Circulaire dichroïsme (CD) is het resultaat van de interactie van een chromofoor met de elektrische en magnetische componenten van licht. De absorptie-intensiteit van een chromofoor is afhankelijk van de dipoolsterkte, die gerelateerd is aan het kwadraat van de elektrische overgangsdipool. De intensiteit van een CD-band is daarentegen verbonden met de roterende sterkte, die weer te maken heeft met het product van de elektrische en de magnetische overgangsdipolen. Net als de dipoolsterkte, kan de roterende sterkte voor een overgang van een initiële naar een finale toestand bepaald worden aan de hand van een gemeten CD-spectrum, door middel van integratie over de band.

Een standaard CD-spectrometer bestaat uit een lichtbron, een monochromator en een polarisator die monochromatisch, lineair gepolariseerd licht genereert. Omdat Δε zo klein is, is het niet mogelijk om de absorptie van LHCPL (linksdraaiend circulair gepolariseerd licht) en RHCPL (rechtsdraaiend circulair gepolariseerd licht) afzonderlijk te meten en het kleine verschil door middel van aftrekking te berekenen. In plaats daarvan wordt een piezo-elastisch element of een elektro-optische kristal gebruikt om het opwekkingslicht periodiek te moduleren, zodat LHCPL en RHCPL componenten afwisselend geproduceerd worden. Het doorgelaten licht veroorzaakt een fotostroom bij de detector. Het gemiddelde doorgelaten licht genereert een gelijkstroom (DC)-component, terwijl het differentiële absorptie van LHCPL en RHCPL door een optisch actief molecuul gedetecteerd wordt als een modulatie van het doorgelaten licht, wat resulteert in een superpositie van een klein wisselstroom (AC)-signaal. Dit kleine signaal wordt over veel modulatietijdperken verzameld, zodat zelfs zeer kleine absorptieverschillen bepaald kunnen worden. Een fasengevoelige detector scheidt de AC- en DC-componenten, en de verhouding (AC/DC) levert het absorptieverschil ΔA = AL–AR op.

Circulaire dichroïsme wordt waargenomen bij optisch actieve, oftewel chiraal, moleculen. Asymmetrische koolstofatomen komen veel voor in biologisch actieve moleculen zoals aminozuren en nucleotiden. Secundaire structuren die door hun respectieve polymeren worden gevormd, zoals eiwitten en nucleïnezuren, zijn ook chiraal. De belangrijkste chromoforen in eiwitten zijn de peptidenbindingen en aromatische aminozuurzijketens. De peptidenbinding vertoont circulair dichroïsme in het spectrale gebied van zijn absorptie, dat zich in het verre UV-bereik (190–250 nm) bevindt. Hoewel de peptidenbinding op zichzelf niet chiraal is, vertoont het CD vanwege de asymmetrische omgeving waarin het zich bevindt binnen de secundaire structuur van gevouwen eiwitten. De omvang van dit dichroïsme is afhankelijk van het type secundaire structuur: elke secundaire structuur heeft een kenmerkend CD-spectrum. CD-spectra van eiwitten met onbekende structuur kunnen worden beschreven als een lineaire combinatie van dergelijke referentiespectra om de fracties van de secundaire structuurelementen te bepalen.

Aromatische aminozuren in een asymmetrische omgeving, dat wil zeggen in het binnenste van eiwitten waar ze niet vrij kunnen roteren, vertonen een CD-signaal in het nabije UV-bereik (230–320 nm). In tegenstelling tot CD in het verre UV, is nabije UV-CD dus een nuttig hulpmiddel om de tertiaire structuur te onderzoeken, die de aminozuur-zijketens immobiliseert. Nucleotiden vertonen een vrij zwak CD-signaal rond 260 nm, dat typisch positief is voor pyrimidine-nucleotiden en negatief voor purine-nucleotiden. Het circulaire dichroïsme van DNA wordt veroorzaakt door de periodieke rangschikking van de nucleobasen in de dubbele helix. Verschillende helixvormen, zoals de A- en B-vormen van DNA, geven aanleiding tot verschillende CD-spectra. RNA vertoont CD-eigenschappen die lijken op die van A-vormig DNA.

