übertragung zu untersuchen. Nah-Infrarot-CD wird verwendet, um geometrische und elektronische Struktur durch die Untersuchung von Metall dd Übergänge zu untersuchen. Schwingcirculardichroismus, der Licht vom Infrarotenergiegebiet verwendet, wird für Strukturstudien von kleinen organischen Molekülen, und am meisten kürzlich Proteine und DNA verwendet.

Physische Grundsätze

Kreisförmige Polarisation des Lichtes

Elektromagnetische Radiation besteht aus einem elektrischen (E) und magnetisches (B) Feld, die Senkrechte zu einander und zur sich fortpflanzenden Richtung in Schwingungen versetzen. eine Querwelle. Während geradlinig polarisiertes Licht vorkommt, wenn der elektrische Feldvektor nur in einem Flugzeug schwingt, kommt kreisförmig polarisiertes Licht vor, wenn die Richtung des elektrischen Feldvektoren über seine Fortpflanzungsrichtung rotiert, während der Vektor unveränderlichen Umfang behält. An einem einzelnen Punkt im Raum kreisförmig wird polarisierter Vektor einen Kreis im Laufe einer Periode der Welle-Frequenz, folglich der Name verfolgen. Die zwei Diagramme zeigen unten die elektrischen Vektoren geradlinig und haben kreisförmig Licht in einem Moment der Zeit für eine Reihe von Positionen polarisiert; der Anschlag des kreisförmig polarisierten elektrischen Vektoren bildet eine Spirale entlang der Richtung der Fortpflanzung (k). Für das linke kreisförmig polarisierte Licht (LCP) mit der Fortpflanzung zum Beobachter rotiert der elektrische Vektor gegen den Uhrzeigersinn. Für das Recht kreisförmig polarisiertes Licht (RCP) rotiert der elektrische Vektor im Uhrzeigersinn.

Wechselwirkung des kreisförmig polarisierten Lichtes mit der Sache

Wenn kreisförmig polarisiertes Licht ein Aufsaugen optisch aktiven Mediums durchführt, unterscheiden sich die Geschwindigkeiten zwischen richtigen und linken Polarisationen (c c) sowie ihre Wellenlänge und das Ausmaß, in dem sie absorbiert werden. Circulardichroismus ist der Unterschied-. Das elektrische Feld eines leichten Balkens verursacht eine geradlinige Versetzung der Anklage, wenn es mit einem Molekül aufeinander wirkt (elektrischer Dipol), wohingegen das magnetische Feld davon einen Umlauf der Anklage (magnetischer Dipol) verursacht. Diese zwei Bewegungen haben Ursache eine Erregung eines Elektrons in einer spiralenförmigen Bewegung verbunden, die Übersetzung und Folge und ihre verbundenen Maschinenbediener einschließt. Die experimentell entschlossene Beziehung zwischen der Rotationskraft (R) einer Probe und gegeben durch zu sein

:

Die Rotationskraft ist auch theoretisch, bestimmt worden

:

Wir sehen von diesen zwei Gleichungen dass, um Nichtnull, die elektrischen und magnetischen Dipolmoment-Maschinenbediener zu haben (und) uns als dieselbe nicht zu vereinfachende Darstellung verwandeln müssen. und sind die einzigen Punkt-Gruppen, wo das vorkommen kann, nur chiral Molekül-CD aktiv machend.

Einfach gestellt da ist kreisförmig polarisiertes Licht selbst "chiral", es wirkt verschieden mit chiral Molekülen aufeinander. D. h. die zwei Typen des kreisförmig polarisierten Lichtes werden in verschiedenen Ausmaßen absorbiert. In einem CD-Experiment werden gleiche Beträge des linken und richtigen kreisförmig polarisierten Lichtes einer ausgewählten Wellenlänge in eine (chiral) Probe abwechselnd ausgestrahlt. Eine der zwei Polarisationen wird mehr absorbiert als die andere, und dieser von der Wellenlänge abhängige Unterschied der Absorption wird gemessen, das CD-Spektrum der Probe nachgebend. Wegen der Wechselwirkung mit dem Molekül verfolgt der elektrische Feldvektor des Lichtes einen elliptischen Pfad nach dem Durchführen der Probe.

