「新型 X 射线激光衍射测定蛋白质结构」与传统 X 射线衍射的区别有哪些？ 第1页

有些回答说X-射线激光是因为"射线强度高"就能"得到好的衍射图样"这个结论是怎么来的... 稍微了解一些衍射的物理常识也知道传统X-射线衍射中, 提升射线强度也很容易的. X-射线激光之所以牛逼, 绝对不是因为它的强度高.

基本物理背景知识:

• X-射线衍射之所以能测定晶体结构是利用了晶体结构的周期性. 当晶体结构有周期性时, X-射线在晶体表面和内部发生干涉. 根据干涉图样, 我们可以反推出晶体的周期结构.
• 之所以用X-射线不能用可见光是因为X-射线的波长和晶体中一个重复的周期结构的大小相当, 用长波长的光看不到比波长更短的尺度上的结构.
• 当一个晶体中重复的周期结构越多, 干涉效果越强, 衍射图样越清晰. 因此传统X-射线衍射测定蛋白质结构, 需要尽可能将蛋白质结成大的单晶. 这样重复的周期结构多, X-射线的强度不需要很大也能得到很不错的衍射谱.
• 在测定蛋白质结构时, X-射线的强度不能太大. 因为X-射线的能量是很高的(回忆有机化学中的很多牛逼的反应的条件是"光照"), 强度太大会使其结构很快就损坏, 来不及得到完整的衍射图样.
  

因此对于结构生物学家来说, 长一个又大又好的蛋白质单晶是其最重要, 也是最困难的工作.

但是对于有一些蛋白, 比如膜蛋白, 很难做出很好的单晶. 通常一个膜蛋白的单晶中也只有300多个重复的结构(在一般的金属等固体中这个数量至少要多几百万倍). 为了得到可以分辨的衍射图样, 必须加很大的X-射线强度. 但是强度一大, 这些蛋白质的结构都损坏了, 得不到完整的衍射谱, 所以很长一段时间, 这种膜蛋白的结构很难用X-射线衍射测量.

不过物理学家们是很厉害的. 他们发明了一个叫"激光"的东西. 自由电子通过相干的同步辐射, 可以制造出时域宽度为飞秒(秒)级别的X-射线激光. (感谢

指正错误. ) 将这种高强度的高速激光打在蛋白质上, 可以在蛋白质结构损坏之前就得到大量可用的衍射图样, 从而测定蛋白质的结构. 这项工作最早是在2010年由德国的实验组完成的:

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上面的工作测定的是已知结构的蛋白质. 第一次测定未知结构蛋白质完成于2013年:

事实上, 飞秒激光很早就应用在了化学中. 1999年的诺贝尔化学奖就发给了利用飞秒激光研究化学反应过渡态的埃及化学家 Zewail. 这个技术之所以到最近才得以应用在生物上主要在于其是X-射线激光. 我们常见的激光都在可见光区, 利用的是原子中电子在不同能级上受激辐射所发出的光子. 但这个光子的能量和X-射线的能量相比实在太低了. 为了实现X-射线激光, 必须采用全新的方式产生激光, 即所谓

. 这种激光器制造困难, 成本极高. 全世界也只有几十台. (好像上面提到的实验的想法是在德国汉堡的 FLASH 自由电子激光器得到验证, 但 FLASH 的激光波长不够短. 实际实验似乎是在美国 Stanford 的

完成的. )

下图是位于荷兰的 FELIX 自由电子激光器:

与一个典型的在可见光区的飞秒激光器相比:

完全不在一个数量级上.

当然现在做结构生物学的测定的手段也很多样, 不止X-射线激光一种. 冷冻电镜也是一个最近发展出的很强大的手段: