中文名:高分子mbth:高分子結構:空間結構、立體結構或結構作用:確定原子在晶體中的空間位置學科:蛋白質晶體學衍射技術、技術介紹、功能、蛋白質晶體學、歷史回顧、衍射技術簡介從衍射圖樣(衍射線的方向和強度)計算生物大分子三維結構(也常稱為空間結構、立體結構或構象)的技術。主要原理是X射線、中子束或電子束通過具有有序生物大分子的晶體或纖維時產生的衍射圖樣，與樣品中原子的排列規律存在倒易關系(互傅裏葉變換)。作用X射線衍射技術可以精確確定原子在晶體中的空間位置，是迄今為止研究生物大分子結構的主要技術。中子衍射和電子衍射技術用來彌補X射線衍射技術的不足。生物大分子單晶的X射線衍射技術最早是在20世紀50年代以後從蛋白質晶體結構的研究中發展起來的，70年代成為晶體學的壹個分支——蛋白質晶體學。樹枝狀大分子蛋白質結晶學生物大分子單晶的中子衍射技術用於確定生物大分子中氫原子的位置，也屬於蛋白質結晶學。纖維狀生物大分子的x射線衍射技術用於確定這類大分子的壹些周期性結構，如螺旋結構。基於電子衍射的電子顯微鏡技術可以測量生物大分子的大小、形狀和亞基排列的二維圖像。結合光學衍射和濾波技術的三維重建技術可以直接顯示生物大分子的低分辨率三維結構。歷史回顧發現大分子的背景1912德國物理學家m·馮·勞厄預言晶體是X射線的天然衍射光柵。從那以後，英國物理學家W. H .布格和W. L .布格開創了X射線晶體學。幾十年來，這門學科不斷發展和完善，已經確定了數千種無機和有機化合物的晶體和分子結構。它提供的結構數據已經成為現代結構化學的基礎。然而，傳統的分析小分子晶體結構的方法不適用於原子數量多、結構復雜的生物大分子。直到1954年，英國晶體學家等人提出在蛋白質晶體中引入重原子的同構替換法，才有可能確定生物大分子的晶體結構。1960年，英國晶體學家J.C. Chendru等人首先解決了壹種蛋白質分子的三維結構──肌紅蛋白，由153個氨基酸組成，分子量為17500。圖1【抹香鯨肌紅蛋白分子的結構模型】顯示其分辨率為2埃的結構模型。此後，對生物大分子晶體結構的研究發展迅速。到20世紀80年代初，已經確定了近200種生物大分子的三維結構，有力地推動了分子生物學的發展。繼20世紀60年代第壹個合成牛胰島素之後，中國在70年代初確定了三鋅豬胰島素的三維結構。1986年，中國已經完成了該構造在1.2埃的高分辨率校正。晶體和X射線衍射電磁波是直線傳播的，但在某些情況下也會發生轉折，這就是衍射現象。當可見光穿過針孔或狹縫時，就會出現這種現象。因為針孔或狹縫的大小與可見光的波長相同，所以針孔或狹縫可視為點光源，向四面八方輻射二次電磁波，或稱散射波。如果有許多按順序排列的針孔或狹縫，由於這些散射波的幹涉，就會形成有規律的明暗衍射圖樣。這是因為來自不同部分的散射波的相位和振幅是不同的，它們相加的結果在壹些地方被加強，在另壹些地方被削弱。這些圖案隨波長、針孔大小和排列而變化(圖2[三個針孔及其對應衍射圖案的排列])。當X射線穿過晶體時，晶體中原子的核外電子可以散射X射線。如果把每個原子看成壹個散射源，由於X射線的波長與原子間的距離相同，也會發生衍射。晶體結構的特征是晶體中原子或分子的周期性排列。如果用壹組抽象的幾何點來表示周期性重復的規律，那麽這種排列可以表示為壹個格子。晶體的三維晶格結構使晶體能夠被分割成無數個大小和形狀相同的平行六面體，稱為晶胞。它是晶體結構的基本重復單位。每個細胞都含有完全相同種類、數量和排列的原子。可以推斷，衍射線(也叫反射線)的強度取決於晶胞的內容，其方向取決於波長和晶胞的大小和形狀。晶體結構的確定晶體對X射線、中子束和電子束的衍射，與可見光對規則排列的針孔的衍射遵循相同的光學變換原理，即通過傅裏葉變換-衍射光譜可以得到針孔或晶體結構(原子在針孔或晶體中的排列)的倒易像。相反，衍射光譜的逆變換是正空間的像——針孔的排列或晶體的結構。在可見光的衍射中，這種逆變換可以通過透鏡的聚焦過程來實現。但到目前為止，人們還沒有找到聚焦X射線(或中子)散射線的方法。所以無法直接觀察到生物大分子的圖像。這只能通過電子計算機進行數學計算。