Рентгеновская кристаллография
-
История рентгеновской кристаллографии
- Рентгеновская кристаллография определяет атомную и молекулярную структуру кристаллов.
- Метод основан на дифракции рентгеновских лучей на кристаллической структуре.
- Первые исследования начались в 17 веке, но рентгеновская кристаллография стала важной в 20 веке.
-
Основные этапы работы
- Подготовка образцов и регистрация интенсивности дифракции.
- Оценка атомной структуры с помощью прямых методов.
- Численное уточнение структуры с помощью вычислительных методов.
-
Вклад в науку
- Определение размеров атомов и химических связей.
- Выявление структуры биологических молекул.
- Понимание электронных и упругих свойств материалов.
-
Основные достижения
- Определение структуры поваренной соли и алмаза.
- Раскрытие структуры меди, фторида кальция, кальцита, пирита, шпинели, диоксида титана, пирохроита, брусита, нитрата натрия, дихлорийодида цезия, вюрцита.
- Определение структуры графита и различных металлов.
-
Влияние на химию
- Лучшее понимание химических связей и нековалентных взаимодействий.
- Подтверждение теоретических моделей химической связи.
- Открытие гексагональной симметрии бензола и резонанса между химическими связями.
-
История рентгеновской кристаллографии
- Первая структура органического соединения, гексаметилентетрамина, была раскрыта в 1923 году.
- В 1930-х годах начали решаться задачи о структурах крупных молекул.
- В 1920-х годах разработаны правила для исключения химически маловероятных структур.
-
Применение в минералогии и материаловедении
- Рентгеновская кристаллография начала применяться в минералогии с 1924 года.
- В металлургии рентгеновская кристаллография использовалась с середины 1920-х годов.
- В фармацевтической промышленности монокристаллическая дифракция также применяется.
-
Биологическая макромолекулярная кристаллография
- Рентгеновская кристаллография биологических молекул началась с Дороти Кроуфут Ходжкин.
- В 1969 году Ходжкин разгадала структуру инсулина.
- В конце 1950-х годов начали изучать кристаллические структуры белков.
-
Методы рентгеновской кристаллографии
- Используются два предельных случая: мелкомолекулярная и макромолекулярная кристаллография.
- Метод состоит из трех этапов: получение кристалла, измерение дифракционной картины, создание модели расположения атомов.
-
Кристаллизация
- Кристаллография требует чистого кристалла высокой регулярности.
- Небольшие молекулы могут быть кристаллизованы различными методами, макромолекулы требуют специальных условий.
- Кристаллы белка почти всегда выращивают в растворе, используя постепенное снижение растворимости.
-
Методы кристаллизации белков
- Кристаллизация белков в масле: водные растворы белков распределяются под жидким маслом, вода испаряется через слой масла.
- Различные масла обладают разной способностью к испарению, что влияет на концентрацию.
- Условия кристаллизации определяются путем отбора, тестируются сотни или тысячи растворов.
- Используются различные физические механизмы для снижения растворимости, такие как изменение рН, добавление солей или полимеров.
- Применяются несколько температур для стимулирования кристаллизации.
-
Проблемы и препятствия
- Растущие кристаллы выдерживаются при постоянной температуре и защищены от ударов.
- Примеси и конформационная гибкость молекул препятствуют кристаллизации.
- Молекулы, склонные к самосборке, часто не образуют кристаллы.
- Кристаллы могут быть повреждены двойникованием.
-
Сбор данных
- Кристалл устанавливается для измерений в луче рентгеновского излучения.
- Используются капилляры, петли или угломеры для точного позиционирования кристалла.
- Кристалл замораживается жидким азотом для уменьшения радиационного воздействия.
- Запись отражений осуществляется с помощью фотопленки, детектора площади или CCD.
-
Обработка данных
- Интенсивность отражений регистрируется для определения расположения молекул.
- Кристалл поворачивается на 180° для сбора всей информации.
- Данные преобразуются в трехмерный набор, определяется симметрия кристалла.
- Данные интегрируются и масштабируются для получения согласованной шкалы интенсивности.
-
Фазовая проблема
- Интенсивность дифракционных пятен пропорциональна квадрату модуля структурного фактора.
- Фаза не может быть зарегистрирована напрямую, используются различные методы для её оценки.
- Фазирование Ab initio или прямые методы используются для небольших молекул.
