Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Принято называть колебания вполне характеристическим для данной группы, если одно из нормальных колебаний молекулы совпадает по частоте и форме с одним из нормальных колебаний данной группы как свободной молекулы. Разумеется, это требование может быть выполнено только приближенно, так как в силу действия закона сохранения момента количества движения при колебании данной группы так или иначе затрагивается и остальная часть молекулы. Тем не менее это определение характеристичности оказывается очень удобно на практике при качественном анализе спектров. Условия характеристичности по поляризации и особенно по интенсивности значительно более жесткие, чем условия характеристичности ,по частоте и форме, и если они и выполняются, то для очень ограниченного числа колебаний молекулы. Этим объясняется, в частности, большая чувствительность интенсивности полосы к различным межмолекулярным взаимодействиям.
Понятие характеристичности колебаний является основным при проведении структурно-группового анализа многоатомных молекул и, особенно, полимеров при помощи колебательных спектров. В большинстве случаев молекула полимера представляет собой длинную цепь, составленную из одинаковых мономерных единиц. Вполне характеристическое колебание (иногда употребляют термин локализованное колебание или говорят о групповых частотах) в этом случае, как правило, характеризует группу атомов, находящуюся в повторяющейся единице. Такое колебание по частоте и форме очень близко к соответствующему колебанию в исходной мономерной молекуле.
в. Применение инфракрасной спектроскопии
для изучения белков и нуклеиновых кислот
Спектр нормальных колебаний молекулы, как уже говорилось выше, занимает диапазон от 4000 до 50 см~х. Спектр органических соединений можно разбить на отдельные интервалы, которые приближенно характеризуются следующим образом: от 4000 до 2000 см~х— валентные (с изменением длин связей при колебании) колебания связей типа ХН, YH2 (X, Y = C, О, N и др.); от 2000 до 1300 см~1—колебания, обусловленные изменениями длин связей, образуемых относительно тяжелыми, по сравнению с водородом или дейтерием, атомами С, О, N с кратностью связей больше единицы. В интервале 1300—700 см~х проявляются скелетные колебания, в которых вследствие сильного взаимодействия принимают участие обычно все одинарные связи типа С—С, С—N, С—О, а также углы типа ССН, CNH др. Спектр в этой области очень характерен для молекулы конкретного вида и по этой причине иногда называется «отпечатком пальца» молекулы. Низкочастотная область (ниже 700 см~х) занята деформацион-
ными колебаниями, которые обусловлены изменениями углов, образованных связями типа XY; частоты деформационных колебаний углов типа XYH и ХН2 лежат выше (1000—1600 см-1). Следует, конечно, помнить, что приведенное описание спектра является весьма условным, так как практически каждое колебание молекулы включает в себя одновременно изменения различных связей и углов.
Подробный анализ спектров белков и нуклеиновых кислот, а также обсуждение проблем, стоящих перед инфракрасной спектроскопией биополимеров, можно найти в специальных монографиях и обзорах [17—19].
Инфракрасные спектры аминокислот, пептидов, полипептидов и белков. Особенностью поглощения аминокислот и пептидов в твердом состоянии является наличие сильных полосв области 3000—3500 см~1 и около 1600 и 1400 смгл. Было показано, что эта особенность обусловлена ионным дипо-дярным состоянием молекулы: в высокочастотной области — валентными колебаниями NH^ или NH3, а полосы 1600 и 1400 см~л соответствуют двум основным колебаниям карбоксильной группы — СОО-. По мере удлинения полипептидной цепи проявление концевых групп становится менее заметным (хотя возможно обнаружение ионизированных групп боковых цепей аминокислотных остатков), зато отчетливо наблюдается сильное поглощение пептидной (амидной) группы. В большинстве белков и
а .с
полипептидов эта группа имеет транс-конфигурацию ¦
С/и ХН
Валентные колебания NH связи дают сильную полосу около 3300 см-1. В области ниже 2000 см~х выделяются несколько сильных полос, обозначаемых «Амид I» (около 1650 см-1), «Амид II» (около 1550 см-1) и «Амид III» (около 1200—1300 см-1), обусловленных колебаниями в плоскости, и широкая полоса поглощения неплоских деформационных колебаний NH («Амид V»), Все перечисленные колебания являются достаточно характеристическими и практически не зависят от природы боковых цепей.
Выяснению происхождения амидных полос посвящено много работ. Хорошим показателем принадлежности полосы пептидной группе служит уменьшение ее частоты при замещении атома водорода на дейтерий. Особенно сильно, приблизительно в/2 раз, в соответствии с формулой (2), уменьшается частота валентных колебаний NH.
Другим характерным признаком амидных колебаний могут служить сдвиги частот в сильно разбавленных растворах неполярных растворителей. Этот эффект обусловлен разрывом водородной связи N—Н—-0 = С. Наблюдаемые изменения нетрудно объяснить,, если представить себе пептидную группу в виде шариков с пружинками: при разрыве водородной связи силовые
