Pracownia analizy instrumentalnej i spektroskopii molekularnej

Podobne dokumenty
Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

Ćwiczenie 3 Pomiar równowagi keto-enolowej metodą spektroskopii IR i NMR

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Spektroskopia. Spotkanie pierwsze. Prowadzący: Dr Barbara Gil

SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA 2015/16 nazwa przedmiotu SYLABUS A. Informacje ogólne

Spektrometria w bliskiej podczerwieni - zastosowanie w cukrownictwie. Radosław Gruska Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

Jak analizować widmo IR?

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

PRODUKTY CHEMICZNE Ćwiczenie nr 3 Oznaczanie zawartości oksygenatów w paliwach metodą FTIR

Spektroskopia molekularna. Spektroskopia w podczerwieni

Ćwiczenie 2 Przejawy wiązań wodorowych w spektroskopii IR i NMR

spektroskopia IR i Ramana

PRACOWNIA PODSTAW SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Ćwiczenie 5. Spektroskopia w podczerwieni w badaniu struktury biomakromolekuł

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w jakościowej i ilościowej analizie organicznej

Widma w podczerwieni (IR)

Jan Drzymała ANALIZA INSTRUMENTALNA SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM

KARTA PRACY DO ZADANIA 1. Pomiar widma aminokwasu na spektrometrze FTIR, model 6700.

Ćwiczenie nr 1 Otrzymywanie nanomateriałów na drodze syntezy spaleniowej

Stałe siłowe. Spektroskopia w podczerwieni. Spektrofotometria w podczerwieni otrzymywanie widm

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego - wprowadzenie

Scenariusz lekcji chemii w klasie III gimnazjum. Temat lekcji: Białka skład pierwiastkowy, budowa, właściwości i reakcje charakterystyczne

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

Spektroskopia w podczerwieni

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Metody chemiczne w analizie biogeochemicznej środowiska. (Materiał pomocniczy do zajęć laboratoryjnych)

spektropolarymetrami;

WYKŁAD 5 Zastosowanie teorii grup w analizie widm oscylacyjnych

PRACOWNIA APARATUROWA Chemia I rok II stopień 2018/19 ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII FT-IR W ANALIZIE JAKOŚCIOWEJ I ILOŚCIOWEJ

Spektroskopia ramanowska w badaniach białek porównanie technik

Analiza Organiczna. Jan Kowalski grupa B dwójka 7(A) Własności fizykochemiczne badanego związku. Zmierzona temperatura topnienia (1)

etyloamina Aminy mają właściwości zasadowe i w roztworach kwaśnych tworzą jon alkinowy

Kierunek i poziom studiów: Chemia, drugi Sylabus modułu: Spektroskopia (0310-CH-S2-016)

m 1, m 2 - masy atomów tworzących wiązanie. Im

SPEKTROSKOPIA RAMANA. Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej PŁ

SPEKTROSKOPIA NMR. No. 0

Fizykochemiczne metody w kryminalistyce. Wykład 7

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

Kilka wskazówek ułatwiających analizę widm w podczerwieni

ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH. Witold Danikiewicz. Instytut Chemii Organicznej PAN ul. Kasprzaka 44/52, Warszawa

Substancje o Znaczeniu Biologicznym

Metody analizy fizykochemicznej związków kompleksowych"

Przegląd budowy i funkcji białek

ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Wiązania chemiczne, budowa cząsteczek

Magnetyczny rezonans jądrowy

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

Metody spektroskopowe w identyfikacji związków organicznych. Barbara Guzowska-Świder Zakład Informatyki Chemicznej, PRz

IR II. 12. Oznaczanie chloroformu w tetrachloroetylenie metodą spektrofotometrii w podczerwieni

Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w analizie jakościowej i ilościowej. dr Alina Dubis Zakład Chemii Produktów Naturalnych Instytut Chemii UwB

PODSTAWY METODY SPEKTROSKOPI W PODCZERWIENI ABSORPCJA, EMISJA

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu

SPEKTROSKOPIA NMR PODEJŚCIE PRAKTYCZNE DR INŻ. TOMASZ LASKOWSKI CZĘŚĆ: II

I ,11-1, 1, C, , 1, C

SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI

Wykład 6 Spektroskopia oscylacyjna. Model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego cząsteczki dwuatomowej

