医药探秘｜大分子药物二级及高级结构分析-圆二色光谱CD

圆二色谱介绍

圆二色（circular dichroism, CD）光谱作为一种光谱技术，对立体结构分析或手性分析具有专属性，非常适合立体异构或手性药物分析研究。

圆二色性是指光学活性物质（手性物质）对左圆偏振光和右圆偏振光吸收出现差异的现象。通常以椭圆度θ或吸收差（Δε）对波长扫描即得圆二色光谱。

 

圆二色性原理

 

圆二色光谱是利用圆二色性及光学活性分子对不同波长左旋和右旋圆偏振光吸收的不同来进行立体结构分析。蛋白质是由氨基酸通过肽键连接形成的具有特定空间结构的生物大分子物质，其光活性基团主要是肽链骨架中的肽键、芳香氨基酸残基及二硫键等。当平面圆偏振光的左旋和右旋偏振光吸收不相同时，就会产生吸收差值，从而造成了偏振光矢量的振幅差，圆偏振光变成了椭圆偏振光，这就是蛋白质的圆二色性。同理，还有核酸等生物活性物质。

 

生物大分子圆二色性

 

生物药主要包括多肽、蛋白、抗体和核酸等，它们的生物活性与空间立体构象密切相关，因此圆二色谱二级及高级结构表征分析在生物药物的研发和质量控制中起着重要的作用，广泛应用于生命科学、食品、药学、化学、材料学等研究领域，其主要检测对象为具有手性中心的化合物、生物大分子及超分子自组装材料。。跟立体结构有关的应用比较多，包括抗体结构 、DNA/RNA 结构、蛋白 - 蛋白相互作用、蛋白 - 核酸相互作用、配体结合、糖类结构、化学稳定性研究、热力学稳定性研究、动力学研究 。

 

圆二色光谱仪JASCO-1500

 

圆二色光谱仪在分子生物学领域中的应用主要是生物大分子，光学活性来源于其特有的空间结构。如蛋白质的α螺旋，β折叠；多聚核苷酸及核酸的单股，双股，三股螺旋等。这些特有的空间结构是它们表达生物功能的结构基础。CD谱的形状，谱峰位置，强度及它们随实验条件的变化本身就可以得到这些很重要的结构信息及随条件变化的信息，是生物大分子研究的重要领域。对于蛋白样品，远紫外扫描可反映蛋白质的α-螺旋、β-折叠、转角和不规则卷曲的比例，并可以通过二级模拟软件进行α-螺旋、β-折叠、转角和不规则卷曲的比例的预测。近紫外扫描可反映蛋白质侧链生色基团色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等残基的排布信息和二硫键微环境的变化。圆二色光谱在生物药物的表征分析包括：

• 比较不同表达体系生产的蛋白样品（如糖基化对结构域稳定性影响）

• 将蛋白质的功能活性改变与空间构象相关联

• 评估生物类似药的一致性

• 通过程序升温进行热变性温度（Tm）检测，与MicroDSC热稳定性分析相互佐证。

举例：

在生物药物圆二色谱分析中，可以提供产品的圆二色谱、二级结构预测、一致性评价和热变性温度。

蛋白远紫外圆二色谱扫描

 

蛋白二级结构预测

 

蛋白近紫外扫描

 

程序升温圆二色谱图（190nm-260nm）

 

程序升温222nm圆二色谱图Tm值分析（74.38℃）

 

药物一致性评价分析

 

综上所述，圆二色（CD）光谱凭借其对手性与立体结构的高敏感性，已成为解析蛋白质、核酸等生物大分子构象及其功能关系的重要工具。它通过检测左、右旋圆偏振光吸收差异，提供二级结构、热稳定性及化学稳定性等关键信息，在生物药物研发、质量控制及一致性评价中发挥着不可替代的作用。随着技术进步，CD光谱将在生物医药及相关领域持续拓展其应用价值。