圆二色光谱_CD_
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圆二色光谱（CD光谱）
主要内容
1 2 3 4 5 6 预备知识 圆二色光谱 圆二色光谱仪的基本构造
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
蛋白质CD光谱图的分析 CD样品制备及条件选择
预备知识
平面偏振光:
振动方向保持不变（只 在一个平面上振动） 振幅发生周期性变化
平面偏振光的产生: 自然光通过起偏器（偏振 片或Nicol棱镜）。
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 f i C i
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。 用于拟合的参考蛋白质共有48种，包括有Johnson等报道的29种， Keiderling等报道的5种， Yang等报道的6种及Sreerama等最近报道的3种 球蛋白和5种失活蛋白质。
CD测量的样品准备及条件选择
例 :
扫描波长范围（Range）250 ~190 nm； 辨析率（Resolution）0.5 nm ； 波长宽度（Band width）1.0 nm； 灵敏度（Sensitivity）20mdeg ； 响应度（Response）0.5 sec； 扫描速度（Speed）200 nm/min； 扫描次数（Accumulation）6。
α-螺旋 （α-helix）
221~222nm(-) 207~210nm(-) 191nm(+)
β-折叠 （β-sheet）
β-转角 （β-turn）
n→π ﹡ π →π ﹡
n→π ﹡ π →π ﹡
217~218nm(-) 195~197nm(+)
227nm(-) 弱 200~205nm(+) 192.5(-)强 230nm(-) 215~218nm （+）
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 电子跃迁 形式 n→π ﹡ π →π ﹡ 极值的波长 [θ]*103 Deg.cm2/dmol -38~-40 -36~-40 72~86
蛋白质CD光谱分析——定量分析
计算方法和拟合程序：
已报道的计算方法和拟合程序较多，按先后分别有：
多级线性回归：拟合程序为G&F，LINCOMB，MLR；
峰回归：拟合程序为CONTIN； 单值分解：拟合程序为SVD；
凸面限制：拟合程序为CCA；
神经网络：拟合程序为K2D； 自洽方法：拟合程序为 SELCON ；以及最近发展的一种联用方
圆二色光谱仪的基本构造
美国Aviv公司 Model400型圆二色光谱仪
圆二色光谱在蛋白质结构研究中的应用 蛋白质的圆二色性
(1)由氨基酸通过肽键连接而成； (2)光学活性基团：肽键、芳香氨基酸残基、二硫桥键； (3)蛋白质有多个结构层次，相同的氨基酸序列，因蛋白 质的折叠结构不同，基团的光学活性受到影响。
195~202nm(-)强
-19~-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 28~42
无规卷曲 (random coil)
π →π ﹡
-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)
α —螺旋
β —折叠
β —转角
P2结构
蛋白质CD光谱分析——定性分析
法，拟合程序为CDSSR 。
蛋白质CD光谱分析——定量分析
SELCON：Sreermna和Woody在原有的一些算法上进行 改进得到，其新的计算程序为SELCON3 程序采用自洽 算法，假设待测蛋白质的二级结构与某种已准确测定结 构的参考蛋白质相同，用测量的CD谱取代参考蛋白质的 CD谱，用单值分解算法(SVD)和多种局部线性化模型， 反复计算取代后的收敛性。 CONTIN ：由Provencher 和 Glokner 提出，最新的拟合程 序是CONTIN／LL。该方法采用峰回归算法，假设待测 蛋白质的 CD 光谱是 N 个已知构象的参考蛋白质 CD 光谱 的线性组合，进行拟合计算，使下面函数的值最小。
