Circular Dichroism: Czytanie Molecularnej Rąk z Pomocą… |…

Co sprawia, że światło jest okrągłe w polaryzacji

Zwykłe, niepolaryzowane światło zawiera oscylacje pola elektrycznego skierowane we wszystkich kierunkach prostopadłych do jego kierunku ruchu. Światło liniowo polaryzowane ogranicza tę oscylację do pojedynczej, ustalonej płaszczyzny, jak linia wibrująca w górę i w dół. Światło okrągłe w polaryzacji jest zupełnie inne: wektor pola elektrycznego utrzymuje stałą długość, ale stale obracając się wokół kierunku ruchu, rysując helis w przestrzeni, podobnie jak nitka śruby. Jeśli pole obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, gdy patrzy się na nie prostopadle do padającego strumienia, światło nazywa się prawoskrętnie polaryzowanym; jeśli obracanie odbywa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, nazywa się lewoskrętnie polaryzowanym. Każdy strumień światła liniowo polaryzowanego można matematycznie skonstruować jako równoważną superpozycję komponentów prawoskrętnego i lewoskrętnego obracających się w przeciwnych kierunkach, a ta rozkład prowadzi do idealnej precyzji dla zrozumienia aktywności optycznej. Strumień światła okrągłe w polaryzacji jest sam w sobie chiralny w sensie geometrycznym, ponieważ jego helikalny wzór pola nie jest superponowalny na jego własne odbicie lustrzane, to samo właściwość definiująca czysty związek. Wspólna rękoczyn między światłem a czystym związkiem jest dokładnie tym, dlaczego światło okrągłe w polaryzacji, a nie zwykły liniowy lub niepolaryzowany, jest niezbędnym narzędziem do wykrywania chiralności molekularnej. Produkcja światła okrągłego w polaryzacji w laboratorium zazwyczaj polega na przejściu światła liniowo polaryzowanego przez płytkę ćwiartkową o długości fali lub, w nowoczesnych instrumentach do dichroizmu obrotowego, szybkim modulowaniu stanu polaryzacji elektro-optycznie za pomocą urządzenia zwanego fotoelastycznym modulatorze, które przełącza wiązkę między prawoskrętne i lewoskrętne polaryzację tysiące razy na sekundę, aby można było zmierzyć niewielką różnicę w absorpcji między tymi stanami w stosunku do szumów instrumentalnych.

Dlaczego warto”, “paragraphs”: [“Prawdziwe źródło to sposób, jaki molekuła reaguje na obrotowe pole elektryczne. Kiedy światło jest pochłaniane, elektron jest podnoszony do innego stanu kwantowego i prawdopodobieństwo tego przejścia zależy od tego, jak silnie przejście łączy się zarówno z elektrycznym, jak i magnetycznym składnikiem fali świetlnej. W przypadku molekuły obojętnej przestrzegane wzory atomowe sprawiają, że wkład elektryczny i magnetyczny przejścia są skutecznie niezależne, więc światło lewo- i prawokręgłe jest pochłaniane identicznie. W przypadku molekuły chiralnej taka symetria lustrzanej nie występuje: rozkład elektronów związany z danym przejściem w czasie przenosi się asymetrycznie, helikalnie podobnie przez trójwymiarową strukturę cząsteczki. Ta asymetria oznacza, że przejście jednocześnie niesie ze sobą zarówno składnik elektryczny, jak i magnetyczny, które nie są niezależne od siebie, ale są ze sobą powiązane, a mianem tego jest nazywany moment obrotowy przejścia. Ponieważ samo światło obracające się posiada helikalny, zręby kształt, to ono bardziej efektywnie wchodzi w interakcję z przejściem, którego ruch elektronowy ma taki sam zrąb, niż z takim, który ma przeciwny zrąb. Rezultatem jest to, że jedno obracanie się w lewo jest pochłaniane bardzo nieznacznie mocniej niż inne, zwykle o różnicę wynoszącą kilka tysięcy części procentowej w stosunku do całkowitego pochłaniania. Dychroizm krzyżowy raportowany jest albo jako różnica w bezwzględnym natężeniu między światłem lewo- i prawokręgłym, albo, częściej w starszej, ale nadal szeroko używanej konwencji, w jednostkach nazywanych milidegresem eliptyczności, które opisują, jak początkowy promień płaski staje się bardzo nieznacznie eliptyczny po przejściu przez próbę, ponieważ jego dwa obracania się w lewo i prawo są nierówno osłabiane.”]}“]“]”,

Prawdziwe źródło to sposób, jaki molekuła reaguje na obrotowe pole elektryczne. Kiedy światło jest pochłaniane, elektron jest podnoszony do innego stanu kwantowego i prawdopodobiebie przejścia zależy od tego, jak silnie przejście łączy się zarówno z elektrycznym, jak i magnetycznym składnikiem fali świetlnej.

W przypadku molekuły obojętnej przestrzegane wzory atomowe sprawiają, że wkład elektryczny i magnetyczny przejścia są skutecznie niezależne, więc światło lewo- i prawokręgłe jest pochłaniane identicznie. W przypadku molekuły chiralnej taka symetria lustrzanej nie występuje: rozkład elektronów związany z danym przejściem w czasie przenosi się asymetrycznie, helikalnie podobnie przez trójwymiarową strukturę cząsteczki.

Ta asymetria oznacza, że przejście jednocześnie niesie ze sobą zarówno składnik elektryczny, jak i magnetyczny, które nie są niezależne od siebie, ale są ze sobą powiązane, a mianem tego jest nazywany moment obrotowy przejścia. Ponieważ samo światło obracające się posiada helikalny, zręby kształt, to ono bardziej efektywnie wchodzi w interakcję z przejściem, którego ruch elektronowy ma taki sam zrąb, niż z takim, który ma przeciwny zrąb.

