[科普中国]-反常散射

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晶体内部的电子密度函数ρ(r)决定了它的衍射图象，即晶体的X射线各衍射方向振幅和相位，反过来，衍射图象同样也决定晶体的电子密度函数ρ(r)。然而因为从衍射实验中只能得到一组强度值(振幅)，所以电子密度函数ρ(r)的就不能够求得 。 假如引用以前已知的结构知识，即晶体是由分立的已知原子序数的原子组成，那么实测的衍射强度值一般是足以确定晶胞中原子位置，即确定晶体结构 。

应该指出，对于实测的衍射强度一般足以单独确定晶体结构的认识，在直接法测定晶体结构的发展史上是 一个里程碑。 因为大约在1950年前，结晶学界一直持有与此相反的错误观点，认为晶体结构即使在原则上也不可能从衍射强度中推引出来，而且已形成一种心理障碍。 要取得实质性的进展，就必须消除这种障碍。1

反常散射法同直接法的结合对于某些类型的含重原子晶体结构，用通常的Patterson法、 重原子法、 乃至直接法，往往不易获得解。将由反常散射效应所得的部分相位信息同直接法结合起来有助于解决这个困难。紫草乌碱乙碘氢酸盐的晶体结构可算是一个典型的例子。在这个晶体结构中，碘原子具有中心对称的分布，而其余46个独立的轻原子则属非中心对称分布。曾经试用Patterson法、 重原子法、 直接法(MULTAN一75)求解这个结构。所得结果是一个鹰中心 对称的双解，也就是每个轻原子都出现中心对称的一对可能位置。作者之一在1965年曾经提出将反常散射法同直接法结合起来以消除双解问题。

随着同步辐射X光源日渐广泛地应用于结构分析，反常散射效应的应用将更具重要意义。使用同步辐射X光源可以更精确地测量反常散射效应。更重要的是，同步辐射X光的波长可以在大范围内连续调节。因此原则上对任何成分的单晶体试样，都不难从实验上获得大量准确的反常散射数据。由此可以推引出几十个乃至几百个起始相位。 现有直接法的各种技巧如果以这样一个可靠的“大起始套”作为基础，将有可能解出更复杂得多的结构。2

全新蛋白结构解析方法蛋白质结构解析过程中，相位问题的解决是关键的步骤。一般解析相位问题的办法有分子置换法、同晶置换法和反常散射法。要进行全新结构的解析，必须依靠同晶置换法或者反常散射法。然而同晶置换法需要制备至少一种同晶置换晶体；反常散射法需要所解析蛋白中含有金属或者在制备过程中进行硒代， 并且利用同步辐射光源采集多个波长的衍射数据，给蛋白和晶体的制备，以及衍射实验增加了相当多的工作量，使得全新蛋白结构的解析效率难以提高。 所以发展不需要同晶置换或反常散射就能够解析全新结构的方法势在必行。

小角X射线散射可以获得蛋白质在溶液中的形状，根据这个形状和一套任意波长的蛋白质单晶衍射数据， 可以通过六维搜索的方法确定出晶胞中蛋白质所处的位置和取向，因此皆可以得到这个蛋白质晶体的低分辨结构模型。但是这个低分辨模型仅仅利用晶体学的方法难以扩展到高分辨率的数据上去。

利用光学中的一些算法，例如杂化输入-输出算法（Hybrid-Input-Output，HIO）或者改进的杂化输入-输出算法（Modified Hybrid-Input-Output， MHIO），成功地把低分辨的相位扩展到任意分辨率的衍射数据中，从而实现相位的解析。这种算法对衍射数据的误差非常不敏感，并且对衍射的分辨率没有要求，只要在低蛋白质进行结晶之前进行小角散射实验，获得蛋白质在溶液中的低分辨形状，获得晶体以后收集一套任意波长的衍射数据，就能够解析出蛋白质晶体结构，可望成为解析全新结构的一种有力的新方法。3