calc obs 2 2 1 2 ( C C ) ( N ) j n N
1
j 1
蛋白质CD光谱分析——定量分析
CDSSTR： Johnson综合了几种方法的特点，发展起来的 一种新的计算拟合方法。其特点是只需要最少量的参考蛋 白质，就能得到较好的分析结果。拟合计算时，先从已知 精确构象的蛋白质中任意挑选，组成参考蛋白质。每次组 合结果应满足3个基本选择条件： (1)各二级结构分量之和应在0.95~1.05之间； (2)各二级结构的分量应大于-0.03； (3)实验光谱与计算光谱间的均方根应小于0.25。 最后的拟合结果是能满足以上 3 个规则所有结果的平 均值。
CD测量的样品准备及条件选择
测试用的蛋白质样品中应避免含有光吸收的杂质，缓冲 剂和溶剂在配制溶液前最好做单独的检查，透明性极好 的磷酸盐可用作为缓冲体系。 CD光谱的测量一般在蛋白质含量相对低(0.01~0.2g/L)的 稀溶液中进行，溶液最大的吸收不超过2。 溶液浓度的测定：紫外光谱法、定量氨基酸分析；缩二 脲方法、测氮元素的浓度、考马斯亮蓝染料结合比色法、 在完全变性条件下测芳香氨基酸残基的吸收。（《蛋白 质分子基础》高等教育出版社） 测试条件：环境温度 25℃， 相对湿度60%。
电场矢量
传播方向
起偏器
预备知识
圆偏振光: 振幅保持不变，而方向周期性变化，电场矢量绕传播方向 螺旋前进。
左右旋圆偏振光：
预备知识
光学活性物质 能使射入物质的平 面偏振光的偏振面旋 转的物质称为旋光性 物质或光学活性物质。 具有手性结构的分子 才有光学活性。 圆二色性 当光通过光学活性物质时，介质对左右旋圆 偏振光的吸收率不同，二者的差称为该物质 的圆二色性（circular dichroism，简写为 CD）。
圆二色光谱
光学活性物质对左右旋圆偏振光的吸收率之差 是随入射偏振光的波长变化而变化的。以 或有关量为纵坐标，波长为横坐标，得到的图谱。 由于 绝对值很小，常用摩尔椭圆度 来代替， 二者的关系是：
圆二色光谱
当光学活性化合物对光没有特征吸收时，在谱图 中仅为一条近似水平的直线。 当光学活性化合物对光存在特征吸收时，通常有 两种情况：当 > 时，得到一个正性的圆二色 光谱曲线；当 < 时，得到一个负性的圆二色 光谱曲线。
主要内容
1 2 3 4 5 6 预备知识 圆二色光谱 圆二色光谱仪的基本构造
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
蛋白质CD光谱图的分析 CD样品制备及条件选择
预备知识
平面偏振光:
振动方向保持不变（只 在一个平面上振动） 振幅发生周期性变化
平面偏振光的产生: 自然光通过起偏器（偏振 片或Nicol棱镜）。
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 f i C i
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。 用于拟合的参考蛋白质共有48种，包括有Johnson等报道的29种， Keiderling等报道的5种， Yang等报道的6种及Sreerama等最近报道的3种 球蛋白和5种失活蛋白质。
CD测量的样品准备及条件选择
例 :
扫描波长范围（Range）250 ~190 nm； 辨析率（Resolution）0.5 nm ； 波长宽度（Band width）1.0 nm； 灵敏度（Sensitivity）20mdeg ； 响应度（Response）0.5 sec； 扫描速度（Speed）200 nm/min； 扫描次数（Accumulation）6。
α-螺旋 （α-helix）
221~222nm(-) 207~210nm(-) 191nm(+)
β-折叠 （β-sheet）
β-转角 （β-turn）
n→π ﹡ π →π ﹡
n→π ﹡ π →π ﹡
217~218nm(-) 195~197nm(+)
227nm(-) 弱 200~205nm(+) 192.5(-)强 230nm(-) 215~218nm （+）
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 电子跃迁 形式 n→π ﹡ π →π ﹡ 极值的波长 [θ]*103 Deg.cm2/dmol -38~-40 -36~-40 72~86
