圆二色谱原理与应用
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φ为初始相位 t为时间
我们平时看到的光为自然光具有: 1.方向随机性 自然光源向外发射方向性是随机的光量子
2. 不连续性
z 传播方向 360度旋转的轨迹 会产生无数初始相位不同的光量子
糖葫芦
这两个性质决定自然光具有如图所示的性质,既自然光可以看作圆柱形向 前传播的光
两束光的合成: 物理力学力的矢量合成:
平面偏振光 n1折射率
n2折射率
tan(i0)＝n2/n1 时i0 被称为布鲁斯特角 此时的反射光为平面偏振光，利用该原 理可制造起偏器。
双折射：
光轴
o-ray
光轴 45deg 45deg
e-ray
当一束光经过各向异性的晶体或其他状态的介质 时产生相互垂直的两束偏振光 o, e
当光离开晶体时的Φ2-Φ1=2*pi*l/(n0-ne)*入 四分之一波片 如果l=入/4 /(n0-ne) 则Φ2-Φ1=pi/2 此时如果入射光与光轴夹角为45度
On Line Circular Dichroism Analysis http://public-1.cryst.bbk.ac.uk/cdweb/html/
下载软件分析: http://www2.umdnj.edu/cdrwjweb/#Instructions
Cca分析 http://www2.chem.elte.hu/cgi-bin/ccaform 061122-5lyxPGDxoLsM6-00
圆二色谱Circular Dichroism (CD) 原理与应用
百度文库
光的性质：波粒二象性诞生
人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长 的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪 初开始， 其间牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳、爱因斯坦、波尔 等多位著名的科学家努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的 面纱，至二十世纪初以光的波粒 二象性告终，前后共三百多年的时间。
The peptide bond is inherently asymmetric & is always optically active
图为一些蛋白的(或肽)的标准园二谱图
我们以肌红蛋白为例
193nm
我们从图中看到了193,208,,223特征峰 与上一图中全螺旋的蛋白的特征峰基本相 同我们可以从这个信息断定我们样品的结 构主要为螺旋结构
a/(a+b+c)=螺旋含量 b/(a+b+c)=折叠含量 c/(a+b+c)=无规卷曲含量
Recommended Methods
• For determination of globular protein conformation in solution: SELCON, CDNN and K2D.
• Furthermore the HT plot is in realty a single beam spectra of our sample, since there is a direct relation between HT and sample absorbance. By data manipulation HT conversion into absorbance and buffer baseline subtraction is possible. Alternatively single beam absorbance scale can be used already in CH2 during data collection, loosing however a bit the alerting functions of this channel.
F1 F3
F2
物体受到的两个力F1,F2等同于物体受到这两个力的矢量合成F3 光的合成也遵循矢量合成: 其合成为电场矢量的合成与光强度的平方成正比
y
图相互垂直的片面偏振光
x
t0
t1 t2 t3 t4
Φ2-Φ1=0 t
取 t0,t1,t2,t3,t4时间的 截面
t0
t1
t2
t3
t4
合成平面偏振光
y x
时o,e的振幅相同则o,e合成的为圆偏振光.
圆二色谱仪器刨面图M为镜子,p为起偏器 ls代表等和水晶
CD特点
• 测量的θ非常小 • CD测量的为2.32*(AL-AR) 弧度 • 以样品有圆二信号一定要有紫外吸收但有
紫外吸收不一定由远而信号
CD谱在蛋白质研究中的应用
蛋白质分子的固有不对称性决定了蛋白质的光学活性 蛋白质的结构的不同表现出其对圆二色性特征的差异 所以我们可以通过圆二信号来测量蛋白质的结构信息
光源发射光量子
从演示中可以看出：光源发射的单个光量子的运动轨迹是一个轨迹为余弦 函数的简谐振动 轨迹方程为 x＝Acos（ωt＋φ）
而真实光源向外发射的是连续的光量子 如图所示:图中不同颜色的小球代表不同的光量子
所有光量子在一个平面上我们称之为平面偏振光 它的轨迹方程为x＝Acos（ωt＋φ） 公式中 A为振幅与光强度的平方成正比
• For determination of polypeptide conformation: LINCOMB with a suitable polypeptide set of references.
• For determining the effects of mutation s, ligands and perturbants on protein structure: LINCOMB.
