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X射线晶体衍射分析 生物0921 钟宇销 【摘要】：本文介绍了晶体衍射分析的原理和方法，对X射线在晶体衍射中的应用及具体分析步骤进行了阐述。X射线晶体衍射分析能解析蛋白质晶体中原子在空间的位置与排列，迄今仍然是蛋白质和核酸三维结构测定的最主要方法，是精确测定蛋白质分子中每个原子在三维空间位置的工具。 【关键词】：X射线 晶体 衍射  1.引言 任何物质均由原子离子或分子组成。晶体有别于非晶物质，它的内部所含原子离子或分子具有严格的三维有规则的周期性排列。可以从晶体中取出一个基本单元，称为之晶胞。晶体的周期性结构使晶体能对X射线中子流电子流等产生衍射效应，形成X射线衍射法.中子流衍射法.电子流衍射法。这些衍射法能获得有关晶体结构可靠而精确的数据，其中最重要的是X射线晶体衍射法。1912年劳厄（M.von Laue）首先发现X射线可以被晶体衍射，开创了晶体结构分析的X射线衍射法。此后不久英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）在劳厄实验的基础上，导出了一个比较直观的X射线衍射方程式，从而为X射线衍射理论和技术的发展奠定了坚实的基础。X射线晶体衍射分析能解析蛋白质晶体中原子在空间的位置与排列，迄今仍然是蛋白质和核酸三维结构测定的最主要方法，是精确测定蛋白质分子中每个原子在三维空间位置的工具。 2. X射线晶体衍射分析的发展史 2.1 蛋白质晶体的第一个X射线图像时Bernal和Crowfoot于1934年测定的，他们发现蛋白质分子含有丰富的结构信息。 2.2 1954年由Perrtz等人证明重原子同晶置换（heavy atom isomorphous replacement）可以解决相应的问题，又经Blow和Crick加以发展，才解析了蛋白质的晶体结构。 2.3 在1957年和1959年Kerdrew和Perutz分别获得了肌红蛋白和血红蛋白的低分辨率（0.6nm和0.5nm）结构。 2.4 在1957~1967年的10年里，溶菌酶、胰凝乳蛋白酶A、核糖核酸酶、核糖核酸酶S和羧肽酶也分别获得了高分辨率的晶体结构。 2.5 从20世纪60年代末进入70年代，X射线晶体衍射分析从对生物大分子三维结构测定进入生物大分子三维结构及其生物学功能之间关系的研究。 2.6 现在，生物大分子晶体学已被应用到测定由许多生物大分子组成的极其复杂的大分子组装体的晶体结构。 3. X射线衍射分析原理 3.1 X射线的产生 1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。 3.2 X射线晶体衍射分析的理论依据 X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2d sinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。本法的特点在于可以获得元素存在 的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风沙和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。 4. X射线衍射分析步骤 4.1 蛋白质单晶的制备 制备蛋白质单晶常用气相扩散法和平衡透析法气相扩散法。前者是蛋白质结晶中使用的标准方法，小体积比较合适，容易建立且易于监测反应进度。通常的做法是“悬滴”，即在蛋白质溶液中加入浓度不足以沉淀蛋白质的“沉淀剂”。悬滴于一个大的含有沉淀剂的储液槽相对，当把储液槽封闭后，平衡时悬滴液内的蛋白质倾向于过饱和浓度，从而引发悬滴液内的蛋白质结晶。而平衡透析法，在具有高或低离子强度的蛋白质结晶中使用。在容器中用半透膜隔开小体积的蛋白质溶液和沉淀剂，沉淀剂慢慢促使隔间中的蛋白质溶液形成晶体。 结构测定的精度依赖于晶体所能达到的衍射分辨率，所以获得具有强衍射能力的晶体是蛋白质晶体结构测定分析的关键步骤，是蛋白质晶体结构分析的难点。 4.2 衍射数据收集和处理 衍射数据是晶体结构分析的基础，衍射数据的好坏直