Infrared Spectroscopy of Small Biomolecules in the Gas Phase

Abstract

Proteiner är makromolekyler som är nödvändiga för alla livformer. Deras biologiska funktion är kopplad till hur de veckas, vilket bestäms av deras primärsekvens, men det exakta sambandet är inte förstått. Fysikalisk modellering erbjuder en lösning från grunden i denna fråga, men modellerna behöver kalibreras med experimentella data från liknande biomolekyler.

Infraröd (IR) spektroskopi är ett kraftfullt verktyg för att bestämma molekylär struktur och därmed validera fysikaliska modeller. Det infraröda området motsvarar molekylära vibrationer, som är nära relaterade till den geometriska strukturen. Genom att utföra IR-spektroskopi på biomolekyler är det sammantaget möjligt att bedöma fysikaliska modeller.

Simuleringar av molekyler görs bäst i en isolerad miljö. För att matcha detta bör spektroskopiska experiment utföras i gasfas, där molekyler är isolerade och de inneboende egenskaperna kan studeras. Den låga densiteten i gasfasen kräver att särskilda tekniker för verkansspektroskopi används.

Denna avhandling fokuserar på verkansspektroskopitekniker för biomolekyler i gasfas och all teori som krävs för att beskriva dessa. Fyra sådana tekniker tillämpas på små biomolekyler: IR flerfotondissociation (IRMPD) av joner, IRMPD av neutrala molekyler kombinerad med joniserande vakuumultraviolett strålning (IRMPD–VUV), ultraviolett (UV) resonansförstärkt flerfotonjonisering (REMPI), och konformer-specifik IR–UV-jon-dip-spektroskopi baserad på REMPI. Dessutom har en experimentell uppställning för de två sista teknikerna konstruerats.

Den etablerade IRMPD-tekniken tillämpas på protonbundna dimerer av asparagin. Genom partiell isotopmärkning tilldelas IR-resonanserna vibrationsmoder. Motsvarande kvantkemiska beräkningar utförs för att förutsäga spektrumet och dra slutsatser om strukturen.

Vidare tillämpas den nyligen utvecklade IRMPD–VUV-tekniken på peptiden pentaalanin, i tro om att den ska bilda en miniatyrhelix. Både experiment och teori indikerar flera förekommande konformer. Även om deras strukturer inte kan bestämmas, kan den kemiska miljön kring karboxylgruppen (COOH) avläsas.

Slutligen tillämpas den konformerspecifika IR–UV-jon-dip-spektroskopitekniken på fenylerade polyalaninpeptider. Fenylgruppen möjliggör REMPI och jon-dip-spektroskopi. I motsats till pentaalanin visar experimentet endast en konformer, vilket stöds av teorin.