圆二色谱

圆二色谱与结构预测
院系：生命科学学院
年级：2010
：王劲松
学号：**********
任课教师姓名：祁超、付子英完成时间：2013年1月13日
目录
一．摘要 (3)
二．关键字 (3)
三．引言 (3)
四．正文 (3)
1.手性 (3)
2圆二色谱的产生 (4)
3相关的计算 (5)
4圆二色谱的应用 (6)
4.1圆二色谱法区分重组蛋白成分 (6)
4.2.判断酶构象的变化 (6)
4.3.判断产物的生成 (7)
4.4.用于药物开发中药效的检测 (7)
5应用前景展望 (8)
6.致谢 (8)
五．参考文献 (8)
圆二色谱与结构预测
王劲松指导老师：祁超、付子英
(华中师范大学生命科学学院湖北武汉430079)
摘要：目前测定化合物空间结构的方法有很多，常用方法有：1）化学转化法；2）旋光比较法；3）旋光谱(ORD)和CD法；4）单晶X—射线衍射法；5）核磁共振法等。

化学转变法是一种消耗性测定方法，样品用量大；旋光比较法准确度较低，重现性不好；单晶X一射线衍射法只能测定晶体化合物的立体结构；核磁共振法则需要用到昂贵的手性试剂。

CD法与其他方法相比具有样品用量少、可回收，能测定非结晶性化合物的立体结构，操作简便、迅速等优点，因而在天然药物化学的研究中受到越来越广泛的应用【1】。

关键字：圆二色谱；手性分子；旋光；空间结构
当一束平面偏振光通过光学活性介质传播时，由于介质对二分量的消光系数εl和εr不等，即对左旋光和右旋光的吸收不同，一束平面偏振光通过该样品后，其左旋分量和右旋分量强度不再相同，它们的和就不再是平面偏振光而是椭圆偏振光，这种现象就叫做“圆二色(Circular dichroism)”，据此产生的谱带就是圆二色谱。

圆二色谱是一种特殊的吸收光谱，它对手性分子的构象十分敏感，而正常生活状态的生物体所含有的生物大分子差不多都具有光学活性，因而圆二色谱是研究分子三维空间结构和不对称性的有效方法，可方便地对溶液中生物大分子进行研究。

下面我们就什么是手型，圆二色谱产生的机理以及具体的计算，圆二色谱在生物研究上的应用和展望做进一步的介绍。

1.手性
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【2】。

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)。

2.圆二色谱的产生
当一束平面偏振光(Plane Polarized Light)通过某种物质传播时，若出射光的偏振面相对于入射光的偏振面旋转一定的角度，这种物质称之为“光学活性物质(Optically active substance)”或“手性物质”(Chiral substance)”。

这种性质则称为“光学活性”(Optical activity)或“手征性(Chirality)”。

光学活性物质除使入射到它上面并通过它传播的平面偏振光的偏振面旋转一定的角度之外(称为“旋光”)，还会存在光吸收各向异性，称为"园二色性"。

活的生物体所含有的分子差不多都具有光学活性。

小分子的光学活性来源于其结构的不对称性，特别是分子中存在的不对称的碳原子以及这些原子对附近生色团(Chromophore)的影响。

生物大分子的构象与其所表现出来的生物活性有着密切的关系，因此园二色性测量技术是研究生物大分子构象及其功能间关系的重要手段。

对于没有光学活性的物质，依据法拉第效应原理，在外加磁场作用下，许多物质也具有了光学活性，跟原本测出的CD谱比较，CD信号也将增大几个量级。

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，因而近十几年来，
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【2】。

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。

3.相关的计算
一束平面偏振光可以分解为两束振幅、频率相同，旋转方向相反的圆偏振光(Circular polarized light)
E =E 0cos ωt =j E 0cos ωt =E r +E l
E r ＝1/2(+i E sinωt+j Ecosωt) (5)
E l ＝1/2(-i Esinωt+j Ecosωt ) (6)
其中E 为平面偏振光电场矢量的振幅，ω为其角频率，i 和j 为x 轴和y 轴上的单位矢量。

右旋园偏振光的电场矢量E r 之端点在空间的轨迹是以光的传播方向为轴的左手螺旋，而左旋园偏振光E l 之端点在空间的轨迹是以光的传播方向为轴的右手螺旋，它们的振动面随时间而旋转。

