РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Рентгеноструктурный анализ — метод определения структуры объектов, основанный на физическом явлении рассеяния (дифракции) электромагнитного излучения в изучаемом веществе. С помощью Рентгеноструктурного анализа получены фундаментальные данные о строении вирусов, различных белков, включая многие ферменты, о молекулярных основах заболеваний крови, в частности серповидно-клеточной анемии и т. д. Рентгеноструктурный анализ находит все большее применение в медико-биологических исследованиях.

Возможность получения информации о структуре и степень ее детальности (так наз. разрешение) определяется степенью структурной упорядоченности объекта и длиной волны используемого излучения (см. Излучение).

Если рассеивающие центры расположены в плоскостях, разделенных расстоянием d, а длина волны падающего рентгеновского излучения X, то направления преимущественного рассеяния зададутся углами v согласно условию Брэгга — Вульфа:

nX = 2d sin(v),

где n — целое число. Малая длина волны рентгеновских лучей (порядка 0,1 нм) соответствует масштабам периодичностей в кристаллах большинства молекул (единицы или десятки нанометров). Поэтому с помощью Р. а. определяются как характер периодичностей в кристаллах (см.) и волокнах, так и структура самих молекул (см.), расположенных друг относительно друга с этими периодичностями.

Первый этап Р. а. состоит в получении картины дифракции: распределения рассеянных лучей в пространстве и их интенсивности.

Рис. 1. Рентгенограммы фибриллярного белка коллагена: а — дифракционная картина нормального волокна; положение линий отражает геометрию трехспиральной молекулы коллагена; б — дифракционная картина волокна, выделенного из патологически измененной ткани; стрелками указаны дополнительные рефлексы, возникающие вследствие биохимических изменений ткани.

Картина дифракции регистрируется либо на фотопленку (рентгенограмма, рентгенография), либо счетчиком ионизирующего излучения (дифрактометрия). В случае волокнистых структур (коллаген, мышца, молекула ДНК) полезная информация заключена также в геометрии рентгенограммы, характеризующей периодичности внутри самой фибриллярной молекулы (рис. 1).

Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей на различных биомембранах позволили получить профили их электронной плотности и размеры отдельных элементов мембран (толщину, ширину гидрофобной зоны, асимметрию), в частности мембран миелина, фоторецепторных мембран. Ведутся рентгеноструктурные исследования молекулярных механизмов сокращения мышечного волокна, получены атомные структуры витаминов, многих лекарственных веществ.

Крупным успехом явилось установление с помощью Рентгеноструктурного анализа структуры молекул нуклеиновых кислот и многих белков. Основной метод расшифровки структуры макромолекул — метод изоморфного замещения (см. Изомерия), суть к-рого заключается в получении идентичных кристаллов одного и того же белка, различающихся введением в одно из положений тяжелой, т. е. сильно рассеивающей группы. По изменению интенсивностей рассеяния за счет тяжелой группы можно восстановить расположение атомов по отношению к этой группе и друг к другу. Для расчетов необходимо применение электронной вычислительной машины (см.).

Рис. 2. Рентгенограмма кристалла белка: расположение дифракционных пятен отражает геометрию расположения молекул белка в кристалле.

Установлена атомная структура более 100 белков. На рис. 2 показана рентгенограмма кристалла белка. Видны периодичности малого масштаба (в пределах 0,2 нм), отражающие упаковку молекул белка в надмолекулярные агрегаты. Имея модель атомной структуры белка, можно локализовать активный центр, понять работу фермента, найти пути химического воздействия с целью изменения его функциональной активности. Данные по структуре групп белков, близких по функциям, позволяют выявить разницу в строении и связать ее с функциональными отличиями. Так, исследование группы миоглобин-гемоглобиновых белков позволило понять на молекулярном уровне ряд заболеваний крови, в частности заболевание серповидно-клеточной анемией.

Проводятся исключительно сложные рентгеноструктурные исследования кристаллов вирусов, что позволило выявить закономерности укладки полипептидных цепей в субъединицах оболочки. Полученные результаты могут, по-видимому, помочь найти пути медикаментозного воздействия на сами вирусы, а значит, и способствовать излечиванию многих вирусных заболеваний.

Библиография: Бландел Т. и Джонсон Л. Кристаллография белка, пер. с англ., М., 1979; Вайнштейн Б. К. Дифракция рентгеновых лучей на цепных молекулах, М., 1963; Иост X. Физиология клетки, пер. с англ., с. 19 и др., М., 1975; Маршелл Э. Биофизическая химия, пер. с англ., т. 2, с. 749, М., 1981; Современная кристаллография, под ред. Б. К. Вайнштейна и др., т. 1—4, М., 1981.

Н. Г. Есипова.