APLICACIONES BIOLÓGICAS DE LA
ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL
P. Carmona
Instituto de Estructura de la Materia (CSIC)
Aplicaciones Biológicas de la Espectroscopía Vibracional
Estudios
estructurales Aplicaciones
bioanalíticas
Componentes de alimentos
reestructurados (proteínas,
lípidos, agua).
Biodiagnóstico
P. Carmona (IEM)
A. Herrero (ICTAN)
I. Sánchez-Alonso (ICTAN)
P. Carmona (IEM)
E. López-Tobar (IEM)
M. Molina (UCM)
A. Toledano (IC)
M. Calero (ISCIII)
P. Martínez (Fundación CIEN)
Biocross S.L.
GRUPO DE BIOESPECTROSCOPIA
ESPECTROSCOPIA INFRARROJA Y RAMAN
Interacción radiación electromagnética-vibraciones moleculares
Grupos funcionales Estructura espacial
Análisis Químico
Tensión simétrica
2850 cm-1
Tensión asimétrica
2920 cm-1
Scissoring o tijera
1450 cm-1
Rocking o balanceo
725 cm-1
Wagging o aleteo
1300 cm-1
Twisting o torsión
1350-1180 cm-1
//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/Symmetrical_stretching.gif//commons.wikimedia.org/wiki/File:Scissoring.gif//commons.wikimedia.org/wiki/File:Asymmetrical_stretching.gif//commons.wikimedia.org/wiki/File:Modo_rotacao.gif//commons.wikimedia.org/wiki/File:Wagging.gif//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/40/Twisting.gif
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 4000,00
0,05
0,10
0,15
Re
lati
ve
in
ten
sit
y
cm-1
16
71
14
42
12
35
10
03
40
983
1
Ab1-40 amyloid peptide
A-DNA B-DNA
820-800 cm-1 850-825 cm-1
1600 1400 1200 1000 800 600
14
82
Ram
an
In
ten
sit
y/A
rbit
r. U
nit
s
Wavenumber/cm-1
17
05
15
99
15
75
15
30
13
17
12
50
13
68
14
16
10
98
10
43
98
3 92
1
86
78
12
78
3
72
4
66
86
29
1615-1640 cm-1
1650-1658 cm-1
Y = a + b1X1 + b2X2 +...+ bpXp
Yi, Xi = espectros de proteínas
ESTRUCTURA SECUNDARIA DE PROTEINAS
Regresión por Mínimos Cuadrados Parciales
(a) Synchronous and (b)
asynchronous 2D correlation
spectra constructed from
dynamic spectra.
Raman spectra of blood plasma from healthy controls (), patients with
moderate AD (- - -), Ab1-40 (- -) and Ab1-42 ( ) peptides
D = x1V1 + x2V2 + …..xnVn + a
D
AUC = 0,914
Curva ROC para la suma de marcadores Raman en las regiones
Amida I (1700-1600 cm-1) y 500-400 cm-1
6 5
10
Membrane
Cell front plate
Syringe pump
6 5
10
Membrane
Cell front plate
Syringe pump
CINETICAS DE INTERCAMBIO H/D MEDIBLES POR
ESPECTROSCOPIA IR-RAMAN
(k 2.5 min-1)
Proteínas Acidos Nucleicos
´ lámina-b doble hélice A, B (pares GC)
-hélice estructura Z (pares GC, AT, AU)
est. cuat. (lámina-b, -hélice, desordenada) est. cuat. (pares GC, AT, AU)
VENTAJAS DE LA ESPECTROSCOPIA OPTICA DE
CORRELACION 2D
• Resolución de bandas solapadas.
• Asignación de modos vibracionales mediante correlación de bandas.
• Secuenciación temporal de cambios espectrales.
• Detectar interacciones moleculares a través de grupos que generan bandas correlacionadas.
1750 1660 1570 1480 1750
1660
1570
1480
A
cm
-1
Espectros síncronos de la proteína P22
Hepatitis C virus
5
10
15
20
25
700750800850900950
Wavenumber/cm-1
Tim
e/m
in
Microscopio Raman Renishaw
-15 -10 -5 0 5 10 15
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Fa
cto
r 2
: 2
6.5
6 %
Factor 1: 54.66 %
NC
SINF
A Factor 1 versus Factor 2 plot (score plot) of principal component
analysis from 16 healthy control and 29 scrapie-infected samples (NC
and SINF groups, respectively). (Carmona et al., J. Gen. Virol., 2005).
Structure of protein
Helix
b Sheet
b Turn
Other
Amino acid
The steric structure of the protein is
formed by interaction of amino acids.
Therefore, the steric structure depends
on the sequence of amino acids.
The structure of the protein is
classified into 4 structures as follows:
1. Primary
2. Secondary
3. Tertiary
4. Quaternary
Typical protein (lysozyme)
Quantitative analysis using UV/Vis spectrometer
0
5
200 400 250 300 350
Abs
Wavelength[nm]
Almost all proteins have a peak at 280 n, therefore,
quantitative analysis of protein can be performed
with a UV/Vis spectrometer. An alternative
quantitative analysis method is colorimetry using
reagent (such as the Lowry method , Biuret method,
etc.)
Concentration [%, M etc.] Concentration [%, M etc.]
Ab
s
Ab
s Calibration curve Quantitative analysis First of all, spectra of
each protein
concentration are
measured to produce
a calibration curve.
Next, unknown
samples are measured
and quantitative
analysis is performed
using the calibration
curve.
Benzene ring
(280 nm)
IR spectrum of typical protein
Amid I peak contains the
secondary structure
information (α-Helix, β-
Sheet etc.)
Using this peak, the IR-SSE
program calculates SSE by
PCR ( Principal
Component Regression) or
PLS (Partial Least Square)
method.
1700 1680 1660 1640 1620 1600
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Pri
nc
ipa
l C
om
po
ne
nt
1, L
oa
din
gs
cm-1
16
321
68
6
16
54
Loadings plot of Factor 1 (Principal Component 1) for the
score plot in the previous Figure.
0
5
10
15
20
25
30
35
Controls Infected
b-S
hee
t S
tru
ctu
re (
%)
Bar diagram for the means of ß-sheet percentages measured for
healthy control and scrapie-affected samples from genetically selected
animals. (Carmona et al., Chemistry and Biology, 2004).
VIBRACIONES MOLECULARES
Espectroscopia Infrarroja Espectroscopia Raman
Absorción de radiación infrarroja Difusión inelástica de radiación
APLICACIONES
Estructura de la materia a nivel molecular (moléculas orgánicas, inorgánicas y
cristales)
Análisis químico (determinación de compuestos inorgánicos, orgánicos y biológicos) en estado sólido, líquido o gaseoso.
Teoría de grupos
ESTRUCTURA
Cálclulos de frecuencias de vibración
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