对于光学各向异性物质，它对左旋园偏振光和右旋园偏振光的折射率n l 和n r 是不同的，二者之差Δｎ= n l - n r 称为圆双折射。

由于 C ：为真空中的光速，V ：为光在介质中的速度。

因此某种物质存在圆双折射，入射的平面偏振光之左旋分量和右旋分量将以不同的传播速度通过介质，通过该物质后，两者之间存在一定的相位差，若该介质对左旋分量和右旋分量的吸收相同，出射的两束圆偏振光分量将重新合成平面偏振光(而不是圆偏振光或椭圆偏振光）。

v
c n =
4.圆二色谱的应用
近二十年来，随着计算机计算速度的提高和密度泛函理论(DFT)特别是含时密度泛函理论(TDDFT)的发展，已有可能精确计算中等及较大分子激发态的性质和圆二色谱(CD)，并据此与实验谱对照来确定有关配合物的绝对构型和理化性质已获得成功，例如：Ziegler课题组曾用TDDFT方法对一系列熟知的过渡金属配合物重新进行了计算，得出了一些新结果和新认识。

最近山西大学分子科学研究所的杨翊韬【3】等人也对钌(II)的二胺类配合物手征光学性质进行了理论分析，得到了很好的结果。

但是圆二色谱的应用是多方面的。

4.1.圆二色谱法区分重组蛋白成分
生物固氮是自然界最重要的生物化学反应之一，催化该反应的是一种厌氧金属复合蛋白酶——固氮酶。

固氮菌中同时存在3种不同基因编码的固氮酶系，即含Mo固氮酶、含V固氮酶、含Fe固氮酶。

这些固氮酶都由两种组分蛋白组成。

例如，经典的含Mo固氮酶由组分I蛋白（MoFe蛋白）和组分II蛋白（Fe蛋白）组成。

通常把从A.vinelandii纯化得到的这两种蛋白分别称为Av1和Av2。

Av2为由nifH编码的二聚体，Av1则为由nifD和nifK分别编码的α和β亚基组成的四聚体。

Av1的金属原子簇的体外拆装研究已经显出一种新固氮酶——CrFe蛋白存在的初步证据，但是很难对混有含量占一半多活性Av1的重组蛋白CrFe蛋白进行准确鉴定。

在2006年由西北大学生命科学院张志刚【4】等采用圆二色谱分析的方法加以证明。

OP Av1蛋白与CrFe蛋白相比，虽然两者的可见光CD谱较为相似，但是CrFe蛋白制备物的摩尔椭圆率在350-450和480-610显得略低，而在610-700则显得略高，从而可以用元二色谱法将两者区分开来！
4.2.判断酶构象的变化
目前越来越多的消费者在追求高质量食品的同时，对食品的新鲜度也提出了相应的要求。

希望在食品加工过程中能保持其原有的新鲜度，因而导致了最小加工量食品概念的诞生，推动了非热杀菌技术的进一步的研发。

因此，高压脉冲电场应运而生，与传统的热杀菌工艺如巴氏杀菌、商业灭菌相比，高压脉冲电场技
术(PEF)在保持果汁原有的风味、色泽、口感和营养方面有很大的优势，而且作用时间短，通常就几十个或几百个脉冲。

在食品加工中通常是用热处理来钝化食品中的酶活，近几年来，脉冲电场作为一种在钝化酶方面具有潜力的非热加工技术引起人们的普遍关注。

2005年中国农业大学的钟葵等【5】采用圆二色谱法对经过高压脉冲电场技术处理过的食物中的过氧化物酶构象的改变进行了系统的研究，进一步拓宽了园二色谱技术的应用范围。

4.3.判断产物的生成
卟啉化合物作为制备发红光的有机电致发光器件的材料一直引起人们的极大关注，例如将四苯基卟啉(TPPH2)及其Zn配合物(ZnTPP)、八乙基铂卟啉(PtOEP)等掺杂在主体材料中，都能得到发红光的有机发光器件。