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

czyli reakcje wymiany ligandów i ich zastosowanie Mateusz Bożejko Edmund Pelc Liceum Ogólnokształcące nr III we Wrocławiu

Budowa atomu. Wiązania chemiczne

Metody badań spektroskopowych

Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Ćwiczenie 3 ANALIZA JAKOŚCIOWA PALIW ZA POMOCĄ SPEKTROFOTOMETRII FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

Chemia bionieorganiczna / Rosette M. Roat-Malone ; red. nauk. Barbara Becker. Warszawa, Spis treści

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

imię i nazwisko, nazwa szkoły, miejscowość Zadania I etapu Konkursu Chemicznego Trzech Wydziałów PŁ V edycja

Wewnętrzna budowa materii

STABILNOŚĆ TERMICZNA SPOIW POLIAKRYLANOWYCH NA PRZYKŁADZIE SOLI SODOWEJ KOPOLIMERU KWAS MALEINOWY-KWAS AKRYLOWY

EWA PIĘTA. Streszczenie pracy doktorskiej

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Za poprawną metodę Za poprawne obliczenia wraz z podaniem zmiany ph

Ćwiczenie 3 Pomiar równowagi keto-enolowej metodami spektroskopii IR i NMR

Geometria wiązania hemu w oksymioglobinie

1 Hydroliza soli. Hydroliza soli 1

Zadanie 2. (1 pkt) Jądro izotopu U zawiera A. 235 neutronów. B. 327 nukleonów. C. 143 neutrony. D. 92 nukleony

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2016/2017. Semestr 1M

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2015/16

Spektroskopia Analiza rotacyjna widma cząsteczki N 2. Cel ćwiczenia: Wyznaczenie stałych rotacyjnych i odległości między atomami w cząsteczce N 2

HYDROLIZA SOLI. 1. Hydroliza soli mocnej zasady i słabego kwasu. Przykładem jest octan sodu, dla którego reakcja hydrolizy przebiega następująco:

Konwersatorium ze Spektroskopii Molekularnej III ROK

dobry punkt wyjściowy do analizy nieznanego związku

4.1 Hierarchiczna budowa białek

podstawami stechiometrii, czyli działu chemii zajmującymi są obliczeniami jest prawo zachowania masy oraz prawo stałości składu

KONKURS CHEMICZNY ROK PRZED MATURĄ

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów 6 marca 2015 r. zawody III stopnia (wojewódzkie)

BADANIE ZMIAN ZACHODZĄCYCH W MASACH Z BENTONITEM POD WPŁYWEM TEMPERATURY METODĄ SPEKTROSKOPII W PODCZERWIENI

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

WYZNACZANIE ROZMIARÓW

Bioinformatyka wykład 9

Reakcje charakterystyczne aminokwasów

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Transkrypt:

Pracownia analizy instrumentalnej i spektroskopii molekularnej Makrokierunek Inżynierii Nanostruktur Uniwersytetu Warszawskiego. Semestr zimowy 2012/2013 Zastosowanie spektroskopii FT-IR oraz techniki wymiany izotopowej H/D do badania przemian strukturalnych w kolagenie Cel Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniami spektroskopii FT-IR oraz zjawiskiem wymiany izotopowej H/D w badaniach struktury i stabilności białek. W ramach ćwiczenia analizowane są widma absorpcyjne w podczerwieni mieszanin H 2 O/D 2 O, oraz cienkich filmów kolagenu i żelatyny. Spektroskopia białek w podczerwieni Bogactwo i różnorodność grup i wiazań chemicznych występujących w białkach sprawia, iż ich widma wibracyjne (zarówno absorpcyjne jak i Ramana) pełne są nakładających się, i przeze to trudnych w interpretacji pasm. Samo wiązanie peptydowe (Rys. 1) jest źródłem dziewięciu pasm spektralnych (tzw. pasma amidowe I, II, VII, oraz A i B), spośród których tylko pasma A i B związane są z ze zlokalizowanymi drganiami, podczas gdy drgania odpowiedzialne za pasma amid I..VII są drganiami złożonymi. C N O H Rys. 1. Wiązanie peptydowe wraz z niektórymi elementarnymi drganiami odpowiedzialnymi za pojawienie się pasm amid I i amid A. W kontekście badań spektroskopowych ważne jest, iż nawet subtelne różnice w sprzężeniach i oddziaływaniach wewnątrzmolekularnych, jakie są uwarunkowane typem struktury II-rzędowej białka znajdują swe odzwierciedlenie w położeniu i kształcie niektórych pasm amidowych. Z tego względu obecność takich elementów strukturalnych białek jak α-helisa, β- kartka, czy kłębek statystyczny pociąga za sobą pojawienie się charakterystycznych składowych tych pasm, w szczególności w obszarze amid I i amid III - aktywnych zarówno w widmach absorpcyjnych w podczerwieni jak i w widmach ramanowskich. Tabela 1. Najbardziej użyteczne diagnostycznie pasma amidowe białek i ich orientacyjne położenia. 1

Band Frequencies range [cm -1 ] Assignment Amide A 3300 sterching N-H Amide B 3100 sterching N-H in the Fermi resonance with the first overtone of amide II Amide I 1600-1690 sterching C=O, bendig N-H, sterching C-N Amide II 1480-1580 Sterching C-N, bendig N-H Amide III 1220-1300 sterching C-N, bendig N-H Na Rys. 2 przedstawiono jak powolna, wywołana wysoką temperaturą przemiana konformacyjna α-helisy w antyrównoległą β-kartkę w modelowym polipeptydzie wpływa na położenie i kształt najważniejszego diagnostycznie z tych pasm, jakim jest pasmo amid I. Typowe zakresy częstości amid I odpowiadające różnym strukturom II-rzędowym zostały zebrane w Tabeli 2. α-helisa β-kartka 1720 1700 1680 1660 1640 1620 1600 Liczba falowa [cm -1 ] Rys. 2. Widma absorpcyjne w podczerwieni zakres pasma amid I przedstawiają stopniową przemiane konformacji α-helisy w antyrównoległą β-kartkę w poli(l-lizynie). Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni do badań białek napotyka jednak na poważny problem gdy białko jest rozpuszczone w wodzie, ponieważ pik amid I jest wówczas zakryty znacznie silniejszym pasmem pochodzącym od drgań deformacyjnych H-O-H (ok. 1650 cm -1 ). Dwa sposoby pokonania tej przyszkody to (a) zastosowanie spektroskopii Ramana (pasmo H-O-H jest praktycznie niewidoczne w widma ramanowskich), lub (b) zamiana H 2 O na D 2 O (pasmo D-O-D jest przesuniete do ok. 1230 cm -1 ). 2