CD实验要点
仪器操作及参数:
Nitrogen flushing
Flushing the optics with dry nitrogen is a must:
• Xe lamp has a quartz envelope, so if operated in air it’ll develop a lot of ozone, harmful for the mirrors
垂直传播方向 圆偏振光
下面我们研究以下两束圆偏振光的合成:
两束旋转方向相反的圆偏振光如果振幅相同（振幅与光强度的平方成正比） 矢量合成为平面偏振光。
如果振幅不等则根据公式
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
合成为下图右图所示的椭圆偏振光！
圆二色性
各向异性的物质对不同方向的光吸收不同如图所示：
Φ2-Φ1=pi/2 AX=AY pi=3.141592
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
x=AXcos(Wt+Φ1) y=AYcos(Wt+Φ2)
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
如果AX=AY合成轨迹为圆
如果AX= AY合成轨迹为椭圆
园二二级结构分析相关文献 http://lamar.colostate.edu/~sreeram/PDF/index.html
Cdpro分析:定期更新:SELCON3, CDSSTR,and CONTIN CLUSTER http://lamar.colostate.edu/~sreeram/CDPro/
208nm
223nm
当我们得到一个图谱可以通过下表来和前面提到的标准图谱来判断我们 样品的结构信息
对于螺旋性较高的蛋白可以通过下式初步估算螺旋的含量: 但是准确性较差不推荐
但一般蛋白的结构信息是较复杂的并非标准的螺旋或折叠之类的结构 对于这些蛋白结构的分析我们要选择合适的软件和算法进行分析
—— chymotrypsin (all b) —— lysozyme (a + b) —— triosephosphate isomerase(a/b) —— myoglobin (all a)
• below 195nm oxygen will absorb radiation
氮气流量
15-20 for >180nm >20 for <180nm
温度:圆二信号同紫外和荧光一样对温度十分敏感 实验平行体系温度要保持一致 房间空调,同时仪器控温
HT plot
• The HT plot is very important, since readings above 600-650V mean that not enough light is reaching the detector so a sample dilution or the use of shorter path cell are required.
e e8 e7 6ee
e 1e 2 e
3
54
晶轴
垂直晶轴 电气石晶体
当自然光入射到电气石晶片的时,晶片强烈地吸收振动平面与晶轴 垂直的光波,而只允许振动平面平行与晶轴的光波通过,因此通过晶 片的光就变为具有一定平面的偏振光.
平面不对称的分子具有各向异性 如氨基酸核酸、手性分子 也对偏振光有调节活性
. . . . .
△ξ
v1
v2
v3
v4
v5
v6
v7
×b +
v8 v9
v10
v11
v13
v14
v15
v16
.
.
.
.
.
×c=
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v13 v14 v15 v16 . . . . .
αHelix βsheet Random coil 测量的样品谱 通过最最小二乘法求解出最优a,b,c的值
为了方便比较 我们用θ来描 述椭圆的信息
泰勒一阶展开式
度
圆二机器测量值
Per residue 2)
in proper units (CD spectroscopists use decimol)
光谱学家一般采用摩尔椭圆率 和 Deltaepslon大家形成统 一的单位易于比较
偏振光的产生:
折射： i0
从CD谱分析准确性
对全a、 a /b和变性蛋白质的准确度90-100% 对a + b的准确度为85% 对全b的准确度为75%
Applications of CD in structural biology
• Determination of secondary structure of proteins that cannot be crystallised
• For evaluating the number of folding states giving rise to a set of spectra: The CCA algorithm and SVD.
The Protein Circular Dichroism DataBank (PCDDB) http://pcddb.cryst.bbk.ac.uk /
CD谱的分析算法很多但是最主要的都是基于最小二乘法:
180nm 260nm
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v13 v14 v15 v16 . . . . .
