Активная зона с

Подвижным отражателем

ИБР-2, Россия

2×10¹⁶ н/см²сек

Обогащенный уран u-235

HFR (60 MW)

Гренобль, Франция

2×10¹⁵ н/см²сек

Импульсные (с накачкой энергии)

Ускоритель протонов + мишень из тяжелого металла

ISIS, Англия

(1.3 ×10¹⁵ н/см²сек)

Ускоритель электронов +

мишень из тяжелого металла

Orela, Окридж, США

(1.3×10¹⁴ н/см²сек)

Из-за того, что лабораторные источники излучения обеспечивают только очень слабые потоки, опыты нейтронного рассеивания проводятся в крупномасштабных сооружениях. Несколько научно-исследовательских институтов с реакторами или источниками расщепления предназначены для обеспечения нейтронных лучей и контрольно-измерительных приборов для опытов по дифракции и спектрометрии в структурной биологии существуют в настоящее время в Европе, США и Японии, и открыты для использования учёными на основе системы предложений. С появлением излучения синхротронов опыты с рентгеновскими лучами в структурной биологии в настоящее время также проводятся в крупномасштабных сооружениях.

Дифрактомеры

Рентгеновские и нейтронные дифрактометры являются приборами, которые измеряют интенсивность рассеивания от образца как функцию начальной длины волны и угла рассеивания. Они отличаются по конструкции в зависимости от длины волны, типа образца и угловому разрешению, которые должны быть оптимизированы для каждого типа эксперимента. Также существуют спектроскопические экспериментальные установки, в которых измеряется передача энергии между образцом и источником излучения путём анализа длины волны (а, следовательно, энергии) рассеянного луча по отражению кристалла или времени полёта (только для нейтронов).

Импульсная природа нейтронного луча от источников расщепления позволяет использовать широкие полосы длин волн для опытов по дифракции и спектроскопии (тем самым значительно повышая эффективный поток); при этих условиях вектор рассеивания и передача энергии могут анализироваться методами времени полёта.

Рентгеновский и нейтронный дифрактометр состоит из трёх основных частей: монохроматора, зоны образца и детектора (Рис. Е1.15). Начальный луч обычно становится монохроматическим после отражения от кристалла. Только для нейтронов также может использоваться устройство выбора скорости, скорости нейтронов обратно пропорциональны длине волны и они достаточно медленные, чтобы монохроматический луч выбирался щелями во вращающемся барабане со скоростью порядка 103 мин^-1. В зоне образца может находиться гониометр (от греческого gonia, угол) для точного совмещения образца с лучом, а также средства контроля условий образца (температура, давление, влажность и т.д.).

Рис.Е1.15 Принципиальная схема дифрактометра. М обозначает зону монохроматора, где выбирается длина волны (красный цвет) из спектра лучей источник (синий). S – зона образца, в которой может находиться гониометр для совмещения образца, устройства контроля температуры или другие средства контроля окружающей среды образца. Детектор D преобразует интенсивность рассеянного излучения (прерывистые красные линии) как функцию угла рассеивания в сигнал, который может быть считан регистрирующим компьютером.

Рентгеновские и нейтронные детекторы преобразуют энергию рассеянного излучения в сигнал, который может обрабатываться компьютером. Они должны справляться с большой скоростью сбора данных и точно и быстро записывать интенсивность и угловое положение рассеивания. Самым старым детектором рентгеновских лучей является фотоплёнка. Этот процесс обнаружения является громоздким, тем не менее, плёнка может использоваться только один раз, в последствии подлежит проявке и сканированию в компьютер. Современные детекторы основаны на измерении электрических токов, непосредственно или косвенно генерируемых излучением в газе или твёрдой основе. Тяжёлые газы, такие как ксенон, непосредственно ионизируются электромагнитными свойствами фотона рентгеновского луча. Рентгеновские лучи могут также возбуждать ионы некоторых тяжёлых металлов, вызывая их свечение в видимом диапазоне. Рентгеновские детекторы на сигнальных пластинах построены на основе свойств ионов европия. Eu²⁺ возбуждается рентгеновскими лучами до Eu^3+, который испускает фиолетовый свет (λ = 390 нм) при подсветке красным He--Ne лазером (λ = 693 нм). Фотоумножитель используется для определения фиолетового света, а пластина после этого "стирается для повторного использования" белым светом.