Es ist wichtig, dass der chirality des Moleküls conformational aber nicht strukturell sein kann. D. h. zum Beispiel kann ein Protein-Molekül mit einer spiralenförmigen sekundären Struktur eine CD haben, die sich mit Änderungen in der Angleichung ändert.

Delta-Absorptionsvermögen

Definitionsgemäß,

:

wo ΔA (Delta-Absorptionsvermögen) der Unterschied zwischen Absorptionsvermögen von verlassen kreisförmig polarisiert (LCP) und Licht des Rechts hat sich kreisförmig gespalten (RCP) ist (das ist, was gewöhnlich gemessen wird). ΔA ist eine Funktion der Wellenlänge, so für ein Maß, um bedeutungsvoll zu sein, muss die Wellenlänge, an der es durchgeführt wurde, bekannt sein.

Mahlzahn-Circulardichroismus

Es kann auch, durch die Verwendung des Gesetzes von Bier als ausgedrückt werden:

:wo

:ε und ε sind die Mahlzahn-Erlöschen-Koeffizienten für LCP und RCP Licht,

:C ist die Mahlzahn-Konzentration

:l ist die Pfad-Länge in Zentimeter (Cm).

Dann

:

ist der Mahlzahn-Circulardichroismus. Dieses innere Eigentum ist, was gewöhnlich durch den Circulardichroismus der Substanz gemeint wird. Seitdem ist eine Funktion der Wellenlänge, ein Mahlzahn-Circulardichroismus-Wert muss die Wellenlänge angeben, an der es gültig ist.

Unwesentliche Effekten auf den Circulardichroismus

In vielen praktischen Anwendungen des Circulardichroismus (CD), wie besprochen, unten, ist die gemessene CD nicht einfach ein inneres Eigentum des Moleküls, aber hängt eher von der molekularen Angleichung ab. In solch einem Fall kann die CD auch eine Funktion der Temperatur, Konzentration und der chemischen Umgebung einschließlich Lösungsmittel sein. In diesem Fall muss der berichtete CD-Wert auch diese anderen relevanten Faktoren angeben, um bedeutungsvoll zu sein.

Elliptische

Mahlzahn-Form

Obwohl ΔA gewöhnlich aus historischen Gründen gemessen wird, werden die meisten Maße in Graden der elliptischen Form berichtet.

Elliptische

Mahlzahn-Form ist für die Konzentration korrigierter Circulardichroismus. Mahlzahn-Circulardichroismus und elliptische Mahlzahn-Form, [θ], werden durch die Gleichung sogleich zwischenumgewandelt:

:

Diese Beziehung wird durch das Definieren der elliptischen Form der Polarisation als abgeleitet:

:wo

:E und E sind die Umfänge der elektrischen Feldvektoren des Rechts kreisförmig und haben nach links kreisförmig Licht beziehungsweise polarisiert.

Wenn E E gleichkommt (wenn es keinen Unterschied im Absorptionsvermögen des Rechts - und nach links Rundschreiben polarisiertes Licht gibt), ist θ 0 °, und das Licht wird geradlinig polarisiert. Wenn entweder E oder E der Null gleich sind (wenn es ganzes Absorptionsvermögen des Rundschreibens polarisiertes Licht in einer Richtung gibt), ist θ 45 °, und das Licht wird kreisförmig polarisiert.

Allgemein ist die Circulardichroismus-Wirkung klein, so ist tanθ klein und kann als θ in radians näher gekommen werden. Seit der Intensität oder dem Ausstrahlen bin ich, des Lichtes zum Quadrat des Elektrisch-Feldvektoren proportional, die elliptische Form wird:

:

Dann durch das Ersetzen weil ich, das Gesetz von Bier in der natürlichen Logarithmus-Form verwendend:

:

Die elliptische Form kann jetzt als geschrieben werden:

:

Seitdem ΔA

Die geradlinige Abhängigkeit der solute Konzentration und pathlength wird durch das Definieren der elliptischen Mahlzahn-Form als, entfernt

:

Dann den letzten zwei Ausdruck mit dem Gesetz von Bier verbindend, wird elliptische Mahlzahn-Form:

:

Die Einheiten der elliptischen Mahlzahn-Form sind historisch (deg · cm/dmol). Um elliptische Mahlzahn-Form zu berechnen, muss die Beispielkonzentration (g/L), Zelle pathlength (Cm) und das Molekulargewicht (g/mol) bekannt sein.