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8
×a + v9
v10 v11 v13 v14 v15 v16
当两束圆偏振光照射到含有这类分子的溶液时:
sample solution 溶液对左旋和右旋的圆偏振光的吸收不同这会导致 EL不等于ER 根据我们前面对振幅不同的两束圆偏正光的叠加现象 可以判断透过样品溶液的光变为一束椭圆偏振光
当溶液中的样品的结构不同,或成分不同我们可以得到不同的椭圆 反过来我们可以通过检测两束旋转方向相反的圆偏振光透过样品 所产生的椭圆的不同来判断样品所含的成分,和结构信息。
• Investigation of the effect of e.g. drug binding on protein secondary structure
• Dynamic processes, e.g. protein folding • Studies of the effects of environment on protein structure • Secondary structure and super-secondary structure of membrane
proteins • Study of ligand-induced conformational changes • Carbohydrate conformation • Investigations of protein-protein and protein-nucleic acid interactions • Fold recognition
粒子性：光是某种粒子即光量子，具有粒子的性质 如 反射，散射等现象。 墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验， 并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释， 并用此原理解释了物体和投影的关系。
波动性：即光具有波动性，有衍射、干涉等性质
爱因斯坦提出了光量子论，解释了光电现象， 揭示了微观客体的波粒二重性
我们平时看到的光为自然光具有: 1.方向随机性 自然光源向外发射方向性是随机的光量子
2. 不连续性
z 传播方向 360度旋转的轨迹 会产生无数初始相位不同的光量子
糖葫芦
这两个性质决定自然光具有如图所示的性质,既自然光可以看作圆柱形向 前传播的光
两束光的合成: 物理力学力的矢量合成:
平面偏振光 n1折射率
n2折射率
tan(i0)＝n2/n1 时i0 被称为布鲁斯特角 此时的反射光为平面偏振光，利用该原 理可制造起偏器。
双折射：
光轴
o-ray
光轴 45deg 45deg
e-ray
当一束光经过各向异性的晶体或其他状态的介质 时产生相互垂直的两束偏振光 o, e
当光离开晶体时的Φ2-Φ1=2*pi*l/(n0-ne)*入 四分之一波片 如果l=入/4 /(n0-ne) 则Φ2-Φ1=pi/2 此时如果入射光与光轴夹角为45度
On Line Circular Dichroism Analysis http://public-1.cryst.bbk.ac.uk/cdweb/html/
下载软件分析: http://www2.umdnj.edu/cdrwjweb/#Instructions
Cca分析 http://www2.chem.elte.hu/cgi-bin/ccaform 061122-5lyxPGDxoLsM6-00
圆二色谱Circular Dichroism (CD) 原理与应用
百度文库
光的性质：波粒二象性诞生
人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长 的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪 初开始， 其间牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳、爱因斯坦、波尔 等多位著名的科学家努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的 面纱，至二十世纪初以光的波粒 二象性告终，前后共三百多年的时间。
The peptide bond is inherently asymmetric & is always optically active
图为一些蛋白的(或肽)的标准园二谱图
我们以肌红蛋白为例
193nm
我们从图中看到了193,208,,223特征峰 与上一图中全螺旋的蛋白的特征峰基本相 同我们可以从这个信息断定我们样品的结 构主要为螺旋结构
a/(a+b+c)=螺旋含量 b/(a+b+c)=折叠含量 c/(a+b+c)=无规卷曲含量
Recommended Methods
• For determination of globular protein conformation in solution: SELCON, CDNN and K2D.
• Furthermore the HT plot is in realty a single beam spectra of our sample, since there is a direct relation between HT and sample absorbance. By data manipulation HT conversion into absorbance and buffer baseline subtraction is possible. Alternatively single beam absorbance scale can be used already in CH2 during data collection, loosing however a bit the alerting functions of this channel.
F1 F3
F2
物体受到的两个力F1,F2等同于物体受到这两个力的矢量合成F3 光的合成也遵循矢量合成: 其合成为电场矢量的合成与光强度的平方成正比
y
图相互垂直的片面偏振光
x
t0
t1 t2 t3 t4
Φ2-Φ1=0 t
取 t0,t1,t2,t3,t4时间的 截面
t0
t1
t2
t3
t4
合成平面偏振光
y x
时o,e的振幅相同则o,e合成的为圆偏振光.
圆二色谱仪器刨面图M为镜子,p为起偏器 ls代表等和水晶
CD特点
• 测量的θ非常小 • CD测量的为2.32*(AL-AR) 弧度 • 以样品有圆二信号一定要有紫外吸收但有
紫外吸收不一定由远而信号
CD谱在蛋白质研究中的应用
蛋白质分子的固有不对称性决定了蛋白质的光学活性 蛋白质的结构的不同表现出其对圆二色性特征的差异 所以我们可以通过圆二信号来测量蛋白质的结构信息
光源发射光量子
从演示中可以看出：光源发射的单个光量子的运动轨迹是一个轨迹为余弦 函数的简谐振动 轨迹方程为 x＝Acos（ωt＋φ）
而真实光源向外发射的是连续的光量子 如图所示:图中不同颜色的小球代表不同的光量子
所有光量子在一个平面上我们称之为平面偏振光 它的轨迹方程为x＝Acos（ωt＋φ） 公式中 A为振幅与光强度的平方成正比
• For determination of polypeptide conformation: LINCOMB with a suitable polypeptide set of references.
• For determining the effects of mutation s, ligands and perturbants on protein structure: LINCOMB.