Rezultatem jest to, że jedno obracanie się w lewo jest pochłaniane bardzo nieznacznie mocniej niż inne, zwykle o różnicę wynoszącą kilka tysięcy części procentowej w stosunku do całkowitego pochłaniania. Dychroizm krzyżowy raportowany jest albo jako różnica w bezwzględnym natężeniu między światłem lewo- i prawokręgłe, albo, częściej w starszej, ale nadal szeroko używanej konwencji, w jednostkach nazywanych milidegresem eliptyczności, które opisują, jak początkowy promień płaski staje się bardzo nieznacznie eliptyczny po przejściu przez próbę, ponieważ jego dwa obracania się w lewo i prawo są nierówno osłabiane.

Odcisk Wzoryczny Struktury Sekundarycznej Białka

Najważniejszym zastosowaniem dwukierunkowej dichroismy w badaniach strukturalnych jest wykorzystanie faktu, że wiązanie peptydowe samo w sobie jest wewnętrznie chiralnym chromoforem, gdy jest zakotwiczone w złożonej macierzach białkowych. W zakresie ultrafioletowym, przybliżeniu od stu dziewięćdziesiatu do dwieście piętnastu nanometrów, przejścia elektroniczne wiązania peptydowego produkują sygnały dichroizmu krzywoliniowego, których kształt zależy wrażliwie od lokalnej geometrii macierzy, a mianowicie kątów połówkowych definiujących, czy dany fragment łańcucha jest ułożony jako helisa alfa, arkusze beta lub roztwór losowy. Helisa alfa produkuje charakterystyczny spektra z dwóch głębokich dolin blisko stu osiemdziesiatu ośmiu i dwieście dwadzieścia dwóch nanometrów oraz silnej góry blisko stu dziewięćdziesiatu dwóch nanometrów, wynikającej z regularnego powtarzającego się wiązania wodorowego zwrotu helikalnej macierzy. Arkusze beta produkują pojedynczą dolinę głęboką blisko stu osiemdziesiatu dziewięciu nanometrów oraz górę silną blisko stu dziewięćdziesiatu pięciu nanometrów, wyraźnie różniąca się kształtem i mniej intensywna niż wzorzec helikalny. Obszary roztworów losowych produkują bardzo niską eliptyczność przy dłuższych falach długości oraz silną dolinę ujemną poniżej stu dwudziestu nanometrów. Ponieważ prawdziwe białko jest mieszaniną tych lokalnych elementów strukturalnych, zmierzony spektra ultrafioletowego w odległym zakresie można modelować matematycznie jako ważoną liniową kombinację referencyjnych spektrami czystej helisy, czystego arkusza i czystego roztworu, umożliwiając obliczanie przybliżonego procentu każdego typu struktury sekundarycznej. Ten proces nie ujawnia szczegółów rozdzielności atomowej w taki sposób jak krystalografia promieniowa lub rezonans magnetyczny jądrowy, ale wymaga tylko małej ilości białka w zwykłym roztworze wodnym, trwa minuty zamiast tygodni i działa na białkach, które nieustannie opóźniają się do kryształów, czyniąc go niezbędną techniką pierwszego przeglądu strukturalnego.”]} p{heading:

paragraphs

Poza Drugą Strukturą Pierścieniową: Bliski Podczerwień i Kinetyka

Choć obszar ultrafioletu oddalonych (far-UV) raportuje na temat drugiej struktury pierścieniowej, obszar bliskiej podczerwieni (near-UV), w przybliżeniu od 250 do 350 nanometrów, raportuje na temat trzeciego wymiarowego ułożenia się białka, ponieważ wykrywa lokalne środowisko chiralne wokół pierścieni aromatycznych, takich jak tryptofan, tyrozyna i fenyloalanina, oraz wiązania disulfidowe. Dobrze złożone, zwarte białko zazwyczaj wykazuje bogate, wyraźnie zdefiniowane cechy bliskiej podczerwieni w zakresie ultrafioletu, ponieważ jego reszty aromatyczne są utrzymywane w ustabilizowanych, asymetrycznych układach pakowania przez otaczającą strukturę. Jeśli białko się rozwinie lub jest słabo ułożone, te sygnały w zakresie bliskiej podczerwieni w ultrafiolecie płaskują się ku zeru, nawet jeśli chromofory aromatyczne nadal są obecne, ponieważ utracono uporządkowane środowisko chiralne, które kształtowało sygnał. Dzięki temu dichroizm pierścieniowy jest niezwykle wygodnym narzędziem do monitorowania skręcania i rozwijania się białek w czasie rzeczywistym: ponieważ pełny spektrum można zmierzyć w ciągu sekund lub minut, badacze mogą śledzić, jak zmieniają się sygnały w zakresie ultrafioletu oddalonego i bliskiej podczerwieni, gdy temperatura, pH lub denaturant chemiczny ulegają zmianie, wydobywając krzywe topnienia, które ujawniają termodynamiczną stabilność zgiętej struktury oraz czy rozwijanie się zachodzi przez widoczne pośrednie produkty. Ta sama szybkość i niewielki rozmiar próbki sprawiają również, że dichroizm pierścieniowy jest cennym narzędziem do obserwacji dynamicznych procesów, takich jak wiązanie ligandów, wkładanie białek błonowych do błon lipidowych lub agregacja białek w włókna amyloidowe, proces związany z wieloma chorobami neurodegeneracyjnymi, gdzie spektrum zmienia się od wzoru podobnego do helisy lub pęcherzyka na wzór dominujący w płatki błękitne, gdy gromadzą się niewłaściwie złożone agregaty.”]}** **Note:** I have used