Wenn die Probe ein Protein, das restliche Mittelgewicht ist (durchschnittliches Molekulargewicht der Aminosäuren, enthält es) wird im Platz des Molekulargewichtes verwendet, im Wesentlichen das Protein als eine Lösung von Aminosäuren behandelnd.

Bösartige elliptische Rückstand-Form

Methoden, um sekundäre Struktur in Polymern, Proteinen und polypeptides zu schätzen, insbesondere verlangen häufig, dass das gemessene Mahlzahn-Spektrum der elliptischen Form zu einem normalisierten Wert, spezifisch einem der Polymer-Länge unabhängigen Wert umgewandelt wird. Bösartige elliptische Rückstand-Form wird für diesen Zweck verwendet; es ist einfach die gemessene elliptische Mahlzahn-Form des Moleküls, das durch die Zahl von monomer Einheiten (Rückstände) im Molekül geteilt ist.

Anwendung auf biologische Moleküle

Im Allgemeinen wird dieses Phänomen in Absorptionsbändern jedes optisch aktiven Moleküls ausgestellt. Demzufolge wird Circulardichroismus durch biologische Moleküle, wegen ihres dextrorotary und levorotary Bestandteile ausgestellt. Noch wichtiger ist, dass eine sekundäre Struktur auch eine verschiedene CD seinen jeweiligen Molekülen geben wird. Deshalb haben die Alpha-Spirale von Proteinen und die doppelte Spirale von Nukleinsäuren CD geisterhafter Unterschrift-Vertreter ihrer Strukturen. Die Kapazität der CD, eine vertretende Strukturunterschrift zu geben, macht es ein starkes Werkzeug in der modernen Biochemie mit Anwendungen, die in eigentlich jedem Studienfach gefunden werden können.

CD ist nah mit der Technik der optischen Drehungsdispersion (ORD) verbunden, und wird allgemein betrachtet, fortgeschrittener zu sein. CD wird in oder in der Nähe von den Absorptionsbändern des Moleküls von Interesse gemessen, während ORD weit von diesen Bändern gemessen werden kann. Der Vorteil der CD ist in der Datenanalyse offenbar. Strukturelemente sind klarer bemerkenswert, da ihre registrierten Bänder umfassend an besonderen Wellenlängen nicht überlappen, wie sie in ORD tun. Im Prinzip können diese zwei geisterhaften Maße durch ein Integral zwischenumgewandelt werden verwandeln sich (Kramers-Kronig Beziehung), wenn alle Absorptionen in die Maße eingeschlossen werden.

Das weite-UV (ultraviolette) CD-Spektrum von Proteinen kann wichtige Eigenschaften ihrer sekundären Struktur offenbaren. CD-Spektren können sogleich verwendet werden, um den Bruchteil eines Moleküls zu schätzen, das in der Angleichung der Alpha-Spirale, der Angleichung der Beta-Platte, der Angleichung der Beta-Umdrehung oder einigem anderem (z.B zufällige Rolle) Angleichung ist. Diese Bruchanweisungen legen wichtige Einschränkungen auf den möglichen sekundären conformations, in dem das Protein sein kann. CD kann im Allgemeinen nicht sagen, wo das Alpha helices, die entdeckt werden, innerhalb des Moleküls gelegen wird oder sogar völlig voraussagt, wie viel es gibt. Trotzdem ist CD ein wertvolles Werkzeug besonders, um Änderungen in der Angleichung zu zeigen. Es kann zum Beispiel verwendet werden, um zu studieren, wie sich die sekundäre Struktur eines Moleküls als eine Funktion der Temperatur oder der Konzentration ändert, Agenten z.B zu denaturieren. Chlorid von Guanidinium oder Harnstoff. Auf diese Weise kann es wichtige thermodynamische Information über das Molekül offenbaren (wie der enthalpy und Gibbs freie Energie von denaturation), der nicht sonst leicht erhalten werden kann. Jeder versuchend, ein Protein zu studieren, wird CD ein wertvolles Werkzeug finden, um nachzuprüfen, dass das Protein in seiner heimischen Angleichung vor dem Durchführen umfassender und/oder teurer Experimente damit ist. Außerdem gibt es mehreren anderen Gebrauch für die CD-Spektroskopie in der mit der Bruchteil-Bewertung der Alpha-Spirale nicht verbundenen Protein-Chemie.

