Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
ружить также рассеянный свет, отличающийся по частоте от падающего на частоту колебаний атомов в молекуле. Это.явление называется комбинационным рассеянием (Раман-зффектом) и служит вторым методом в дополнение к инфракрасной спектроскопии, позволяющим изучать колебания атомов в молекуле. Интенсивность линий комбинационного рассеяния зависит от свойств поляризуемости электронных оболочек связей, тогда как интенсивность полосы поглощения определяется изменением диполь-ных моментов связей при колебании. Ввиду сравнительной сложности экспериментальных методов получения спектров комбинационного рассеяния последние в настоящее время применяются в молекулярной биологии крайне редко, несмотря на то, что измерение водных и других растворов осуществляется иногда даже проще, чем в инфракрасной спектроскопии. За отсутствием интересующих нас работ по спектрам комбинационного рассеяния в дальнейшем мы будем иметь в виду только инфракрасные спектры поглощения.
Известно, что при колебаниях атомов в молекуле их смещения из положений равновесия имеют достаточно малые амплитуды ло сравнению с длинами связей и равны ,нескольким сотым долям ангстрема. Такие колебания могут быть описаны теорией малых гармонических колебаний [15, 16], которая требует, чтобы силы связи между атомами имели упругий характер. Таким образом, молекулу можно рассматривать как совокупность точечных масс (ядер атомов), связанных между собой упругими пружинками, которые и удерживают систему в пределах равновесной конфигурации.
Согласно теории гармонических колебаний, молекула из N атомов должна иметь 3N—6 собственных частот или нормальных колебаний. В нормальном колебании каждый из атомов молекулы движется в определенном для него направлении и все атомы одновременно проходят положение равновесия. Для нахождения уравнений движения, определяющих спектр колебаний молекулы, требуется знать геометрию молекулы, массы атомов и потенциальную функцию, зависящую от искомых смещений атомов из положений равновесия. Коэффициенты упругости связей и валентных углов, определяющие потенциальную функцию, на-' зываются силовыми коэффициентами. При решении задачи о движениях атомов в качестве искомых величин удобнее использовать не смещения атомов из положения равновесия, а систему внутренних колебательных координат: изменения равновесных длин связей, расстояний между отдельными атомами, изменения валентных углов и др. Набор этих параметров, полученных в результате решения уравнений движения, носит название формы колебания. Форма нормального колебания дает нам возможность представить полную картину каждого из колебательных движений молекулы. Мы узнаем, как сильно изменяются длины связей,
валентные углы в данном нормальном колебании, и можем сравнить изменения этих параметров с их изменениями в другом колебании. Зная форму колебаний, мы можем найти и смещения атомов из положения равновесия. Форма колебаний необходима также для определения интенсивности и поляризации колебания. Из сказанного выше ясно, что для расчета частот и соответствующих форм колебаний необходимо знать силовые коэффициенты, чтобы составить функцию потенциальной энергии молекулы. По ряду причин эти коэффициенты можно однозначно вычислить из значений экспериментальных частот только для молекул с небольшим числом атомов. В органических молекулах очень часто приходится иметь дело с ограниченным набором определенных групп атомов (например, связи С—С, С—N, С = 0 или группы СНг, СН3), встречающихся в различных сочетаниях. Это обстоятельство позволяет с известным приближением использовать отдельные элементы силового поля малых молекул при составлении потенциальной функции многоатомных молекул для расчета их спектра колебаний.
Расчетные методы являются основой интерпретации спектров, и только они дают возможность с достаточной уверенностью сказать, колебания каких групп молекулы ответственны за появление тех или иных полос поглощения. Итак, если известна геометрическая конфигурация молекулы и можно составить потенциальную функцию, то теория малых колебаний позволяет рассчитать спектр нормальных частот и определить форму каждого из нормальных колебаний молекулы. Сравнение полученных результатов с наблюдаемым спектром дает возможность объяснить происхождение каждой полосы поглощения, после чего спектр может быть использован для получения различной информации о структуре и свойствах молекулы.
Частота и форма колебания являются важными характеристиками движений атомов в молекуле. Однако не каждое колебание может проявиться в инфракрасном спектре поглощения, иными словами, не каждое колебание активно. Так же, как в электронных спектрах, интенсивность полосы в инфракрасном спектре пропорциональна квадрату момента перехода между двумя колебательными уровнями, а поляризация определяется направлением этого момента. Расчеты и анализ интенсивностей и поляризаций в инфракрасном спектре гораздо более сложны, чем расчеты частот и форм колебаний [16], поэтому в настоящее время они применяются еще очень редко.
Большие возможности изучения молекул при помощи колебательных спектров обусловлены тем, что почти всегда в сложной молекуле имеются колебания, которые можно отнести к выделенным группам атомов, хотя большая часть из них, так называемые скелетные, характеризуют молекулу в целом. Изучение таких характеристических колебаний имеет важное значение.
