大分子

從衍射花樣（衍射線的方向和強度）推算生物大分子的三維結構（也常稱空間結構、立體結構或構象）的技術。其主要原理是：X射線、中子束或電子束通過生物大分子有序排列的晶體或纖維所產生的衍射花樣與樣品中原子的排布規律有可相互轉換的關係（互為傅立葉變換）。

X射線衍射技術能夠精確測定原子在晶體中的空間位置，是迄今研究生物大分子結構的主要技術。中子衍射和電子衍射技術則用來彌補X射線衍射技術之不足生物大分子單晶體的X射線衍射技術是50年代以後，首先從蛋白質的晶體結構研究中發展起來的，並於70年代形成一門晶體學 的分支學科──蛋白質晶體學。

生物大分子單晶體的中子衍射技術用於測定生物大分子中氫原子的位置，也屬蛋白質晶體學。纖維狀生物大分子的X射線衍射技術用來測定這類大分子的一些周期性結構，如螺旋結構等。以電子衍射為原理的電子顯微鏡技術能夠測定生物大分子的大小、形狀及亞基排列的二維圖象。它與光學衍射和濾波技術結合而成的三維重構技術能夠直接顯示生物大分子低解析度的三維結構。

發現大分子的背景

1912年德國物理學家 M.von勞厄預言晶體是 X射線的天然衍射光柵。此後英國物理學家W.H.布格和W.L.布格開創了X射線晶體學。幾十年來，這門學科不斷發展和完善，測定了成千上萬個無機和有機化合物的晶體和分子結構。由它提供的結構資料已經成為近代結構化學的基礎。但是傳統的小分子晶體結構的分析方法不適用於原子數目多，結構複雜的生物大分子。直到1954年英國晶體學家等人提出在蛋白質晶體中引入重原子的同晶置換法之後，才有可能測定生物大分子的晶體結構。1960年英國晶體學家J.C.肯德魯等人首次解出一個由153個氨基酸組成、分子量為17500的蛋白質分子──肌紅蛋白的三維結構。圖1 [巨頭鯨肌紅蛋白分子的結構模型]表示它的 2埃解析度的結構模型。此後生物大分子晶體結構的研究工作迅速發展。至80年代初，已有近 200個、等生物大分子的三維結構被測定，從而有力地推動了分子生物學的發展。中國繼60年代首次人工合成牛胰島素之後，於70年代初測定了三方二鋅豬胰島素的三維結構。1986年中國已經完成這個結構1.2埃高解析度的修正工作。

晶體和X射線衍射

電磁波是直線傳播的，但在某些情況下也會拐彎，這就是衍射現象。當可見光通過針孔或狹縫時，就會出現這種現象。由於針孔或狹縫的大小和可見光的波長量級相同，可以把針孔或狹縫看做是一個點光源，它向四面八方輻射出二次電磁波，或稱散射波。如果有多個有序排列的針孔或狹縫，由於這些散射波的干涉，就會形成規則的明暗相間的衍射花樣。這是因為來自不同部位的散射波的相位及振幅不同，它們相加的結果在有些地方加強，而在另一些地方減弱。這些花樣隨波長或針孔的大小及其排布方式不同而變化(圖2[三種針孔的排列方式及其對應的衍射花樣])。當X射線通過晶體時，晶體內原子的核外電子能夠散射X射線。如果把每個原子看成是個散射源，由於X射線的波長同原子間的距離量級相同，因此也會發生衍射現象。晶體結構的特徵是晶體內的原子或分子周期重複地排列。如果採用一組抽象的幾何點來表示這種周期重複的規律，那麼這種排列可以表示為點陣。晶體的三維點陣結構使得晶體可被劃分成為無數個大小和形狀完全相同的平行六面體，即被稱為晶胞。它是晶體結構的基本重複單位。每個晶胞內包含種類、數目和排列完全相同的原子。可以推得，衍射線（也稱反射線）的強度取決於晶胞的內容，它的方向取決于波長和晶胞的大小和形狀。

晶體結構測定

晶體對X射線、中子束及電子束的衍射，與規則排列的針孔對可見光的衍射遵循相同的光學變換原理，即針孔或晶體的結構(針孔或晶體中原子的排列)經傅里葉變換，可以得到它們的倒易圖像──衍射波譜。反之，衍射波譜的反變換，即為正空間的圖像──針孔的排列或晶體的結構。在可見光的衍射中，這種反變換可由透鏡的聚焦過程實現。但是迄今為止，人們還未找到能使 X射線（或中子）散射線聚焦的辦法。因此也就無法直接觀察生物大分子的像。這隻能藉助電子計算機從數學上完成這種反變換的計算。