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Sekundärstruktur von Proteinen und Peptiden

Der Zirkulardichroismus ist bekannt für den ultravioletten (UV) Spektralbereich. Die Anwendungen sind in den meisten Fällen begrenzt, da charakteristische Absorptionsbande typischerweise breit sind und von unspezifischen Bändern (z.B. Aromaten-Seitenketten) überlagert werden. Insbesondere bei Biomolekülen begrenzen große Absorptions- und Dispersionskoeffizienten die Einsatzmöglichkeiten.

Im Infrarot (IR) werden molekulare Schwingungen angeregt. Die entsprechenden Absorptionsbande sind schmal und im Allgemeinen spezifisch. Eine Maskierung der Informationen ist im Gegensatz zur elektronischen CD im IR nicht zu beobachten.

Die folgende Abbildung zeigt VCD- (oben) und Absorptionsspektren (unten) von Hämoglobin (links), Lysozym (Mitte) und Concanavalin A (rechts), die jeweils in D2O-Lösung (50 mg/ml) in einer 25µm-CaF2-Zelle gelöst sind.

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Die Absorptionsspektren der drei Proteine sind sehr ähnlich. Alle zeigen eine vergleichsweise breite unstrukturierte Amid-I-Absorptionsbande (hauptsächlich C=O-Dehnungsmodus), angegeben durch „I“, und Amid-II-Absorptionsbande (hauptsächlich C-N-Streck- und N-H-Deformationsschwingung), angegeben durch „II“.

Zunächst ist bei näherer Betrachtung ersichtlich, dass sich das I-Band des Hämoglobins um 1650 cm-1 asymmetrisch verhält, während Concanavalin A sein I-Absorptionsmaximum bei 1630 cm-1 und eine kleine Erhebung bei 1690 cm-1 zeigt.

Trotz ähnlicher Absorptionsspektren zeigen diese Proteine signifikante Unterschiede in ihrer Sekundärstruktur: Hämoglobin wird hauptsächlich durch eine α-Helixstruktur bestimmt, während Concanavalin A überwiegend in einem β-Blatt vorliegt und Lysozym beide Strukturelemente in vergleichbaren Mengen teilt.

Viel deutlicher sind die Unterschiede für die Sekundärstrukturen in VCD-Spektren. Das derivatähnliche Band von Hämoglobin ist für einen hohen α-Helixbeitrag typisch, während der Dip bei 1630 cm-1 im VCD-Spektrum von Concanavalin A sehr spezifisch für β-Blattstrukturen ist. Kein Wunder also, dass das VCD-Spektrum von Lysozym aus beiden Strukturelementen besteht.

Die VCD-Spektroskopie bietet somit eine einzigartige Möglichkeit, die Sekundärstruktur von Proteinen zu bestimmen, ermöglicht aber auch die Beobachtung von Konformationsänderungen. Experimente an anderen Proteinen zeigen, dass Signale in VCDs eindeutig von Sekundärstrukturen abhängen.

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