Диффузное рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами макромолекулами в растворе. Аппаратура для рентгендифракционных исследований. Использование синхротронного излучения (Разделы 5-6 учебного пособия "Рентгенография биологических объектов"), страница 2

Как было отмечено выше, радиус инерции не определяет форму частицы. Следовательно, имеется множество частиц различной формы с одинаковым радиусом инерции. Поэтому кривые или индикатрисы рассеяния от частиц с одинаковым радиусом инерции, но имеющих различную форму, совпадают вблизи от центра рентгенограммы и различаются в области больших углов (рис. 5.4, а). Другой случай представляют частицы одинакового объема, но различной формы. Так как радиусы инерции зависят от формы, то кривые центрального рассеяния будут в этом случае различными (рис. 5.4, б).

Рис. 5.4. Сравнение интенсивностей диффузного рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами от сферы (радиус R) и эллипсоида вращения (оси а, а, Vа): а – частицы имеют одинаковые радиусы инерции (для сферы R=1; для эллипсоида а=0,41; V=4); б – частицы одинаковых объемов (для сферы R=1, для эллипсоида а=0,63; V=4)

Рассматриваемый метод наиболее подходит для белков, имеющих не очень большую молекулярную массу, и этим методом проведено изучение многих белков. Пример такого исследования представлен на рис. 5.5, на котором показаны индикатриса рассеяния для раствора гемоглобина, соответствующая центру рентгенограммы, и построенная на ее основе зависимость логарифма интенсивности от . Эта зависимость линейная и позволяет найти радиус инерции молекулы гемоглобина по формуле (5.13).

Рис. 5.5. График интенсивности центрального малоуглового, диффузного рассеяния для 10%-го раствора гемоглобина (а)

и зависимость логарифма интенсивности от параметра ε²

(см. текст), (б), построенная на основе зависимости (а)

Последний пример относится к случаю раствора с низкой концентрацией макромолекул. Если же раствор будет иметь большую концентрацию, то регистрируемая интенсивность не будет просто суммой интенсивностей рассеяния отдельными частицами, а изменится за счет интерференции рассеянных частицами волн. Можно показать, что при увеличении концентрации раствора при малых  уменьшается интенсивность центрального рассеяния. На кривой в этом случае появляется «горб», становящийся все более заметным и постепенно превращающийся в максимум при больших концентрациях макромолекул. На рентгенограмме этот максимум регистрируется в виде кольца.

Отсюда на качественном уровне следует вывод, что немонотонный спад индикатрис рассеяния свидетельствует о наличии некоторого упорядочения в расположении молекул образца, причем такое упорядочение тем больше, чем сильнее обнаруживается максимум на кривой. Так, например, эритроциты крови, в состав которых входит белок гемоглобин, имеют кривую рассеяния, на которой виден максимум (рис. 5.6, б), в то время как от разбавленного раствора гемоглобина регистрируется монотонная кривая рассеяния (рис. 5.5, 5.6, а). Это позволяет предположить наличие упорядоченности в расположении молекул гемоглобина в эритроците. Еще большая упорядоченность молекул гемоглобина отмечается в аномальных (серповидных) эритроцитах (рис. 5.6, в). Эритроциты в этом случае принимают серповидную форму (нормальный эритроцит имеет форму двояковогнутого диска). Такой гемоглобин имеет меньшую растворимость, так что он может легко образовывать кристаллы, вызывающие разрушение эритроцита.

Рис. 5.6. Кривые интенсивности центрального малоуглового

диффузного рассеяния: а - от раствора гемоглобина, приготовленного искусственным путем; б - от нормальных эритроцитов, обработанных гепарином; в - от аномальных (серповидных) эритроцитов

6. Аппаратура для рентгендифракционных исследований.

Использование синхротронного излучения

Все камеры, применяемые в рентгенографических исследованиях, имеют коллимационную систему, с помощью которой формируется первичный рентгеновский пучок, устройство для размещения и контроля за состоянием образца и регистрирующую систему.

Простейшие камеры имеют коллимационную систему в виде отверстий или щелей и применяются для большеугловой дифракции (периоды <5 Å). Такие камеры практически непригодны для регистрации отражений от больших периодов, так как в этом случае приходится сильно уменьшать размер отверстия, что приводит к существенному увеличению экспозиций. В данном разделе мы рассмотрим камеры, используемые для малоугловых исследований, например мышц, которые позволяют получать тонкие пучки на детекторе с сохранением в них высокой интенсивности.

Это достигается за счет фокусировки рентгеновских лучей, осуществляемой с помощью изогнутых зеркал или кристаллов-монохроматоров. Камеры могут содержать либо только зеркала, либо одновременно зеркало и монохроматор. В первом случае в камере имеются два зеркала (обычно стеклянные либо стекло, напыленное каким-либо металлом), изгибаемые по круговому цилиндру и расположенные под прямым углом друг к другу. Такая камера дает так называемый точечный фокус и особенно полезна, когда исследуются образцы небольшого размера (например, одиночные мышечные волокна или пучки волокон), однако если зеркала имеют небольшую длину, то интенсивность первичного пучка, хотя и существенно выше, чем в случае точечной коллимации, все же часто бывает недостаточной. [Отметим, что первичный пучок большой интенсивности можно получить, используя фокусирующий элемент в виде зеркала с тороидальной поверхностью. Такие камеры также используются в рентгенографии, но применяются главным образом только для получения рентгенограмм под большими и средними углами (d<50 Å), где  – межплоскостное расстояние.]

Наиболее качественная фокусировка зеркалом достигается, если оно изогнуто по эллипсу, а источник рентгеновского излучения и фокус камеры находятся в фокусах эллипса.