т такие колебания, при которых положение центра тяжести молекулы не меняется. Для молекулы из п атомов число таких колебаний равно Зп—6. Хотя при этом нередко преобладает колебание какой-то одной связи, возможно синхронное движение многих атомов. При описании основных колебаний молекулы пользуются такими терминами, как растяжение, изгиб (в плоскости или с выходом из плоскости), кручение и деформация. Все Зп—6 полос в инфракрасном спектре наблюдаются довольно редко. Объясняется это отчасти тем, что некоторые колебания не сопровождаются изменением дипольного момента (например, симметричное растяжение линейной молекулы С02). Другие же полосы оказываются попросту слишком слабыми, чтобы их можно было четко зарегистрировать.

Частота колебаний, захватывающих сразу много атомов молекулы,— так называемых скелетных колебаний — как правило, лежит в области 700—1400 см-1 (14—7 мкм). Частоты же колебаний, определяемых главным образом конкретными функциональными группами, составляют обычно 1000—5000 см-1 (10—2 мкм). Так, например, валентные колебания С—Н-, N—Н- и О—Н-связей имеют характерные частоты, равные, как правило, ~2900, 3300 и 3600 см-1 соответственно. Отметим

!) Это лишь одна из причин ушнрения полос поглощения в инфракрасной области # растворе; другая обусловлена взаимодействием с растворителем, в результате которого поглощающие молекулы находятся в неэквивалентном окружении.

ряд важных фактов. Энергия (и частота) колебаний возрастает с увеличением различия в электроотрицательности двух атомов, образующих связь. Чем больше масса атомов, тем ниже частота (например, частота колебаний С—О в первичном спирте составляет 1053 см-1). Частота колебаний двойной связи выше, чем одинарной (так, для связи С = 0 она равна ~ 1700 см-1; эти валентные колебания соответствуют одной из самых интенсивных полос поглощения инфракрасного спектра). Сильный и весьма характерный эффект оказывает образование водородных связей: частота колебаний связи О—Н, составляющая ~3600 см-1, при образовании водородной связи уменьшается до 3500 см-1.

Согласно теории гармонического осциллятора, разрешенными являются переходы с данного колебательного энергетического уровня лишь на соседний более высокий уровень, однако для ангармонических осцилляторов возможны слабые переходы на более высокие колебательные уровни. В результате возникают «обертоны», частота которых приблизительно кратна основной частоте. Кроме того, могут наблюдаться полосы, частот*! которых равны сумме или разности частот отдельных инфракрасных полос. Эти полосы очень слабые, но тот факт, что они лежат в области относительно высоких энергий в ближней инфракрасной области (4000—12 500 см-1), позволяет выявить их даже легче, чем основные полосы, располагающиеся очень близко друг к другу в инфракрасной области.

а. Колебательные частоты амидных групп

Поскольку амидные группы присутствуют как в белках, так и в пу-риновых и пиримидиновых основаниях, их инфракрасные полосы поглощения привлекли к себе большое внимание. Из множества полос поглощения указанной группы (описанных в книге Фрэзера и Мак-Рэе [11]) особый интерес представляют три полосы.

Полоса амид I при ~ 1680 см-1 соответствует нормальным колебаниям в плоскости амидной группы и прежде всего валентным колебаi

РИС. 13-3. Инфракрасный дихроизм фибрилл инсулина. Сплошная линия: вектор напряженности электрического поля параллелен оси фибриллы; штриховая линия: вектор напряженности электрического поля перпендикулярен оси фибриллы. [Burke М. J.,

Rougvie М. A., Biochemistry, 11, 2437 (1972)].

ниям связи С = 0. Полоса амид II при 1500 см-1 тоже обусловлена колебаниями в пределах плоскости, включая изгиб N—Н-связи, тогда как полоса амид А с более высокой частотой, равной ~3450 см-1, обусловлена валентными колебаниями N—Н-связи. Участие N—Н-группы в образовании водородной связи сдвигает полосу амид А к ~3300 см-1. Инфракрасный спектр белка [12], содержащий полосы амид А, амид I и амид II, приведен на рис. 13-3. Обратите внимание на сложную форму полос. Форма полосы амид I сильно зависит от конформации пептидной цепи. Согласно эмпирическому правилу, частота полосы поглощения амидных групп в а-спиралях на 20 см-1 больше, чем частота соответствующих полос в р-структурах. Правда, более тщательный анализ нормальных колебаний пептидных цепей привел к иным выводам [11, 13—15].

__j I I I j i i a_i л1 I i-i

1500 1450 1400 1350 1450 1400

Частота , смЧастота, см

РИС. 13-4. Инфракрасный (А) и рамановский (Б) спектры 1-метилурапила в Н20 (сплошная линия) и D2O (штриховая линия). Приведены спектры обычного 1-метилурапила (вверху) и его специфически меченного производного, содержащего lsO в положении 4 (внизу) [16].

Одним из наиболее распространенных методов исследования ориентированных пептидных цепей является метод инфракрасного дихроизма. При этом регистрируют спектры поглощения белка для двух взаимно перпендикулярных направлений поляризации падающего света. В одном случае вектор напряженности электри