另一方面，近年来有机圆偏振发光材料(CPL)受到了人们的高度关注，CPL材料在液晶显示器背光源、光电信息储存和处理等方面都具有重要的应用价值。

获得有机圆偏振发光材料的有效方法是将一定的手性基团引入到发光分子中，由于手性基团的引入，分子产生螺旋的排列，螺旋排列的分子在光的吸收和发射时都处于光活性状态，结果分子会出现圆偏振吸收和圆偏振发射现象【6】。

2007年四川大学和四川师范大学的骆开均晋军【7】等以四苯基卟啉为母体，通过接枝光活性的胆甾醇酯侧链，合成了3种具有不同链长的胆甾醇侧链的卟啉配体和相应的金属Zn配合物，并对它们在PMMA薄膜中的圆偏振吸收性质进行了研究。

4.4用于药物开发中药效的检测
海藻酸钠是从海藻细胞壁和细胞间质中提取的天然生物大分子，由古洛糖醛酸(记为G单元)与其立体异构体甘露糖醛酸(记为M单元)两种结构单元通过
α(1-4)糖苷键链接而成的线性嵌段共聚物。

由于古洛糖醛酸和甘露糖醛酸两种糖单元立体构象的不同，使它们的各种物理化学性能也不同，两种糖醛酸在分子中的比例和序列顺序变化，都会直接导致海藻酸的性质差异，如粘性、胶凝性、离子选择性等。

钙锌为生物元素中的必需元素，钙锌对生命活动有重要意义，海藻酸钠与钙锌离子形成凝胶，在药物缓释、功能食品、保健品等领域有很多用途。

2006年天津大学的李红兵【8】博士采用元二色谱法观察钙锌离子与海藻酸钠所成凝胶的外观形貌和对药物缓释性能的不同，从而为药物的开发提供了依据。

5应用前景展望
目前,确定蛋白质构象最准确的方法是X-射线晶体衍射,但对结构复杂、柔性的生物大分子蛋白质来说,得到所需的晶体结构较为困难。

二维、多维核磁共振技术能测出溶液状态下较小蛋白质的构象,可是对分子量较大的蛋白质的计算处理非常复杂【9】。

相比之下,圆二色光谱是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。

随着人们对生命科学的日益关注,分析化学的深入发展将越来越重视和加强
生物分析。

特别是人类基因测序工程完成后,因生物、医学上的需要,使与蛋白质的相关研究成为生物分析中的重要课题，而圆二色谱法分析生物大分子的结构将成为越来越重要的一种方法。

致谢：在本论文的写作过程中，生科院的很多同学提供了宝贵的意见和一些珍贵的资料，由于牵涉到个人隐私在此不再一一列举，对此表示无尽的感激！
参考文献
[1]左文健,吴杰,聂韦,安学勤等.用圆二色谱法测定齐墩果酸的绝对构型[J].武汉生物工程学院学报,2010,6（1）:30-33.
[2]王琼玲.圆二色谱概况[J].无机化学学报,2009,7（2）:16-18.
[3]杨翊韬,王越奎,王炎等.手性配合物[M(bipy)3]2+(M=Fe,Ru,Os)圆二色谱的理论解析[J].中国科学,2010,40（8）:1091-1098.
[4]张志刚,赵颖,张纯喜等.Cr介质中生长的棕色固氮菌突变株的UW3固氮酶CrFe蛋白特性[J].科学通报,2006,51（12）:1431-1437.
[5]钟葵,孙志健,廖小军等.高压脉冲电场对辣根过氧化物酶活性及构象的影响效果[J].中国食物学报,2005,5（1）:31-36.
[6]赵小菁, 阮文娟, 张玉玲等.手性Boc保护氨基酸修饰卟啉的合成及谱学研究[J].高等学校化学学报,2003,40（8）:1419-1423.
[7]骆开均,晋军,谢明贵等.具有圆偏振光特性的卟啉衍生物的合成、表征和CD光谱研究[J].高等学校化学学报,2007,65（10）:977～982.
[8]李红兵.用圆二色谱(CD)研究海藻酸钠对钙锌离子的选择[J].无机化学学报,2006,22(3):246 -253.
[9]孙霞,刘庆平,郑学仿.荧光和圆二色光谱法用于低密度脂蛋白氧化的研究[J].化学进展,2008,20(11):1761-1767.。