蛋白质CD光谱分析——定量分析
计算方法和拟合程序：
已报道的计算方法和拟合程序较多，按先后分别有：
多级线性回归：拟合程序为G&F，LINCOMB，MLR；
峰回归：拟合程序为CONTIN； 单值分解：拟合程序为SVD；
凸面限制：拟合程序为CCA；
神经网络：拟合程序为K2D； 自洽方法：拟合程序为 SELCON ；以及最近发展的一种联用方
圆二色光谱仪的基本构造
美国Aviv公司 Model400型圆二色光谱仪
圆二色光谱在蛋白质结构研究中的应用 蛋白质的圆二色性
(1)由氨基酸通过肽键连接而成； (2)光学活性基团：肽键、芳香氨基酸残基、二硫桥键； (3)蛋白质有多个结构层次，相同的氨基酸序列，因蛋白 质的折叠结构不同，基团的光学活性受到影响。
195~202nm(-)强
-19~-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 28~42
无规卷曲 (random coil)
π →π ﹡
-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)
α —螺旋
β —折叠
β —转角
P2结构
蛋白质CD光谱分析——定性分析
法，拟合程序为CDSSR 。
蛋白质CD光谱分析——定量分析
SELCON：Sreermna和Woody在原有的一些算法上进行 改进得到，其新的计算程序为SELCON3 程序采用自洽 算法，假设待测蛋白质的二级结构与某种已准确测定结 构的参考蛋白质相同，用测量的CD谱取代参考蛋白质的 CD谱，用单值分解算法(SVD)和多种局部线性化模型， 反复计算取代后的收敛性。 CONTIN ：由Provencher 和 Glokner 提出，最新的拟合程 序是CONTIN／LL。该方法采用峰回归算法，假设待测 蛋白质的 CD 光谱是 N 个已知构象的参考蛋白质 CD 光谱 的线性组合，进行拟合计算，使下面函数的值最小。
calc obs 2 2 1 2 ( C C ) ( N ) j n N
1
j 1
蛋白质CD光谱分析——定量分析
CDSSTR： Johnson综合了几种方法的特点，发展起来的 一种新的计算拟合方法。其特点是只需要最少量的参考蛋 白质，就能得到较好的分析结果。拟合计算时，先从已知 精确构象的蛋白质中任意挑选，组成参考蛋白质。每次组 合结果应满足3个基本选择条件： (1)各二级结构分量之和应在0.95~1.05之间； (2)各二级结构的分量应大于-0.03； (3)实验光谱与计算光谱间的均方根应小于0.25。 最后的拟合结果是能满足以上 3 个规则所有结果的平 均值。
CD测量的样品准备及条件选择
测试用的蛋白质样品中应避免含有光吸收的杂质，缓冲 剂和溶剂在配制溶液前最好做单独的检查，透明性极好 的磷酸盐可用作为缓冲体系。 CD光谱的测量一般在蛋白质含量相对低(0.01~0.2g/L)的 稀溶液中进行，溶液最大的吸收不超过2。 溶液浓度的测定：紫外光谱法、定量氨基酸分析；缩二 脲方法、测氮元素的浓度、考马斯亮蓝染料结合比色法、 在完全变性条件下测芳香氨基酸残基的吸收。（《蛋白 质分子基础》高等教育出版社） 测试条件：环境温度 25℃， 相对湿度60%。
电场矢量
传播方向
起偏器
预备知识
圆偏振光: 振幅保持不变，而方向周期性变化，电场矢量绕传播方向 螺旋前进。
左右旋圆偏振光：
预备知识
光学活性物质 能使射入物质的平 面偏振光的偏振面旋 转的物质称为旋光性 物质或光学活性物质。 具有手性结构的分子 才有光学活性。 圆二色性 当光通过光学活性物质时，介质对左右旋圆 偏振光的吸收率不同，二者的差称为该物质 的圆二色性（circular dichroism，简写为 CD）。
圆二色光谱
光学活性物质对左右旋圆偏振光的吸收率之差 是随入射偏振光的波长变化而变化的。以 或有关量为纵坐标，波长为横坐标，得到的图谱。 由于 绝对值很小，常用摩尔椭圆度 来代替， 二者的关系是：
圆二色光谱
当光学活性化合物对光没有特征吸收时，在谱图 中仅为一条近似水平的直线。 当光学活性化合物对光存在特征吸收时，通常有 两种情况：当 > 时，得到一个正性的圆二色 光谱曲线；当 < 时，得到一个负性的圆二色 光谱曲线。