Tabela 2. Typowe położenia pasma amid I dla różnych struktut II-rzędowych białek. Amide I location [cm -1 ] Secondary structure 1650 α-helix 1632 β-sheet parallel dublet 1620 (s) i 1690 (w) β- sheet antyparallel 1655 random coil 1680 loop, β-hairpin Wymiana H/D Umieszczenie polipeptydu w środowisku wody ciężkiej pociąga za sobą dodatkowe konsekwencje, z których najistotniejsza wiąże się z tzw. wymianą izotopową H/D (deuterowaniem próbki). Atomy wodoru tworzące wiązania kowalencyjne z atomami elektroujemnych pierwiastków (w przypadku białek dotyczy to głównie tlenu i azotu) ulegają ciągłej, dynamicznej wymianie między sobą, co można obserwować podstawiając część z tych atomów innym izotopem. Proces ten biegnie z reguły bardzo szybko (w skali ułamków sekundy), i w zależności od natury chemicznej biorących w nim udział grup chemicznych (np. wodoru w wiązaniu peptydowym i deuteru w D 2 O) przebiega według różnych mechanizmów, i może być katalizowany zarówno przez jony H 3 O +, jak i OH -, co sprawia, że jego kinetyka silnie zależy od ph (pd). Wymiana H/D biegnie oczywiście w kierunku najbardziej prawdopodobnego rozkładu obu izotopów pomiędzy różnymi molekułami w układzie. Na przykład gdy C 2 H 5 OH zostanie wprowadzony do nadmiaru równomolowej mieszaniny H 2 O i D 2 O w roztworze pojawią się zbliżone liczby molekuł C 2 H 5 OH i C 2 H 5 OD (atomy wodoru połączone z atomami węgla nie ulegają wymianie). Proces wymiany izotopowej można śledzić wszelkimi metodami, które są czułe na masy jąder (a więc m.in. spektroskopią absorpcyjną w podczerwieni i Ramana), masy całych czasteczek (spektrometria mas) i na inne zmieniające się wraz z zamianą izotopu tego samego pierwiastka właściwości fizyczne (np. właściwości magnetyczne jąder atomowych przy pomocy spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego, czy też różne trwałości tych jąder (np. para H i T) metodami radioizotopowymi). W przypadku białek rozpuszczonych w D 2 O wymianie ulegają wszystkie atomy wodoru, które tworzą wiązania z elektroujemnymi atomami (a więc atomy wodoru wiązań peptydowych, aminokwasowych reszt bocznych takich jak NH 2, -COOH, -OH, -CONH 2, etc.) pod warunkiem, że są dostępne dla rozpuszczalnika. Tak więc pierwsze ulegają wymianie protony zlokalizowane na powierzchni cząsteczki białka, a później te ukryte w jego głębi, co ilustruje Rys. 3a. Im stabilniejsza i silniej upakowana struktura III-rzędowa białka tym wolniej zachodzi penetracja jego molekuł przez wodę ciężką i tym wolniej przebiega proces wymiany H/D. Deuteracja białka będzie w różnym stopniu przesuwać (ale zawsze w kierunku niższych energii) poszczególne pasma amidowe 3

w zależności od tego, jaką rolę odgrywa w danym drganiu masa atomu wodoru. I tak podstawienie białka deuterem w pozycji wiązania peptydowego przesuwa pasmo amid I jedynie o 5-10 cm -1 (pasmo to jest zdominowane przez drgania rozciągające C=O), ale o około 100 cm -1 pasmo amid II, w którym zginające drgania N-H mają duży udział. Pasmo amid A jest natomiast przesuwane o kilkaset cm -1. Zróżnicowany wpływ wymiany H/D na pasma amid I i amid II przedstawia Rys. 3b. (a) (b) O C N H O C N D Amidowe I + D 2 O HDO Amidowe II 1800 1700 1600 1500 1400 1300 Liczba falowa [cm -1 ] Rys. 3. (a) Powolna penetracja molekuły białka przez wodę jest najwolniejszym etapem procesu wymiany H/D. Wymienialne atomy wodoru zlokalizowane na powierzchni białka pierwsze wchodzą w kontakt z wodą ciężką i jako pierwsze ulegaja podstawieniu deuterem. (b) Deuteracja białka w różnym stopniu wpływa na przesunięcie pasm amidowych I i II. Przedstawione widma odpowiadają kolejnym etapom wymiany H/D pomiędzy włóknami insuliny wołowej a wodą ciężką, w której zostały zawieszone. Opisu ilościowego wpływu podstawienia izotopowego na położenie pasma wibracyjnego można w najprostrzy sposób dokonać stosując model oscylatora harmonicznego: podstawienie izotopowe zmienia masę zredukowaną, ale pozostaje praktycznie bez wpływu na stałą siłową. Jedno z głównych zastosowań wymiany H/D w badaniach białek wiąże się z faktem, iż upakowanie struktur III-rzędowych (spowalniajace deuterację) zależy od temperatury, ciśnienia, obecności czynników denaturujących, takich jak mocznik, czy też destabilizujących mutacji punktowych. Szybsza wymiana H/D jest obserwowalna już na przy lekkiej destabilizacji białka (np. w temperaturze nieco niższej od temperatury denaturacji), tj. w warunkach, w których wciąż 4

