Tinh thể học tia x

Tinh thể học tia X Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Bước tới: menu, tìm kiếm Workflow for solving the structure of a molecule by X-ray crystallography Tinh thể học tia X ngành khoa học xác định xếp nguyên tử bên tinh thể dựa vào liệu phân tán tia X sau chiếu vào electron tinh thể Sau xây dựng hình ảnh chiều mật độ electron bên tinh thể, vị trí nguyên tử tính trung bình, liên kết hóa học thu thập Bước quan trọng tinh thể học tia X nhiễu xạ tia X từ tinh thể Một tinh thể vật rắn với nguyên tử bên có trật tự cố định lặp lặp lại dọc theo hướng gọi vector sở hay vector lưới (bais hay lattice) Nhiều chất chuyển dạng tinh thể muối, kim loại, khoáng chất, chất bán dẫn, phân tử vô cơ, hữu hay sinh học khác Sau thu dạng tinh thể chất, treo lên máy đo góc (goniometer) bắn tia X vào, tạo mẫu nhiễu xạ điểm gọi điểm phản xạ Tiếp, tinh thể xoay tròn từ từ (theo độ dời góc định) lần xoay ta lại thu thập mẫu nhiễu xạ Tập hợp ảnh 2D chuyển thành mô hình 3D mật độ electron bên tinh thể nhờ phương pháp toán học biến đổi Fourier liệu hóa học mẫu (tức ta biết thành phần hóa học chất) Từ đó, suy vị trí nhân nguyên tử mật độ electron liệu hóa học Mục lục [ẩn] • • Tổng quan nhiễu xạ tia X đơn tinh thể o 1.1 Thủ tục o 1.2 Hạn chế Lịch sử 2.1 Sơ lược tinh thể tia X 2.2 Phân tích tia X tinh thể 2.3 Phát triển từ 1912 đến 1920 Đóng góp hóa học khoa học vật liệu Phương pháp o 4.1 Tinh thể hóa o 4.2 Thu thập liệu  4.2.1 Treo tinh thể lên  4.2.2 Nguồn tia X  4.2.3 Ghi lại nhiễu xạ Xem thêm Chú thích Tài liệu o 7.1 Bảng quốc tế tinh thể học o 7.2 Tập hợp báo o 7.3 Sách o 7.4 Lịch sử Liên kết o 8.1 Hướng dẫn o 8.2 CSDL o 8.3 CSDL dẫn xuất o 8.4 Kiểm tra cấu trúc o o o • • • • • • • Thư viện ảnh [sửa] Tổng quan nhiễu xạ tia X đơn tinh thể Phương pháp lâu đời xác tinh thể học tia X nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, chùm tia X bị hồi từ mặt phẳng có khoảng cách đơn tinh thể, tạo mẫu nhiễu xạ gồm điểm gọi nhiễu xạ Mỗi nhiễu xạ tương ứng với tập mặt phẳng có khoảng cách bên tinh thể Mật độ electron bên tinh thể xác định từ vị trí độ sáng nhiễu xạ khác quan sát tinh thể từ từ xoay quanh chùm tia X; mật độ này, với liệu bổ sung (về thành phần hóa học), cho phép ta xác định vị trí nguyên tử bên tinh thể Nó xác định lực liên kết hóa học trung bình nguyên tử góc chúng khoảng vài ngàn Ångström vài chục độ [sửa] Thủ tục Kĩ thuật nhiễu xạ tia X đơn tinh thể có bước Đầu tiên - khó - thu thập tinh thể tốt Tinh thể phải đủ lớn (thường lớn 100 micron chiều), tạp chất có cấu trúc ổn định, không bị nứt nẻ Bước hai, đặt tinh thể vào đường chùm tia X cực mạnh, thường có bước sóng đơn (monochromatic X-rays), để tạo mẫu nhiễu sắc Tinh thể từ từ xoay liệu thu thập lại Mỗi ảnh chứa hàng chục ngàn điểm nhiễu xạ với cường độ khác Bước ba, dùng kĩ thuật tính toán liệu hóa học bổ sung để đưa mô hình xếp nguyên tử bên tinh thể Kết lưu trữ CSDL công cộng [sửa] Hạn chế Xem thêm: Độ phân giải (mật độ electron) [sửa] Lịch sử [sửa] Sơ lược tinh thể tia X Vẽ hình vuông (Figure A, trên) hình lục giác (Figure B, dưới) packing from