Ядерная реакция для регистрации нейтронов

======================================================================

n(³He, p)³H 0.77 МэВ

n(⁶Li, α)³H 4.79 МэВ

n(¹⁰B, α)⁷Li +2.3 МэВ+γ (0.48 МэВ) 93%

n(¹⁰B, α)7Li +2.79 МэВ 7%

n(¹⁵⁷Gd, Gd)e− 0.182 МэВ

=====================================================================

В этом обозначении, которое используется в ядерной физике, первая строка, например, эквивалентна n + ³He → p +³H + 0.77МэВ

Так как нейтрон не несёт электрический заряд, его обнаружение основано на ядерных реакциях, которые испускают либо ионизирующую радиацию, либо заряженные частицы. Самым простым детектором нейтронов является ионизационная камера, в которой чувствительный газ, обычно ³He или ¹⁰BF₃, содержится между двумя заряженными пластинами. Позиционно-чувствительные многопроводные датчики основаны на том же принципе обнаружения. Сцинтилляционные детекторы основаны на испускании света ⁶Li при поглощении нейтрона. Детекторы на сигнальных пластинах также были разработаны для нейтронов. Матрица содержит Gd₂O₃, который испускает электрон с достаточной энергией для возбуждения ионов Eu (как и в случае рентгеновских лучей) при захвате нейтрона.

МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ кристаллография и нейтронография

КРИСТАЛ КАК ЭСТЕТИЧЕСКОЕ НАЧАЛО РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА

От кристалла − к модели

Молекулярная структура белка является основой его функционирования. Всестороннее понимание этой связи – одна из фундаментальных задач современной биологии. Благодаря рентгеновской кристаллографии, ежегодно происходит расшифровка 2000 – 3000 биологических структур. В настоящей главе рассказывается о возможности получения атомной структуры с помощью дифракции рентгеновских лучей в кристалле. Мы описываем: (1) каким образом можно заставить белки и другие биологические молекулы образовывать кристаллы; (2) стадии сбора данных дифракции по этим кристаллам; (3) анализ полученной информации с использованием симметрии кристаллов; (4) различные методы определения структурных фаз в целях нахождения распределения электронной плотности; (5) построение, уточнение и оценка надежности модели структуры макромолекулы, которая бы соответствовала экспериментальной карте электронной плотности.

Структура кристалла и разрешение.

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, но насколько надежна информация по структуре белка, полученная посредством кристаллографии? Ключевым показателем, позволяющим судить о такой надежности, является разрешение в ангстремах, с которым была определена структура. Как правило, оно указывается в заглавии работы или, по крайней мере, в теории отражает принцип – чем меньше число, тем "выше" разрешение. В структурах с низким разрешением, больше чем 3,5 Å, трудно различить отдельные боковые цепи аминокислот. С другой стороны, можно определить вторичные элементы структуры, в частности, альфа-спирали, а иногда даже бета-листы, а также их организацию в домены. При среднем разрешении (между 2 и 3 Å) видна бóльшая часть отдельных атомов и молекулы раствора (вода и ионы). По мере приближения разрешения к 2 Å становятся различимы альтернативные конформации, если одна и та же боковая цепь аминокислоты флуктуирует между различными положениями. При разрешении в 1,6 Å электронная плотность ароматического кольца определяется настолько хорошо, что мы можем видеть "отверстие" в его центре. При разрешении в 1,1 Å с помощью рентгеновской кристаллографии удается определить положение атомов водорода, несмотря на то, что рентгеновские лучи рассеиваются единственным электроном этих атомов. Однако при структурной нейтронографии рассеяние водородом такое же, как у других атомов, и их положение можно определить в структуре с гораздо более низким разрешением.