Die Nähe - UV CD-Spektrum (> 250 nm) Proteine gibt Auskunft über die tertiäre Struktur. Die im 250-300 nm Gebiet erhaltenen Signale sind wegen der Absorption, Dipolorientierung und der Natur der Umgebungsumgebung des phenylalanine, tyrosine, cysteine (oder S-S Disulfid-Brücken) und tryptophan Aminosäuren. Unterschiedlich in der weiten-UV CD kann die Nähe - UV CD-Spektrum keiner besonderen 3D-Struktur zugeteilt werden. Eher, nahe - UV CD-Spektren geben Strukturauskunft über die Natur der prothetischen Gruppen in Proteinen, z.B, der heme Gruppen im Hämoglobin und cytochrome c.

Sichtbare CD-Spektroskopie ist eine sehr starke Technik, um Metallprotein-Wechselwirkungen zu studieren, und kann individuelle d-d elektronische Übergänge als getrennte Bänder auflösen. CD-Spektren im sichtbaren leichten Gebiet werden nur erzeugt, wenn ein Metallion in einer chiral Umgebung so ist, werden freie Metallionen in der Lösung nicht entdeckt. Das ist im Vorteil, nur das Protein-gebundene Metall zu beobachten, so werden PH-Abhängigkeit und stoichiometries sogleich erhalten. Die optische Tätigkeit in Übergang-Metallion-Komplexen ist configurational, conformational und den benachbarten Effekten zugeschrieben worden. Klewpatinond und Viles (2007) haben eine Reihe empirischer Regeln erzeugt, für das Äußere von sichtbaren CD-Spektren für Cu und Ni quadratplanare Komplexe vorauszusagen, die histidine und Hauptkette-Koordination einschließen.

CD gibt weniger spezifische Strukturinformation als Röntgenstrahl-Kristallographie und Protein NMR Spektroskopie zum Beispiel, den beide Atomentschlossenheitsdaten geben. Jedoch ist CD-Spektroskopie eine schnelle Methode, die große Beträge von Proteinen oder umfassende Datenverarbeitung nicht verlangt. So kann CD verwendet werden, um eine Vielzahl von lösenden Bedingungen, unterschiedlicher Temperatur, pH, Salzgehalt und der Anwesenheit verschiedenen cofactors zu überblicken.

CD-Spektroskopie wird gewöhnlich verwendet, um Proteine in der Lösung zu studieren, und so ergänzt es Methoden, die den festen Zustand studieren. Das ist auch eine Beschränkung, darin viele Proteine werden in Membranen in ihrem heimischen Staat eingebettet, und Lösungen, die Membranenstrukturen enthalten, zerstreuen sich häufig stark. CD wird manchmal in dünnen Filmen gemessen.

Experimentelle Beschränkungen

CD ist auch in Kohlenhydraten studiert worden, aber mit dem beschränkten Erfolg wegen der experimentellen Schwierigkeiten, die mit dem Maß von CD-Spektren im (VUV) ultravioletten Vakuumgebiet des Spektrums (100-200 nm) vereinigt sind, wo die entsprechenden CD-Bänder von uneingesetzten Kohlenhydraten lügen. Eingesetzte Kohlenhydrate mit Bändern über dem VUV Gebiet sind erfolgreich gemessen worden.

Das Maß der CD wird auch durch die Tatsache kompliziert, dass typische wässrige Puffersysteme häufig in der Reihe absorbieren, wo Struktureigenschaften Differenzialabsorption des kreisförmig polarisierten Lichtes ausstellen. Phosphat, Sulfat, Karbonat und Azetatpuffer sind mit der CD, wenn nicht gemacht, äußerst verdünnt z.B in der 10-50-Mm-Reihe allgemein unvereinbar. Das TRIS Puffersystem sollte völlig vermieden werden, wenn man weite-UV CD durchführt. Borate und Zusammensetzungen von Onium werden häufig verwendet, um die passende PH-Reihe für CD-Experimente zu gründen. Einige Experimentatoren haben gegen Fluorid das Chlorid-Ion ausgewechselt, weil Fluorid weniger im weiten UV absorbiert, und einige in reinem Wasser gearbeitet haben. Ein anderer, fast universal, Technik soll lösende Absorption minimieren, indem er kürzere Pfad-Länge-Zellen verwendet, wenn er im weiten UV arbeitet, 0.1-Mm-Pfad-Längen sind in dieser Arbeit ziemlich üblich.