Kepler's work, Strena seu de Nive Sexangula Các tinh thể từ lâu tiếng tính xếp theo qui luật đối xứng, chưa nghiên cứu cách khoa học kỉ 17 Johannes Kepler đưa giả thuyết Strena seu de Nive Sexangula (1611) tính đối xứng lục giác tinh thể tuyết đóng gói theo qui luật phân tử nước hình cầu[1] Được hiển thị tinh thể học tia X, đối xứng lục giác tuyết xếp theo khối bốn mặt liên kết hydro quanh phân tử nước Các phân tử nước tạo thành lưới kim cương, có tính đối xứng lục giác nhìn dọc theo trục Nicolas Steno (1669) người thử nghiệm tính đối xứng tinh thể, ông cho thấy góc bề mặt tinh thể [2] tiếp đến René Just Haüy (1784), người khám phá mặt tinh thể mô tả số nguyên nhỏ, gọi số Miller Điều dẫn Haüy đến quan điểm đắn tinh thể có cấu trúc mảng chiều không thay đổi (lưới Bravais) nguyên tử phân tử; phân tử tế bào đơn vị lặp vô hạn định dọc theo trục (các trục không thiết vuông góc nhau) Vào kỉ 19, tổng hợp đối xứng có tinh thể đưa Johann Hessel[3], Auguste Bravais[4], Yevgraf Fyodorov[5], Arthur Schönflies[6] sau William Barlow Tinh thể học tia X cho thấy xếp phân tử nước đá, tiết lộ cho thấy liên kết hydro tạo đối xứng lục giác Tia X khám phá Wilhelm Conrad Röntgen năm 1895 Nó sóng điện từ, hay dạng khác ánh sáng [sửa] Phân tích tia X tinh thể Chùm tia vào (từ phía bên trái) gây cho phát tán tỏa lại phần nhỏ lượng dạng sóng cầu Nếu phát tán xếp đối xứng với với khoảng phân cách d, sóng cầu đồng theo hướng mà chênh lệch chiều dài đường d sin θ với gấp số nguyên lần bước sóng λ Trong trường hợp đó, phần chùm tia vào bị làm lệch góc 2θ, tạo điểm nhiễu xạ mẫu nhiễu xạ Các tinh thể mảng cố định nguyên tử tia X xem sóng điện từ Các nguyên tử làm phân tán tia X, chủ yếu dựa vào electron nguyên tử; giống sóng biển đánh vào hải đăng có gờ đá bao quanh tạo sóng nhỏ khác tỏa theo hướng từ hải đăng đó, tia X đánh vào electron bao quanh nguyên tử tạo sóng cầu tỏa từ electron Hiện tượng gọi tán xạ (scatterer) Một mảng không thay đổi tán xạ tạo mảng cố định sóng cầu Mặc dù sóng triệt tiêu theo hầu hết hướng, chúng cộng lẫn theo vài hướng, tuân theo định luật Bragg 2dsinθ = nλ với n số nguyên Những hướng chọn lựa xuất điểm mẫu nhiễu xạ, hay gọi phản xạ (reflection) [sửa] Phát triển từ 1912 đến 1920 Mặc dù kim cương (trên bên trái) than chì (trên bên phải) giống thành phần hóa học — hoàn toàn carbon — tinh thể học tia X cho thấy xếp nguyên tử (bên dưới), dẫn đến khác tính chất chúng Trong kim cương, nguyên tử cácbon xếp theo khối tứ diện với liên kết cộng hóa trị đơn, tạo cho kết nối mạnh theo hướng Ngược lại, than chì tạo bơi lớp chồng lên nhau, nguyên tử cácbon liên kết lục giác liên kết đơn đội, liên kết cộng hóa trị lớp Sau nghiên cứu tiên phong von Laue, lĩnh vực phát triển nhanh chóng, tiếng hai nhà vật lý William Lawrence Bragg cha ông William Henry Bragg Năm 19121913, Bragg trẻ phát triển định luật Bragg, liên kết tán xạ quan sát với phản xạ từ mặt phẳng có khoảng cách bên tinh thể[7] [sửa] Đóng góp hóa học khoa học vật liệu [sửa] Phương pháp [sửa] Tinh thể hóa Tập tin:Protein crystal.jpg Một tinh thể protein nhìn qua kính hiển vi