Net als de nabije UV-CD van aromatische aminozuurzijketens, kunnen kleine niet-optisch actieve moleculen geïnduceerd circulair dichroïsme vertonen wanneer ze binden aan een macromolecuul in een asymmetrische omgeving. Een voorbeeld hiervan is het geïnduceerde CD van pyridoxaalfosfaat wanneer het bindt aan aspartaat-aminotransferase.

De CD-spectra van peptidenbindingen van gevouwen eiwitten zijn sterk afhankelijk van de secundaire structuur. Daarom worden CD-metingen vaak gebruikt om de fractie van secundaire structuurelementen in een eiwit van onbekende structuur te bepalen. Daartoe wordt een CD-spectrum van het eiwit van interesse gemeten en beschreven als de gewogen som van referentiespectra. In de eenvoudigste vorm zijn de referentiespectra afkomstig van modelpeptiden die een gedefinieerde secundaire structuur aannemen (α-helix of β-sheet) of een willekeurige spiraal vormen. Het gemeten spectrum kan dan worden beschreven met een lineaire combinatie van deze spectra. Het signaal (per aminozuur) van een α-helix hangt af van de lengte ervan, en het CD-spectrum van β-sheets is sterk afhankelijk van de omgeving. Het verschilt voor parallelle en antiparallelle β-sheets en wordt beïnvloed door de vaak waargenomen draaiing in β-sheets. Ook andere secundaire structuurelementen, zoals β-turns, dragen bij aan het CD-spectrum van eiwitten. Tot slot zijn niet-regelmatig gestructureerde elementen in eiwitten vaak niet willekeurige spiralen, maar vertonen ze enige mate van orde. Het is belangrijk te erkennen dat de benadering van het gebruik van slechts drie structuren (α-helix, β-sheet en willekeurige coil) te simplistisch is, aangezien eiwitten meer complexe structuren bevatten. Moderne programma's gebruiken dan ook een database van referentiespectra, verkregen door een principale componentenanalyse van gemeten CD-spectra van eiwitten met bekende structuren.

Hoe de Structuurfactor en Elektronendichtheid de Kristallografie Beïnvloeden

In de kristallografie beschrijft de structuurfactor het gecombineerde effect van alle atomen binnen een molecuul op de verstrooiing van röntgenstralen. Dit verschilt van de moleculaire vormfactor die wordt gebruikt in oplossingverstoring, waar de verstrooiing afkomstig is van de atomen binnen een enkel molecuul. In kristallen heeft de ordening van de moleculen echter invloed op de verstrooiing, omdat de interferentie van golven niet alleen binnen één molecuul plaatsvindt, maar ook tussen de golven van verschillende moleculen.

Bij röntgendiffractie wordt de structuurfactor bepaald door de posities van de atomen binnen een eenheidscel. Dit wordt wiskundig uitgedrukt in een complexe vorm die zowel de amplitude als de fase van de diffractie beschrijft. De structuurfactor is een complex getal, waarbij de amplitude afhankelijk is van de verstrooiing van de atomen in de eenheidscel en de fase van de diffractie wordt bepaald door de positionele coördinaten van de atomen. Het is belangrijk te begrijpen dat de intensiteit van de diffractie (I_hkl) direct gerelateerd is aan de modulus van de structuurfactor, maar dat de fase (ϕ_hkl) ontbreekt in de gemeten gegevens, wat een probleem vormt voor de reconstructie van de elektronische dichtheid van de kristalcel.

De elektronische dichtheid in een kristal kan worden berekend door de Fourier-transformatie van de structuurfactor uit te voeren. De structuurfactor F_hkl is een elektromagnetische golf, waarvan de amplitude en fase de uiteindelijke elektronische dichtheid bepalen. De fase van de structuurfactor, die essentieel is voor het berekenen van de dichtheid, is echter vaak niet direct meetbaar. Dit fenomeen, bekend als het faseprobleem, vormt een van de grootste uitdagingen in de kristallografie. De berekening van de elektronische dichtheid, die de plaatsing van de atomen in de eenheidscel mogelijk maakt, vereist dus dat we deze ontbrekende fase-informatie herstellen.

