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Circulardichroismus und Proteinstruktur

Circulardichroismus

Circulardichroismus (CD, nach englisch "circular dichroism") und optische Rotationsdispersion (ORD) sind zwei verwandte Methoden, mit denen die optische Aktivität asymmetrischer Moleküle in Lösung untersucht werden kann. ORD bedeutet, dass ein Molekül die Ebene des linear polarisierten Lichtes als Funktion der Wellenlänge drehen kann, während der CD Angaben darüber macht, wie circular polarisiertes Licht von optisch aktiven Molekülen unterschiedlich absorbiert werden kann.

Zur Theorie

Linear polarisiertes Licht bewegt sich in einer Ebene fort, d.h. zweidimensional, während sich das circular oder elliptisch polarisierte Licht quasi als Spirale im Raum vorstellen lässt. Ein Betrachter, der in die Lichtquelle schaut, sähe bei rechts-polarisiertem Licht einen elektrischen Vektor, der sich im Uhrzeigersinn dreht, während ein links-polarisierter Vektor gegen den Uhrzeigersinn rotiert.

Alle chiralen Moleküle sind optisch aktiv. Chirale, d.h. "händige" Moleküle existieren in zwei spiegelbildlichen Formen, die nicht zur Deckung zu bringen sind, ähnlich wie die linke und die rechte menschliche Hand. Diese beiden spiegelbildlichen Formen bezeichnet man als Enantiomere. Sie entstehen, wenn das so genannte asymmetrische Kohlenstoff-Atom vier unterschiedliche Substituenten trägt, die sich auf zwei zueinander spiegelbildliche Arten räumlich um dieses Chiralitätszentrum anordnen können. Da sich die beiden spiegelbildlichen Moleküle nur in ihrer räumlichen Anordnung unterscheiden, sind ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften identisch - mit einer Ausnahme, die gleichzeitig auch als Nachweis dient: Enatiomere Moleküle zeigen ein unterschiedliches Absorptionsverhalten in Abhängigkeit von der circularen Polarisation des Lichtes. Die Absorption von rechts-circular polarisiertem Licht (AR ) und links-circular polarisiertem Licht (AL ) ist also nicht identisch.

Abb.1
Enantiomerie von Aminosäuren
© Wiley-VCH

Für alle chiralen Moleküle gilt, dass die Differenz AL -AR ungleich Null (positiv oder negativ) ist. Dieses Verhalten bezeichnet man als Circulardichroismus. Bei nicht-chiralen Verbindungen und racemischen Gemischen ist die Differenz AL -AR hingegen gleich Null, d.h. diese Verbindungen und Mischungen weisen keine optische Aktivität auf.

CD-Banden können positiv oder negativ sein und treten nur in einem Wellenlängenbereich auf, für den auch "normale" Absorptionsbanden existieren. Dabei liegt der CD für ein asymmetrisches Molekül in der Größenordnung von 104, was sehr empfindliche Messgeräte und äußerst starke Lichtquellen erfordert.

Der Circulardichroismus ist wie folgt definiert (gemäß dem Lambert-Beer'schem Gesetz):

ΔA (λ) = [ ε (l) - ε (r) ] × l × c = Δε × l × c
Legende
A-Absorption
c-Konzentration in mol/L
l-optische Weglänge in cm
ε-molarer Extinktionskoeffizient in mol-1 cm-1

Häufig werden CD-Signale als molare Elliptizität [θ] (λ) angegeben, die mit ΔA (λ) aus Gleichung in Beziehung steht:

ΔA (λ) = [θ] (λ) 32.98 wobei θ in mdeg angegeben wird.

Die molare Elliptizität [θ] (λ) hängt mit der gemessenen Elliptizität θ (λ) wie folgt zusammen:

[θ] (λ) = θ (λ) 10 x l x c

Bei Proteinen, wird die molare Elliptizität [θ] (λ) auf die mittlere Anzahl der Aminosäuren (n) bzw. genauer der Peptidbindungen, bezogen. Danach ergibt sich:

[θ] (λ) (MRW) = θ (λ) x M n x 1000 x c x l x mit: MRW = mean residue weight n = Anzahl der Peptidbindungen M = Molmasse der Spezies c = Konzentration des Proteins l = optische Weglänge
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