Tinh thể dùng tinh thể hóa tia X thường có bề ngang nhỏ millimeter Xem thêm thông tin tại: Tinh thể hóa [sửa] Thu thập liệu [sửa] Treo tinh thể lên Minh hoạc cho thấy chuyển động máy đo góc kết kappa chu kì Việc quay quanh góc φ, κ, ω 2θ giúp đưa rõ tinh thể trước chùm tia X (màu cam), đổi hướng cho phép nhiều không gian tương hỗ quan sát Cuối cùng, nhận dạng (màu tía với hình đen) điều chỉnh gần xa tinh thể, cho phép chỉnh độ phân giải cao (nếu gần) nhìn thấy tốt đỉnh Bragg (nếu xa) Vì tinh thể chùm tia nhỏ, nên tinh thể phải đặt chùm tia với độ xác khoảng 25 microns, nhờ hỗ trợ camera hội tụ tinh thể Loại đo góc kế phổ dụng "kappa goniometer", loại thường có góc xoay: góc ω , xoay quanh trục gần vuông góc với chùm tia; góc κ , quay quanh trục vào khoảng 50° so với trục ω ; góc φ quay quanh trục mao dẫn (loop/capillary axis) Khi góc κ zero, trục ω φ trùng khớp [sửa] Nguồn tia X Xem thêm thông tin tại: Nhiễu xạ kế Xinchrotron Nguồn tia X sáng hữu ích Xincrotron; độ sáng cao cho phép tạo độ phân giải cao Nó dễ điều chỉnh bước sóng tia xạ Các máy Xincrotron tài sản quốc gia, thiết bị tương ứng với dòng tia nơi liệu thu thập liên tục Nhiễu xạ kế Các nguồn tia X nhỏ yếu thường dùng phòng TN để kiểm tra chát lượng tinh thể trước đem đến máy Xinchrotron [sửa] Ghi lại nhiễu xạ Một mẫu nhiễu xạ tia X enzyme tinh thể hóa Mẫu tạo chấm đen (gọi nhiễu xạ) dùng để xây dựng lại cấu trúc enzyme Khi tinh thể treo lên máy đo góc chiếu vào chùm tia X cực mạnh phía trước, làm phát tán chùm tia X tạo mẫu điểm đen nhiễu xạ mà quan sát thông qua hình nằm phía sau tinh thể Cường độ mạnh yếu khác tia phản xạ cho ta biết xếp phân tử bên tinh thể mức nguyên tử Cường độ đo đạc dựa vào phim nhiếp ảnh, nhận dạng diện tích (area detector) hay thiết bị cảm ứng hình cảnh charge-coupled device (CCD) Đỉnh có góc nhỏ tương ứng với liệu có độ phân giải thấp, đỉnh (peak) có góc cao cho liệu có độ phân giải cao Một hình ảnh điểm (spot) không đủ để xây dựng lại toàn cấu trúc tinh thể; lát nhỏ toàn biến đổi Fourier Để thu thập thông tin cần thiết, tinh thể phải xoay bước hết góc 180°, với ảnh lưu lại bước Tuy nhiên, tinh thể có tính đối xứng cao, nên dùng góc xoay nhỏ hơn, 90° hay 45° Trục xoay nên đổi lần, để tránh việc phát triển điểm mù (blind spot) Thông thừong nên lắc cho tinh thể dịch đôi chút (cỡ 0.5-2°) [sửa] Xem thêm • • • • • • • Xác định cấu trúc Nhiễu xạ neutron Nhiễu xạ electron Phân tán tia X góc rộng (Wide angle X-ray scattering - WAXS) Phân tán tia X góc hẹp (Small angle X-ray scattering - SAXS) Lưới Bravais Nhóm điểm tinh thể [sửa] Chú thích ^ Kepler, J (1611) Strena seu de Nive Sexangula, Frankfurt: G Tampach ^ Steno, N (1669) De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus, Florentiae ^ Hessel, JFC (1831) Kristallometrie oder Kristallonomie und Kristallographie, Leipzig ^ Bravais, Auguste (1850) “Mémoire sur les systèmes formés par des points distribués regulièrement sur un plan ou dans l'espace” J l'Ecole Polytech 19 ^ I I Shafranovskii and N V Belov (1962) “E S Fedorov” 50 Years of X-Ray Diffraction, ed Paul Ewald (Springer): pp 