In de praktijk wordt de elektronendichtheid over de gehele eenheidscel gereconstrueerd door de fase-informatie van verschillende diffractiehoeken te combineren. Hoewel de gehele eenheidscel belangrijk is voor het begrijpen van de kristalstructuur, volstaat het vaak om alleen de elektronische dichtheid van de asymmetrische eenheid te berekenen. Deze asymmetrische eenheid wordt herhaald door de symmetrieoperatoren van de ruimtegroep, wat betekent dat kennis van de asymmetrische eenheid vaak voldoende is om de volledige structuur te reconstrueren.

Een ander belangrijk aspect van de kristallografie is de methode voor het verzamelen van diffractiegegevens. Kristallen worden in een röntgenstraal geplaatst, waarbij de intensiteit van de verstrooiing wordt gemeten als functie van de hoek (θ). Het belangrijkste verschil tussen oplossingverstoring en kristalverstoring is dat de moleculen in kristallen een vaste oriëntatie hebben, in tegenstelling tot de willekeurige oriëntatie van moleculen in oplossing. Het kristal moet worden gedraaid om gegevens te verzamelen uit verschillende richtingen, wat wordt gedaan door het kristal op een goniometer te monteren. Deze goniometer stelt de onderzoeker in staat om het kristal in verschillende hoeken te roteren en zo diffractiegegevens te verkrijgen.

Bij het verzamelen van röntgendiffractiegegevens worden duizenden beelden genomen door het kristal telkens met een kleine hoek te roteren. Het aantal benodigde beelden is afhankelijk van de symmetrie van de ruimtegroep van het kristal. Hoe symmetrischer de ruimtegroep, hoe minder rotatie nodig is. Voor een kubische ruimtegroep kan bijvoorbeeld een rotatie van 22° voldoende zijn, terwijl voor een triclinische ruimtegroep een rotatie van 180° noodzakelijk kan zijn.

Het is ook belangrijk te begrijpen dat de intensiteit van de diffractie niet alleen afhankelijk is van de orde van de kristallen, maar ook van de sterkte van de primaire bundel, de blootstellingstijd en de tijd dat het kristal in de reflectieconditie blijft. Hoewel een perfect georiënteerd kristal slechts op een specifiek moment een reflectie vertoont, zijn de meeste kristallen imperfect. Ze bestaan uit een mengsel van kleine micro-kristallen die in verschillende hoeken ten opzichte van elkaar liggen. De gemiddelde rotatiehoek van deze micro-kristallen wordt de mosaiciteit genoemd en is verantwoordelijk voor het feit dat de intensiteit van de reflecties nooit nul is, maar altijd een zekere breedte heeft.

Dit biedt niet alleen inzicht in de fundamentele principes van röntgendiffractie en de reconstructie van kristalstructuren, maar benadrukt ook de complexiteit van de technieken die nodig zijn om nauwkeurige en gedetailleerde informatie te verkrijgen over de plaatsing van atomen in een kristal. In dit proces blijven de fase-informatie en de geometrie van de symmetrie een uitdaging voor kristallografen, wat leidt tot geavanceerde technieken en algoritmes om deze ontbrekende gegevens te berekenen.

Wat is de Betekenis van Functie en Intentionaliteit in de Natuurwetenschappen?
Hoe kan landbouw bijdragen aan natuurbehoud voor mensen en wilde dieren?
Hypocrisie en de Morele Dilemma's van Intentioneel Bedrog
Hoe bereid je lamsvlees: Van rack tot schouder, alles wat je moet weten
Wat is essentieel om te begrijpen over zonne-energie en de elektriciteitsmarkt?
Overzicht van de praktijk van het behandelen van klachten van gecontroleerde personen, ingediend in het kader van verplichte buitengerechtelijke bezwaarprocedures, evenals de praktijk van de rechtbanken bij het behandelen van verzoeken van gecontroleerde personen om de beslissingen van de Federale Dienst voor Natuurbescherming aan te vechten
Socialisatie van kinderen en jongeren door het behoud van volkstradities
Preventie van internetverslaving bij kinderen
Uittreksels uit de "AANTEKENINGEN VAN EEN CAVALERIST" van Nikolaj Gumiljov.
Lijst van schijven voor het schooljaar 2013-2014