CD实验要点
仪器操作及参数:
Nitrogen flushing
Flushing the optics with dry nitrogen is a must:
• Xe lamp has a quartz envelope, so if operated in air it’ll develop a lot of ozone, harmful for the mirrors
垂直传播方向 圆偏振光
下面我们研究以下两束圆偏振光的合成:
两束旋转方向相反的圆偏振光如果振幅相同（振幅与光强度的平方成正比） 矢量合成为平面偏振光。
如果振幅不等则根据公式
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
合成为下图右图所示的椭圆偏振光！
圆二色性
各向异性的物质对不同方向的光吸收不同如图所示：
Φ2-Φ1=pi/2 AX=AY pi=3.141592
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
x=AXcos(Wt+Φ1) y=AYcos(Wt+Φ2)
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
如果AX=AY合成轨迹为圆
如果AX= AY合成轨迹为椭圆
园二二级结构分析相关文献 http://lamar.colostate.edu/~sreeram/PDF/index.html
Cdpro分析:定期更新:SELCON3, CDSSTR,and CONTIN CLUSTER http://lamar.colostate.edu/~sreeram/CDPro/
208nm
223nm
当我们得到一个图谱可以通过下表来和前面提到的标准图谱来判断我们 样品的结构信息
对于螺旋性较高的蛋白可以通过下式初步估算螺旋的含量: 但是准确性较差不推荐
但一般蛋白的结构信息是较复杂的并非标准的螺旋或折叠之类的结构 对于这些蛋白结构的分析我们要选择合适的软件和算法进行分析
—— chymotrypsin (all b) —— lysozyme (a + b) —— triosephosphate isomerase(a/b) —— myoglobin (all a)
• below 195nm oxygen will absorb radiation
氮气流量
15-20 for >180nm >20 for <180nm
温度:圆二信号同紫外和荧光一样对温度十分敏感 实验平行体系温度要保持一致 房间空调,同时仪器控温
HT plot
• The HT plot is very important, since readings above 600-650V mean that not enough light is reaching the detector so a sample dilution or the use of shorter path cell are required.
e e8 e7 6ee
e 1e 2 e
3
54
晶轴
垂直晶轴 电气石晶体
当自然光入射到电气石晶片的时,晶片强烈地吸收振动平面与晶轴 垂直的光波,而只允许振动平面平行与晶轴的光波通过,因此通过晶 片的光就变为具有一定平面的偏振光.
平面不对称的分子具有各向异性 如氨基酸核酸、手性分子 也对偏振光有调节活性
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△ξ
v1
v2
v3
v4
v5
v6
v7
×b +
v8 v9
v10
v11
v13
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v15
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×c=
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v13 v14 v15 v16 . . . . .
αHelix βsheet Random coil 测量的样品谱 通过最最小二乘法求解出最优a,b,c的值
为了方便比较 我们用θ来描 述椭圆的信息
泰勒一阶展开式
度
圆二机器测量值
Per residue 2)
in proper units (CD spectroscopists use decimol)
光谱学家一般采用摩尔椭圆率 和 Deltaepslon大家形成统 一的单位易于比较
偏振光的产生:
折射： i0
从CD谱分析准确性
对全a、 a /b和变性蛋白质的准确度90-100% 对a + b的准确度为85% 对全b的准确度为75%
Applications of CD in structural biology
• Determination of secondary structure of proteins that cannot be crystallised
• For evaluating the number of folding states giving rise to a set of spectra: The CCA algorithm and SVD.
The Protein Circular Dichroism DataBank (PCDDB) http://pcddb.cryst.bbk.ac.uk /
CD谱的分析算法很多但是最主要的都是基于最小二乘法:
180nm 260nm
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v13 v14 v15 v16 . . . . .
△ξ
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8
×a + v9
v10 v11 v13 v14 v15 v16
当两束圆偏振光照射到含有这类分子的溶液时:
sample solution 溶液对左旋和右旋的圆偏振光的吸收不同这会导致 EL不等于ER 根据我们前面对振幅不同的两束圆偏正光的叠加现象 可以判断透过样品溶液的光变为一束椭圆偏振光
当溶液中的样品的结构不同,或成分不同我们可以得到不同的椭圆 反过来我们可以通过检测两束旋转方向相反的圆偏振光透过样品 所产生的椭圆的不同来判断样品所含的成分,和结构信息。
• Investigation of the effect of e.g. drug binding on protein secondary structure
• Dynamic processes, e.g. protein folding • Studies of the effects of environment on protein structure • Secondary structure and super-secondary structure of membrane
proteins • Study of ligand-induced conformational changes • Carbohydrate conformation • Investigations of protein-protein and protein-nucleic acid interactions • Fold recognition
粒子性：光是某种粒子即光量子，具有粒子的性质 如 反射，散射等现象。 墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验， 并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释， 并用此原理解释了物体和投影的关系。
波动性：即光具有波动性，有衍射、干涉等性质
爱因斯坦提出了光量子论，解释了光电现象， 揭示了微观客体的波粒二重性