351-353 ISBN 9027790299 http://www.iucr.org/iucr-top/publ/50YearsOfXrayDiffraction/fedorov.pdf ^ Schönflies, A (1891) Kristallsysteme und Kristallstruktur, Leipzig 7 ^ Bragg WL (1912) “The Specular Reflexion of X-rays” Nature 90: 410 doi:10.1038/090410b0 Bragg WL (1913) “The Diffraction of Short Electromanetic Waves by a Crystal” Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 17: 43–57 Bragg WL (1914) “Die Reflexion der Röntgenstrahlen” Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 11: 350 [sửa] Tài liệu [sửa] Bảng quốc tế tinh thể học • • • (2002) International Tables for Crystallography Volume A, Space-group Symmetry, 5th edition, ed Theo Hahn, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography ISBN 0-7923-6590-9 (2001) eds Michael G Rossmann and Eddy Arnold International Tables for Crystallography Volume F, Crystallography of biological molecules, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography ISBN 0-7923-6857-6 (1996) International Tables for Crystallography Brief Teaching Edition of Volume A, Space-group Symmetry, 4th revised and enlarged edition, ed Theo Hahn, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography ISBN 0-7923-4252-6 [sửa] Tập hợp báo • • • (1997) Macromolecular Crystallography, Part A (Methods in Enzymology, v 276), edited by CW Carter, Jr and RM Sweet, San Diego: Academic Press ISBN 0-12-182177-3 (1997) Macromolecular Crystallography, Part B (Methods in Enzymology, v 277), edited by CW Carter, Jr and RM Sweet, San Diego: Academic Press ISBN 0-12-182178-1 (1999) Crystallization of Nucleic Acids and Proteins: A Practical Approach, 2nd edition, edited by A Ducruix and R Giegé, Oxford: Oxford University Press ISBN 0-19-963678-8 [sửa] Sách • • • • • • • • • • Blow, D (2002) Outline of Crystallography for Biologists, Oxford: Oxford University Press ISBN 0-19-851051-9 Clegg, W (1998) Crystal Structure Determination (Oxford Chemistry Primer), Oxford: Oxford University Press ISBN 0-19-855-901-1 Drenth, J (1999) Principles of Protein X-Ray Crystallography, New York: Springer-Verlag ISBN 0-387-98587-5 Giacovazzo, C; Monaco HL, Viterbo D, Scordari F, Gilli G, Zanotti G, and Catti M (1992) Fundamentals of Crystallography, Oxford: Oxford University Press ISBN 0-19-855578-4 Glusker, JP; Lewis M, Rossi M (1994) Crystal Structure Analysis for Chemists and Biologists, New York: VCH Publishers ISBN 0-471-18543-4 Massa, W (2004) Crystal Structure Determination, Berlin: Springer ISBN 3540206442 McPherson, A (1999) Crystallization of Biological Macromolecules, Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press ISBN 0-87969-617-6 McPherson, A (2003) Introduction to Macromolecular Crystallography, John Wiley & Sons ISBN 0-471-25122-4 McRee, DE (1993) Practical Protein Crystallography, San Diego: Academic Press ISBN 0-12-486050-8 Rhodes, G (2000) Crystallography Made Crystal Clear, San Diego: Academic Press ISBN 0-12-587072-8., PDF copy of select chapters • Zachariasen, WH (1945) Theory of X-ray Diffraction in Crystals, New York: Dover Publications Bản mẫu:LCCN [sửa] Lịch