Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
исследуемой молекуле (например, частичная или полная химическая структура
и, возможно, даже некоторые конформационные данные).
Самая общая цель - найти такую структуру молекулы, которая наилучшим
образом согласуется с полученными дифракционными данными и не
противоречит (без должных на то оснований) нашей химической интуиции и
имеющемуся набору структурных данных. При такой постановке вопроса
становится очевидным, что метод дифракции рентгеновских лучей практически
не является абсолютным при определении структуры. В случае большинства
макромолекулярных структур необходимо использовать кроме чисто
дифракционных данных и другую информацию. Иными словами, для того, чтобы
однозначно установить положение и тип каждого атома в структуре,
недостаточно одних только рентгеновских данных. Даже если бы можно было
экспериментально измерить все фазы структурных факторов, информации могло
бы не хватить. Остается лишь удивляться смелости первых ученых, взявшихся
за расшифровку структур макромолекулярных кристаллов.
ЭТАПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ МАЛОЙ МОЛЕКУЛЫ
Здесь мы опишем несколько приемов, используемых при определении структуры
малой молекулы. Это не обязательно самые эффективные методы, которые
применяются в настоящее время, но они послужат полезному сравнению с
методами расшифровки структуры больших молекул, которые мы изложим позже.
1. Сначала пытаются получить подходящие кристаллы, а затем определяют
пространственную группу, элементарную ячейку и получают набор данных об
амплитудах 1Сэксп(/г, А:,/)1 .
2.Предпринимают попытку найти положение нескольких атомов. Это можно
сделать с помощью прямых методов (Blundell, Johnson, 19761*) либо путем
поиска в структуре нескольких тяжелых атомов с использованием функции
Паттерсона, обсуждаемой ниже.
3.Если известно положение нескольких атомов, можно рассчитать с помощью
уравнения (13.70) вклад FH, вносимый ими в рассеяние:
FH(h, к, /) = ? fj(s)e2"ilh*i+k">+,*i) (13.91)
j
где индекс j относится ко всем атомам с известным положением. Заметим,
однако, что наблюдаемый экспериментально структурный фактор F3Kcn есть
сумма вкладов от известных атомов и от всех атомов, чье положение
еще следует найти (unknown) Fu:
Рэкп (К к, /) = Fн(/з, к, /) + FJh, к, I) (13.92)
Однако здесь решающим является то обстоятельство, что FH(h, к, /),
которые мы рас-
считали, содержат информацию как об амплитудах, так и о фазах.
11 Книга переведена на русский язык: Бландел Т. Джонсон Л.,
Кристаллография белка: - М Мир, 1979. - Прим. перев.
24*
372
ГЛАВА 13
4. Фазу вклада FH(/j, к, /) можно использовать несколькими способами для
оценки фазы, связанной сF3Kcn(/j ,к,1). Затем для оценки распределения
электронной плотности, исходя из известных положений тяжелых атомов,
можно провести фурье-синтез:
p(x.y,z)= III \F3Kcn{h.k,l)\ei<tl"<'e-2*iih*+k>'+l* (13.93)
h~ ~ "х к- - ct I = - ос
Здесь структурный фактор явно разделен на амплитудный и фазовый члены.
Отметим, что существенно использовать именно измеренные амплитуды. Если в
(13.93) используются расчетные и фазы, и амплитуды [т.е. если уравнение
(13.91) просто подставляется в
(13.93)], то в р(х,у, z) нельзя получить ничего, кроме точно известных
атомных положений, которые были подставлены в уравнение (13.91) при
расчете FH(h, к, /).
5. В распределении электронной плотности, рассчитанном по уравнению
(13.93) даже при неполной информации о фазах, появятся определенные
максимумы, соответствующие положениям новых атомов или групп атомов. Их в
свою очередь можно использовать в уравнении (13.91) для расчета более
точных значений фаз; подставляя последние в
(13.93), можно рассчитать новую карту электронной плотности. Этот
процесс, называемый фурье-уточнением, продолжается до тех пор, пока не
будут найдены положения всех атомов, соответствующие первоначальным или
подкорректированным в процессе поиска ожиданиям.
РИС. 13.29. Трехмерная карта электронной плотности рибонуклеазы S.
Контуры равной плотности нанесены на прозрачные пластины из оргстекла,
которые затем сложены стопкой.
РЕНТГЕНОВСКАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
373
6. На этом этапе структура все еще очень приблизительна. Положения
атомов из того первоначального набора, который использовался для
"запуска" всего итерационного процесса, определены не слишком точно.
Получающееся в результате распределение электронной плотности не очень
четко. Обычно невозможно приписать точные координаты всем атомам. Более
того, на результате сказываются экспериментальные ошибки определения
структурных факторов, и их следует учитывать каким-то систематическим
образом. Итак, шестой, последний этап определения структуры по
рентгеновским данным состоит в том, чтобы, допуская небольшие изменения
структуры молекул, добиться наибольшего согласия между рассчитанной
структурой и наблюдаемыми данными. Один из способов этого, называемый
уточнением по методу наименьших квадратов, будет описан дальше.
На практике при расчете р(х, у, z) по уравнению (13.93) можно
