蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)解析

蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)解析一、X射線衍射技術(shù)§8蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)解析X射線的發(fā)現(xiàn)是起源于對(duì)陰極射線的研究。倫琴也對(duì)陰極射線感興趣，一個(gè)偶然事件吸引了他的注意發(fā)現(xiàn)了一種穿透能力很強(qiáng)的射線——X射線（倫琴射線）W.K.Rontgen(1845-1923)德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)，是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，造詣很深的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，由于發(fā)現(xiàn)X射線，第一個(gè)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1901年)X射線發(fā)現(xiàn)X射線性質(zhì)是一種穿透能力很強(qiáng)的射線1912年勞厄等人（晶體衍射）確定是電磁波波長(zhǎng)范圍0.001---50nm量子理論----由光子組成的粒子流E=hv=hc/λ

X射線技術(shù)經(jīng)百年的發(fā)展，不僅對(duì)其本質(zhì)和性質(zhì)有了深入的了解，而且在科研，生產(chǎn)方面有著廣泛的應(yīng)用。例如：在物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、材料、工程等。X射線源X射線管同步輻射電子同步加速器產(chǎn)生的，高速電子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)發(fā)出的電磁輻射特點(diǎn)：1、方向性強(qiáng)2、廣闊平滑連續(xù)譜3、高強(qiáng)度高亮度4、偏振5、高穩(wěn)定6、脈沖寬度小高速電子打在靶上，產(chǎn)生X射線和熱量X射線譜標(biāo)識(shí)光譜連續(xù)光譜來(lái)源于電子轟擊陽(yáng)極時(shí)的軔致輻射，X射線管的管壓低時(shí)發(fā)出連續(xù)光譜原子內(nèi)層次電子躍遷發(fā)出的輻射，與靶材有關(guān)，X射線管的管壓超過(guò)靶的某一激發(fā)電位時(shí)才有標(biāo)識(shí)光譜與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

X射線衍射原理x-ray的衍射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象x-ray射入樣品，其背后放置照相底片。非晶體：沿x-ray傳播方向形成一個(gè)斑點(diǎn)。晶體：除透射束形成的中心斑點(diǎn)外，周圍還有有規(guī)律分布的其它斑點(diǎn)。說(shuō)明有偏離原入射方向的x-ray存在。x射線的衍射x-ray遇到晶體后所產(chǎn)生的上述現(xiàn)象稱為x-ray的衍射，偏離原入射方向的射線稱衍射線，底片上出現(xiàn)的圖形稱衍射圖，圖上的斑點(diǎn)稱衍射斑點(diǎn)。利用x-ray研究晶體結(jié)構(gòu)中各類問(wèn)題，主要是通過(guò)x-ray在晶體中產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象進(jìn)行的。勞厄斑點(diǎn)產(chǎn)生原因x-ray的衍射現(xiàn)象是x-ray散射的一種特殊表現(xiàn)。晶體由有序排列的質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)x-ray與質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，首先被晶體各個(gè)原子中的電子散射，每個(gè)電子都是一個(gè)新的輻射波源，其波長(zhǎng)與原射線相同。x射線的衍射原子在晶體中是周期排列，散射波之間存在著固定的位相關(guān)系，它們之間會(huì)在空間產(chǎn)生干涉。衍射：原子在晶體中的周期性排列使得x-ray散射在一些特定的方向加強(qiáng)，而在其它方向減弱的現(xiàn)象。x-ray衍射實(shí)質(zhì)：大量原子散射波互相干涉結(jié)果相干散射是衍射的基礎(chǔ)，而衍射則是晶體對(duì)x-ray散射的一種特殊表現(xiàn)形式，并非x-ray與物質(zhì)相互作用的新現(xiàn)象。布拉格定律布拉格方程的導(dǎo)出布拉格定律是衍射幾何規(guī)律的表達(dá)式。假設(shè)：①晶體是理想的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣。②原子是幾何點(diǎn)，電子集中在點(diǎn)上散射。③入射的x-ray嚴(yán)格平行。④原子不做熱振動(dòng)。布拉格方程晶體是由（hkl）晶面堆垛而成的，即一系列平行等距原子面層層疊合而成。干涉加強(qiáng)的條件是：晶體中任意兩相鄰原子面上的原子散射波在原子面反射方向的光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。即：△=nλn=1，2，3，…晶體的三維光柵Three-dimensional“diffractiongrating”x-ray作用于單原子面上任意兩相鄰原子的散射波在原子面反射方向上的光程差為：R=0一個(gè)原子面對(duì)x-ray的衍射可以在形式上看成原子面對(duì)入射線的“反射”。x-ray作用于多原子面上

經(jīng)兩相鄰原子面反射的反射波光程差：R=2dsinθ布拉格方程干涉加強(qiáng)條件（布拉格方程）為：式中：n—整數(shù)，“反射”級(jí)數(shù)（衍射級(jí)數(shù)）一組（hkl）隨n值的不同，可產(chǎn)生n個(gè)不同方向的反射線。θ—布拉格角（入射線與晶面）半衍射角布拉格方程的討論1反映了衍射方向與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，說(shuō)明了衍射所必備的條件。（表達(dá)了：反射線空間方位、反射晶面間距、入射線方位、入射波長(zhǎng)之間的相互關(guān)系）x-ray在晶體中產(chǎn)生衍射，其θ、d、λ必須滿足布拉格方程。布拉格方程與光學(xué)反射定律合在一起稱為布拉格定律，或x-ray“反射”定律。布拉格方程的討論2

x-ray在晶面“反射”與可見(jiàn)光鏡面反射比較：相同點(diǎn)：①兩角相等②三線共面不同點(diǎn)：①可見(jiàn)光反射僅限于物體表面；x-ray不僅在表面而且能進(jìn)入晶體內(nèi)部。②可見(jiàn)光以任意角度入射都可進(jìn)行反射；x-ray只有特殊角度才能進(jìn)行反射，稱為x-ray的“選擇反射”。布拉格方程的討論3產(chǎn)生衍射的極限條件：波長(zhǎng)：sinθ=≤1λ≤2d晶面數(shù)：d≥衍射級(jí)數(shù)：X射線衍射儀的基本結(jié)構(gòu)x射線衍射圖2θOntheinterfaceInthepaste小結(jié)利用x-ray研究晶體結(jié)構(gòu)問(wèn)題，主要是通過(guò)x-ray在晶體中產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。x-ray在晶體中的衍射，實(shí)質(zhì)是大量原子散射波干涉的結(jié)果，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。x-ray衍射理論要解決的中心問(wèn)題：在衍射現(xiàn)象和晶體結(jié)構(gòu)之間建立起定性和定量的關(guān)系。衍射線在空間的分布

晶胞的大小、形狀和位向衍射線束的強(qiáng)度

原子的種類及在晶胞中的位置布拉格定律反映前者，衍射強(qiáng)度理論解決后者。二、X射線衍射技術(shù)的在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用舉例1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)DNA晶體X射線衍射花樣34埃20埃亮度一致亮度不一小溝大溝JamesWatsonFrancisCrickMauriceWilkinsRosalindFranklin

1957年,JohnKendrew——肌紅蛋白

2、X射線晶體學(xué)全解析的第一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)－－肌紅蛋白一條多肽鏈+一個(gè)輔基多肽鏈：由153個(gè)氨基酸殘基組成分子量：16700肌紅蛋白晶體化及