sử • • • • • • • Friedrich, W (1922) “Die Geschichte der Auffindung der Röntgenstrahlinterferenzen” Die Naturwissenschaften 10 Lonsdale, K (1949) Crystals and X-rays, New York: D van Nostrand Bragg, William Lawrence, D C Phillips and H Lipson (1992) The Development of X-ray Analysis, New York: Dover ISBN 0-486-67316-2 Ewald PP, editor, and numerous crystallographers (1962) Fifty Years of X-ray Diffraction, Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V Ewald, P P., editor 50 Years of X-Ray Diffraction (Reprinted in pdf format for the IUCr XVIII Congress, Glasgow, Scotland, Copyright © 1962, 1999 International Union of Crystallography) Bijvoet JM, Burgers WG, Hägg G, eds (1969) Early Papers on Diffraction of X-rays by Crystals (Volume I), Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V Bijvoet JM, Burgers WG, Hägg G, eds (1972) Early Papers on Diffraction of X-rays by Crystals (Volume II), Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V [sửa] Liên kết [sửa] Hướng dẫn • • • • • • • Simple, non technical introduction "Small Molecule Crystalization" (PDF) at Illinois Institute of Technology website International Union of Crystallography Crystallography 101 Interactive structure factor tutorial Book of Fourier, about a technique which is used in X-ray crystallography Lecture notes on X-ray crystallography and structure determination [sửa] CSDL • • • • • Protein Data Bank (PDB) Nucleic Acid Databank (NDB) Cambridge Structural Database (CSD) Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) Biological Macromolecule Crystallization Database (BMCD) [sửa] CSDL dẫn xuất • • • • • • PDBsum Proteopeida - the collaborative, 3D encyclopedia of proteins and other molecules RNABase HIC-Up database of PDB ligands Structural Classification of Proteins database CATH Protein Structure Classification • • List of transmembrane proteins with known 3D structure Orientations of Proteins in Membranes database [sửa] Kiểm tra cấu trúc • • • • • • WHAT-IF structural validation suite Biotech structural validation suite (formerly ProCheck) MolProbity structural validation suite ProSA-web NQ-Flipper (check for unfavorable rotamers of Asn and Gln residues) DALI server (identifies proteins similar to a given protein) Bản mẫu:Protein structure determination [sửa] Thư viện ảnh Lấy từ “http://vi.wikipedia.org/wiki/Tinh_th%E1%BB%83_h%E1%BB%8Dc_tia_X” Thể loại: Tinh thể học | Nhiễu xạ | Tia X | Cấu trúc protein | Phương pháp protein | Kĩ thuật liên quan Xinchrotron ... x tia X đơn tinh thể Phương pháp lâu đời x c tinh thể học tia X nhiễu x tia X đơn tinh thể, chùm tia X bị hồi từ mặt phẳng có khoảng cách đơn tinh thể, tạo mẫu nhiễu x gồm điểm gọi nhiễu x ... lược tinh thể tia X 2.2 Phân tích tia X tinh thể 2.3 Phát triển từ 1912 đến 1920 Đóng góp hóa học khoa học vật liệu Phương pháp o 4.1 Tinh thể hóa o 4.2 Thu thập liệu  4.2.1 Treo tinh thể lên... Mỗi nhiễu x tương ứng với tập mặt phẳng có khoảng cách bên tinh thể Mật độ electron bên tinh thể x c định từ vị trí độ sáng nhiễu x khác quan sát tinh thể từ từ xoay quanh chùm tia X; mật độ