Zusätzlich zum Messen in wässrigen Systemen kann CD, besonders weite-UV CD, in organischen Lösungsmitteln z.B Vinylalkohol, Methanol, trifluoroethanol (TFE) gemessen werden. Der Letztere ist im Vorteil, um Struktur-Bildung von Proteinen zu veranlassen, Beta-Platten in einigen und Alpha helices in anderen veranlassend, die sie unter normalen wässrigen Bedingungen nicht zeigen würden. Allgemeinste organische Lösungsmittel wie Acetonitril, THF, ist Chloroform, dichloromethane jedoch, unvereinbar mit der weiten-UV CD.

Es kann von Interesse sein, um zu bemerken, dass die nach der sekundären Struktur-Bewertung verwendeten Protein-CD-Spektren mit dem π zu π* Augenhöhlenabsorptionen der amide Obligationen verbunden sind, die die Aminosäuren verbinden. Diese Absorptionsbänder lügen teilweise im so genannten Vakuum ultraviolett (Wellenlängen weniger als ungefähr 200 nm). Das Wellenlänge-Gebiet von Interesse ist in Luft wegen der starken Absorption des Lichtes durch Sauerstoff an diesen Wellenlängen wirklich unzugänglich. In der Praxis werden diese Spektren nicht im Vakuum, aber in einem Instrument ohne Sauerstoff (gefüllt mit reinem Stickstoff-Benzin) gemessen.

Sobald Sauerstoff vielleicht beseitigt worden ist, soll der zweitwichtigste technische Faktor im Arbeiten unter 200 nm den Rest des optischen Systems entwerfen, um niedrige Verluste in diesem Gebiet zu haben. Kritisch ist in dieser Beziehung der Gebrauch von aluminized Spiegeln, deren Überzüge für den niedrigen Verlust in diesem Gebiet des Spektrums optimiert worden sind.

Die übliche leichte Quelle in diesen Instrumenten ist ein Hochdruck, kurzer Kreisbogen xenon Lampe. Gewöhnliche xenon Bogenlampen sind für den Gebrauch im niedrigen UV unpassend. Statt dessen besonders müssen gebaute Lampen mit Umschlägen, die von der hohen Reinheit synthetische verschmolzene Kieselerde gemacht sind, verwendet werden.

Das Licht von Synchrotron-Quellen hat einen viel höheren Fluss an kurzen Wellenlängen und ist verwendet worden, um CD unten zu 160 nm zu registrieren. Kürzlich wurde das CD-Spektrometer an der Elektronlagerungsringmöglichkeit ISA an der Universität von Aarhus in Dänemark verwendet, um CD-Spektren des festen Zustands unten zu 120 nm zu registrieren.

Am Quant sind mechanisches Niveau, der Informationsinhalt des Circulardichroismus und der optischen Folge identisch.

Siehe auch

• Kreisförmige Polarisation in der Natur
• Zweifarbigkeit
• Geradlinige Zweifarbigkeit
• Magnetischer Circulardichroismus
• Optische Tätigkeit

Optischer isomerism

• Optische Folge
• Optische Drehungsdispersion
• Schwingcirculardichroismus

Links

• Circulardichroismus hat erklärt
• Circulardichroismus an UMDNJ - eine gute Seite für die Information über die Struktur-Bewertungssoftware [gebrochene Verbindung]
• Elektromagnetische Wellen - Belebte elektromagnetische Wellen. Das Emanim Programm ist eine lehrende Quelle, um Studenten zu helfen, die Natur von elektromagnetischen Wellen und ihrer Wechselwirkung mit birefringent und dichroic Proben zu verstehen
• Eine Einführung in die Circulardichroismus-Spektroskopie - ein sehr guter Tutorenkurs auf der Circulardichroismus-Spektroskopie