stabilne pozostają struktury II-rzędowe (a zatem nie obserwowane są jeszcze jakiekolwiek zmiany w obszarze pasma amid I). Kolagen i żelatyna Wymiana H/D oraz spektroskopia w podczerwieni mogą być wykorzystane do badania utraty zwartości konformacyjnej, jaka następuje w toku przemiany kolagenu w żelatynę. Kolagen jest jednym z najważniejszych białek strukturalnych tkanek łącznych o dość nietypowej konformacji. Podstawowym II-rzędowym motywem włókien kolagenowych jest potrójna helisa zbudowana z trzech oplatających się ze sobą łańcuchów polipeptydowych o takiej samej, powtarzającej się sekwencji aminokwasowej: glicyna, prolina, hydroksyprolina. Helisa włókien kolagenowych jest w przeciwieństwie do α-helisy lewoskrętna, nieco od niej luźniejsza, i ma zupełnie inny układ wiązań wodorowych. We włóknach kolagenu sąsiednie helisy są ze sobą miejscami kowalencyjnie połączone (via crosslink), co pozwala na budowanie bardzo elastycznych, a przy tym wytrzymałych superstruktur. Wielogodzinna inkubacja kolagenu w wysokiej temperaturze i silnie denaturującym środowisku niszczy jego strukturę, czego końcowym efektem jest powstanie żelatyny. Proces ten ilustruje Rys. 4. Rys. 4. Przemiana kolagenu w żelatynę wiąże się z nieodwracalnym zniszczeniem struktury potrójnej helisy. Wykonanie ćwiczenia: 1. Na pojedyncze szkiełko CaF 2 nanieść, a następnie wysuszyć bardzo cienką warstwę roztworu żelatyny w H 2 O. Zarejestrować widmo FT-IR otrzymanego filmu. Po rejestracji pierwszego widma nakroplić nań D 2 O i po krótkiej inkubacji ponownie wysuszyć, po czym zarejestrować widmo. 2. Powtórzyć operacje opisane w punkcie 1 stosując roztwór żelatyny w D 2 O, oraz H 2 O do nakraplania na film białka. 3. Przygotować zawiesinę kolagenu w H 2 O poprzez ok. 20 minutowe energiczne rozcieranie szczypty liofilizowanego białka z wodą w moździerzu. Kilka kropli zawiesiny należy nanieść na pojedyncze szkiełko CaF 2, a następnie przygotować cienki, suchy i w miarę możliwości jednorodny film w celu późniejszej rejestracji widm FT-IR przed i po nakraplaniu H 2 O. 5

4. Powtórzyć operacje opisane w punkcie 3 stosując zawiesinę kolagenu w D 2 O, oraz późniejsze zwilżanie za pomocą H 2 O. Opracowanie wyników i ich dyskusja: Wskaż pasma amid I, II, III oraz A w widmie niedeuterowanej żelatyny. Jak bardzo proces deuteracji wpływa na przesunięcia spektralne tych pasm? Przeprowadź dyskusję obserwowanych efektów w kontekście natury drgań związanych z poszczególnymi pasmami. Czy natywny kolagen przechodzi proces wymiany H/D w podobnym do żelatyny stopniu? Jak wytłumaczyć obserwowane różnice w świetle odmiennych struktur kolagenu i żelatyny? Wymagania kolokwialne: 1)Ogólne podstawy spektroskopii molekularnej - formy energii molekuł - kwantowanie energii - rozkład energii w stanie równowagi termicznej - prawdopodobieństwo absorpcji i emisji promieniowania - rodzaje spektroskopii 2)Widmo oscylacyjne - model oscylatora harmonicznego; oscylator anharmoniczny - energia oscylacji molekuł - rodzaje drgań normalnych - oddziaływanie promieniowania z oscylującymi molekułami - aparatura do rejestracji widm oscylacyjnych - zastosowanie spektroskopii oscylacyjnej Literatura 1) Zbigniew Kęcki "Podstawy spektroskopii molekularnej" Wydawnictwo Naukowe PWN lub Joanna Sadlej "Spektroskopia molekularna" Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 2) Artykuły i materiały dodatkowe- dostępne u prowadzącego Oprac. dr hab. Wojciech Dzwolak 6