Jsme na Facebooku!

Facebook ÚFMT

Fyzikální studium biomolekulárních systémů

Výzkumná tematika je součástí výzkumného záměru Fyzikálně-chemické metody analýzy a popisu chemických systémů a biosystémů (koordinátor prof. Ing. Karel Volka, CSc.)
Výzkum skupiny (prof. RNDr. Marie Urbanová, CSc.) je zaměřen na fyzikální studium biomolekulárních systémů a to zejména na:

  1. Rozvoj metodiky spektroskopie vibračního cirkulárního dichroismu (spolupráce s Ústavem analytické chemie)
  2. Spektroskopické studium biologicky zajímavých molekul, jejich interakcí a vztahu struktury a funkce

 fyz st 1

 

Význam spektroskopie vibračního cirkulárního dichroismu (VCD) a elektronového cirkulárního dichroismu (ECD) spočívá zejména v tom, že poskytuje informace o struktuře malých až obřích chirálních, biologicky významných molekul v roztocích, kdy získání strukturních informací jinými metodami, jako je NMR nebo rentgenová strukturní analýza, je značně omezené. Během posledních deseti let byla na Ústavu analytické chemie za personální a finanční účasti Ústavu fyziky a měřicí techniky vybudovaná laboratoř cirkulárního dichroismu. Je vybavena následujícími špičkovými experimentálními zařízeními:

  • infračervený spektrometr s Fourierovou transformací IFS66/S (Bruker, Německo), opatřený VCD/IRRAS modulem 37 optimalizovaný pro měření v oblasti 1800-700 cm-1 
  • infračervený spektrometr Tensor 27 (Bruker, Německo), opatřený VCD/IRRAS modulem 50 optimalizovaný pro měření v oblasti 4000-2000 cm-1
  • spektrometr Ja-810 (Jasco, Japonsko) pro měření spekter elektronického cirkulárního dichroismu v ultrafialové a viditelné oblasti spektra.

Byla tak vytvořena laboratoř, která se stala mezinárodně uznávaným pracovištěm, kde je možné kvalitně měřit spektra vibračního cirkulárního dichroismu kapalných vzorků a vzorků ve formě homogenní gelů nebo nekrystalických pevných látek v celé střední infračervené oblasti a spektra elektronového cirkulárního dichroismu v ultrafialové a viditelné oblasti.

fyz st 2

 

V následujících bodech jsou uvedeny některé aplikace metody VCD.

Určování enantiomerní čistoty kapalných vzorků

Vzhledem k tomu, že opačné enantiomery se projevují ve spektrech VCD pásy s opačnými znaménky, je možné využít tuto metodu k určení enantiomerické čistoty vzorku, jak je demonstrováno na obr. 4, který shrnuje spektra VCD směsí (+)- a (-)-a-pinenu s odlišnými hodnotami enantiomerního přebytku.

fyz st 3

 

Absolutní konfigurace biologicky významných molekul středních velikostí

Významné uplatnění nachází VCD spektroskopie např. v konformačních studiích léčiv, jejichž farmakologické působení se pojí s určitou enantiomerní formou. Na základě srovnání experimentálních a simulovaných VCD spekter byla určena geometrie konformérů vyskytujících se v roztocích, sledován vliv intermolekulárních interakcí a substitucí postranních skupin na konformaci prekurzoru léčiva v roztocích.

 

Konformace polypeptidů, bílkovin, DNA a jejich biologicky významných komplexů

VCD jako nedestruktivní metoda byla využita při určování struktury peptické části porfyrin-polypeptidických komplexů, které slouží jako modelové systémy při charakterizaci porfyrin-bílkovinných komplexů uplatňujících se např. ve fotodynamické terapii, transportu kyslíku a prvotních stadiích fotosyntézy. Dále byly získány strukturní charakteristiky bilirubinu, derivátů bilirubinu a jejich komplexů s polypeptidy, cyklodextriny a biogenními kovy.

 

Sledování samoskladby (self-assembly)

Při samoskladbě organických molekul (self-assembly) dochází nezřídka ke vzniku indukované chirality, která se projevuje výrazným cirkulárním dichroismem. Vznik indukovaného VCD byl pozorován v případě samoskladby guanidinových derivátů a v procesech gelování organických rozpouštědel.

 

Vybrané publikace

  1. Julínek, O., Setnička, V., Miklášová, N., Putala, M., Ruud, K., Urbanova, M. "Determination of Molecular Structure of Bisphenylene Homologues of BINOL-Based Phosphoramidites by Chiroptical Methods", J. Phys. Chem. A, 113, 10717–10725, 2009.
  2. V. Setnička, J. Hlaváček and M. Urbanová „Cationic Oligopeptides with Repeating Sequencce L-lysysl-Lalanyl-L-Alanine" Conformational and Thermal Stability Study Using Optical Spectroscopic Methods, Peptide Science 15, 533-539, 2009.
  3. I Goncharova, M. Urbanová, "Vibrational and Electronic Circular Dichroism Study of Bile Pigments: Complexes of Bilirubin and Biliverdin with Methals", Analytical Biochemistry, 392, 28-36, 2009.
  4. O. Julínek, M. Urbanová, W. Lindner, "Enantioselective Complexation of Carbamoylated Quinine and Quinidine with N-blocked Amino Acids: Vibrational and Electronic Circular Dichroism Study ", Analytical and Bioanalytical Chemistry, 393, 303-312, 2009.
  5. V. Setnička, J. Hlaváček and M. Urbanová „Oligopeptide-porphyrin interactions studied by circular dichroism spectroscopy: the effect of metalloporphyrin axial ligands on peptide matrix conformation", Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 12 (12), 1270-78, 2008.
  6. I Goncharova, M. Urbanová, "Stereoselective bile pigment binding to polypeptides and albumins: a circular dichroism study", Anal Bioanal Chem, 392, 1355–1365, 2008.
  7. V. Setnička, J. Nový, S. Böhm, N. Sreenivasachary, M. Urbanová, K. Volka, "Molecular Structure of Guanine-Quartet Supramolecular Assemblies in a Gel-State Based on a DFT Calculation of Infrared and Vibrational Circular Dichroism Spektra", Langmuir, 24, 7520-7527, 2008.
  8. P. J. Stephens, J.-J. Pan, F. J. Devlin, M. Urbanová , O. Julínek, and J. Hájíček, Determination of the absolute configurations of natural productsvia density functional theory calculations of vibrational circular dichroism, electronic circular dichroism, and optical rotation: The iso-schizozygane alkaloids isoschizogalineand isoschizogamine", Chirality 20,454-470 (2008).
  9. J. Nový, S. Böhm, J.a Králová, V. Král, M. Urbanová, Formation and temperature stability of G-quadruplex structures studied by electronic and vibrational circular dichroism spectroscopy combined with ab initio calculations, Biopolymers89, 144-152 (2008).
  10. O. Julínek, I. Goncharova and M. Urbanová, Chiral memory and self-replication study of porphyrin and bilirubin aggregates formed on polypeptide matrice, Supramolecular Chemistry, 2008;20(7):643-650.
  11. Goncharova and M. Urbanová, Bile pigment complexes with cyclodextrins: electronic and vibrational circular dichroism study, Tetrahedron: Asymmetry 18, 2061-2068 (2007).
  12. P.J. Stephens, J.-J. Pan, and F. J. Devlin, M. Urbanová, and J. Hájíček, „Natural Products via Density Functional Theory calculations of Vibrational Circular Dichroism, Electronic Circular Dichroism and Optical Rotation: The Schizozygane Alkaloid Schyzozygine", Journal of Organic Chemistry 72, 2508-2524, 2007.