Колебательные моды многоатомных молекул
Только нормальные моды молекулы способны к взаимодействию с электромагнитным излучением, приводящим к ИК-поглощению. В случае биологических макромолекул, большинство нормальных мод сильно локализованы, то есть с хорошим приближением можно считать, что каждая мода включает лишь небольшую группу атомов, которые движутся так, словно они изолированы от колебаний других молекулярных групп. К примеру, если N атомов белковой молекулы распределены среди K наборов групп, по n атомов в каждой, и если каждая группа обладает примерно одинаковой конформацией и окружением в макромолекуле, тогда набор из 3nK - 6 предполагаемых спектральных линий уменьшается до 3n - 6. Так, в случае амид-I моды полипептидной цепи, находящейся в α-спиральной конформации и состоящей из К остатков, в первом приближении можно полагать, что каждая пептидная CONH-группа в α-спирали будет иметь одинаковую частоту колебаний и, следовательно, вместо К отдельных полос, появится одна амид-I полоса.
На практике, частоты колебаний многоатомных молекул определяются массой и геометрическим положением соответствующих атомов, а также межатомными силами,
искажающими равновесную конфигурацию. Частоты и смещения атомов можно рассчитать с помощью эмпирических функций потенциальной энергии в классическом приближении, включающих некоторые допущения в соответствии со сложностью молекулы и ее окружения. Относительно точный анализ возможен для молекул, состоящих из 10-20 атомов. Также доступен расчет нормальной моды в гармоническом приближении для гораздо более крупных биологических макромолекул.
Амидные полосы полипептидов и белков
ИК-спектры полипептидов и белков всегда содержат несколько довольно интенсивных полос поглощения. Эти полосы связаны с колебаниями CONH-группы, общей структурной единицей для таких молекул.
Рис. 57.5. Характерные амидные полосы тонкой пленки N-метилиацетамида. Полоса амид-VII не показана. Химическая формула N-метилиацетамида представлена между полосами амид-АВ и амид I
Таблица 57.1 Частотный диапазон характерных полос вторичных амидов в кристаллическом состоянии.
| Моды в плоскости | |
| Амид-А | ~3300 см-1 |
| Амид-В | ~3100 см-1 |
| Амид-I | 1597-1672 см-1 |
| Амид-II | 1480-1575 см-1 |
| Амид-III | 1229-1301 см-1 |
| Амид-IV | 625-767 см-1 |
| Моды вне плоскости | |
| Амид-V | 640-800 см-1 |
| Амид-VI | 537-606 см-1 |
| Амид-VII | ~200 см-1 |
Характерные полосы CONH-группы полипептидных цепей в основном похожи на полосы поглощения вторичных амидов. Благодаря этому возникла общепринятая классификация наиболее заметных полос поглощения в белках и полипептидах как полоса амид-I, полоса амид-II и т. д. Всего существует девять таких полос, обычно называемых амид-А, амид-В и амиды I-VII, в порядке уменьшения частоты колебаний.
Из них можно выделить четыре ИК-полосы, характерные для вторичных амидов, таких как N-метилацетамид.
1. В сильно разбавленном растворе, где молекулы не связаны друг с другом водородными связями, четкая полоса, наблюдаемая при 3400-3460 см-1 (амид-А), приписывается растяжению N-H связи, на основании сравнения с родственными молекулами и сдвигa полосы при замене атома водорода на атом дейтерия. После образования водородной связи полоса смещается к 3120-3320 см-1 и появляется другая, обычно более слабая полоса, около 3100 см-1 (амид-В). Относительно высокая частота валентных колебаний N-H (диапазон 3100-3400 см-1) отделяет этот тип колебаний от других в N-метилацетамиде.
2. Все вторичные амиды, полипептиды и белки имеют мощную полосу поглощения в 1600-1700 см-1 диапазоне (амид-I), которая смещается в область более высоких частот в разбавленных растворах. Путем сравнения с родственными молекулами и по сдвигу частоты при разбавлении, связанному с разрушением водородных связей, полоса была приписана моде, в основном включающей валентное колебание С=О связи.
3. Полоса поглощения амид II занимает область между 1510 и 1570 см-1. В отличии от полос, связанных с растяжением связей С=О и N-H, полоса амид-II не поддается простой качественной интерпретации.
4. Полосы в спектральной области амид-III (1350-1570 см-1) обусловлены преимущественно синфазной комбинацией изгибания в плоскости связи N-H и деформационного колебаниями растяжения связи C-N. Они очень чувствительны к конформации элементов вторичной структуры.