-
Молекулярная замена
- Используется для определения ориентации и положения молекул внутри элементарной ячейки
- Фазы используются для создания карт электронной плотности
-
Аномальное рассеяние рентгеновских лучей
- Длина волны рентгеновского излучения проходит за границу поглощения атома
- Регистрируются полные наборы отражений на трех длинах волн
- Определяется субструктура аномально дифрагирующих атомов
-
Методы тяжелых атомов
- Вводятся электронно-плотные атомы металла
- Используются прямые методы или пространственные методы Паттерсона
- Изменения амплитуд рассеяния интерпретируются как фазы
-
Построение модели и поэтапное уточнение
- Построение исходной модели на основе начальных фаз
- Уточнение положений атомов и коэффициентов Дебая-Уоллера
- Итеративный процесс до максимальной корреляции между данными и моделью
-
Проблемы и подводные камни
- Фазовое смещение и модельная погрешность
- Кристаллографический беспорядок и его моделирование
- Неправильное моделирование беспорядка и его последствия
-
Прикладной вычислительный анализ данных
- Использование вычислительных методов для анализа данных
- Методы Ритвельда и другие инструменты для идентификации фаз и уточнения структуры
-
Нанесение структуры
- Завершение модели структуры и занесение в кристаллографические базы данных
- Частные коммерческие структуры не всегда хранятся в общедоступных базах данных
-
Вклад женщин в рентгеновскую кристаллографию
- Кэтлин Лонсдейл, Дороти Ходжкин, Розалинда Франклин, Изабелла Карл
- Их вклад в развитие рентгеновской кристаллографии и получение Нобелевских премий
-
Вклад Лонсдейла
- Лонсдейл редактировал Международные таблицы по кристаллографии
- Таблицы содержат информацию о кристаллических решетках, симметрии и пространственных группах
- Включают математические, физические и химические данные о структурах
-
Вклад Ольги Кеннард
- Основала и руководила Кембриджским центром кристаллографических данных
- Центр является всемирно признанным источником структурных данных о малых молекулах
-
Вклад Дженни Пикворт Глускер
- Соавтор книги «Анализ кристаллической структуры: учебник для начинающих»
- Книга впервые опубликована в 1971 году и переиздана в 2010 году
-
Вклад Элеоноры Додсон
- Главный инициатор создания CCP4
- Проект включает более 250 программных средств для кристаллографов белков
-
Нобелевские премии и кристаллография
- Нобелевские премии связаны с рентгеновской кристаллографией
-
Основные методы кристаллографии
- Биверс–Липсон стрип
- Брэгговская дифракция
- Кристаллографическая база данных
- Группы кристаллографических точек
- Карта разности плотностей
- Дифракция электронов
- Энергодисперсионная рентгеновская дифракция
- Параметр Flack (размытие)
- Дифракция скользящего падения
- Предел Хендерсона
- Международный год кристаллографии
- Формализм многополюсной плотности
- Дифракция нейтронов
- Порошковая дифракция
- Птихография
- Уравнение Шеррера
- Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS)
- Определение структуры
- Сверхбыстрый рентгеновский снимок
- Широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей (WAXS)
- Дифракция рентгеновских лучей
-
Ресурсы и базы данных
- Международные таблицы для кристаллографии
- Переплетенные сборники статей
- Учебники
- Прикладной вычислительный анализ данных
- Исторический
- Внешние ссылки
- Ресурсы в вашей библиотеке
- Ресурсы в других библиотеках
- Учебные пособия
- Изучение кристаллографии
- Простое, нетехническое введение
- Коллекция кристаллографии, видеоряд Королевского института
- «Кристаллизация малых молекул» (PDF) на веб-сайте Иллинойского технологического института
- Международный союз кристаллографии
- Кристаллография 101
- Интерактивное учебное пособие по структурному фактору
- Иллюстрированный сборник преобразований Фурье
- Конспект лекций по рентгеновской кристаллографии и определению структуры
- Онлайн-лекция Ричарда Дж. о современных методах рассеяния рентгеновских лучей
- Мати
- Интерактивная хронология кристаллографии
-
Первичные базы данных
- Открытая база данных по кристаллографии (COD)
- Банк данных о белках (PDB)
- Банк данных по нуклеиновым кислотам (NDB)
- Кембриджская структурная база данных (CSD)
- База данных о структуре неорганических кристаллов (ICSD)
- База данных по кристаллизации биологических макромолекул (BMCD)
-
Производные базы данных
- Сумма PDB
- Протеопедия – совместная 3D-энциклопедия белков и других молекул
- База данных
- Обновленная база данных PDB-лигандов
- База данных по структурной классификации белков
- Классификация структуры белка CATH
- Список трансмембранных белков с известной трехмерной структурой
- Ориентация белков в базе данных по мембранам
-
Структурная валидация
- Набор для структурной проверки MolProbity
- ПроЗА-веб
- NQ-Flipper (проверка на наличие нежелательных ротамеров остатков Asn и Gln)
- Сервер DALI (идентифицирует белки, похожие на данный белок)