Методы исследования: Часть 1

Видео

Конспект

Рентгеноструктурный анализ

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе открытого правила Чаргаффа и анализа рентгенограммы ДНК сделали вывод, что ДНК в клетке хранит информацию в виде комплементарной двойной спирали, за что были удостоены Нобелевской премии. Саму же рентгенограмму ДНК впервые получила Розалинда Франклин с помощью метода, называемого рентгенография или рентгеноструктурный анализ. Для проведения рентгеноструктурного анализа вещества сначала нужно получить кристалл этого вещества.

На первом этапе попытаемся понять, как провести рентгеноструктурный анализ кристалла какой-либо соли. Представим, что мы получили некоторый кристалл соли. Так как кристаллическая решетка соли повторяется на всем протяжении кристалла, кристалл состоит из более мелких элементов, а эти элементы из еще более мелких элементов. Если мы возьмем большой кристалл соли и посветим на него видимым светом с определенной длинной волны, мы можем изучать различные оптические явления, например, свет может преломляться и отражаться. Если в кристалле есть повторяющиеся элементы, можно предположить, что свет, преломляясь и отражаясь от одинаковых структур, будет иметь схожие свойства.

Представим, что у нас есть очень маленький кристалл, на который мы посветим рентгеновским излучением. Рентгеновское излучение более коротковолновое, чем видимый свет, то есть оно более высокоэнергетическое (чем меньше длина волны излучения, тем оно более энергетично). При этом длина волны будет сопоставима с межатомными расстояниями в этом маленьком кристалле. Дальнейшая логика похожа на логику предыдущего эксперимента с большим кристаллом соли и видимым светом. Рентгеновские лучи падают на кристалл, и, взаимодействуя со структурой кристалла, волны света преобразуются - это явление дифракции рентгеновского излучения. Волны попали в кристалл и вышли из кристалла в преобразованном состоянии. Мы можем зафиксировать прибором, какие рентгеновские лучи вошли в кристалл под каким углом падения и какие волны вышли из кристалла. Можно рассчитать, что произошло с лучами, пока они проходили через кристалл. Эта информация может нам дать прямую информацию о том, как устроен кристалл (о расстоянии между атомами, расположении атомов друг относительно друга и так далее). Эта информация обрабатывается специальной компьютерной программой, которая выдает нам информацию о самом кристалле.

ДНК более сложная молекула, чем соль, из-за своего большого размера. К ДНК нельзя применять термин кристаллическая решетка, так как это всё одна молекула, где нет идеально повторяющих друг друга элементов. Однако в ДНК есть частично повторяющиеся участки, что и позволило проанализировать её структуру методом рентгенографии.

В современной молекулярной биологии и биохимии ренгеноструктурный анализ используется в основном для анализа структур белков и более крупных молекулярных комплексов, например, рибосом. Это очень актуальная область исследований, так как структура белка определяет его функцию, а получив просто аминокислотную последовательность белка нельзя предсказать структуру.