Изоморфное замещение (IR) исторически является наиболее распространенным подходом к решению фазовой проблемы в рентгеновских кристаллографических исследованиях белков . Для кристаллов белков этот метод осуществляется путем замачивания кристалла анализируемого образца в растворе тяжелого атома или совместной кристаллизации с тяжелым атомом. Добавление тяжелого атома (или иона) к структуре не должно влиять на формирование кристалла или размеры элементарной ячейки по сравнению с его нативной формой, следовательно, они должны быть изоморфными .
Сначала собираются наборы данных из собственного и тяжелоатомного производного образца. Затем интерпретация карты разностей Паттерсона выявляет местоположение тяжелого атома в элементарной ячейке. Это позволяет определить как амплитуду , так и фазу вклада тяжелого атома. Поскольку структурный фактор тяжелоатомного производного ( F ph ) кристалла является векторной суммой одиночного тяжелого атома ( F h ) и собственного кристалла ( F p ), то фаза собственных векторов F p и F ph может быть решена геометрически.
Наиболее распространенной формой является множественная изоморфная замена (MIR), которая использует по крайней мере два изоморфных производных. Единичная изоморфная замена возможна, но дает неоднозначный результат с двумя возможными фазами; для разрешения неоднозначности требуется модификация плотности. Существуют также формы, которые также учитывают аномальное рассеяние рентгеновских лучей пропитанных тяжелых атомов, называемые MIRAS и SIRAS соответственно. [1] [2]
Ранние демонстрации изоморфного замещения в кристаллографии были сделаны Джеймсом М. Корком [3], Джоном Монтеатом Робертсоном [ 4] и другими. Ранняя демонстрация изоморфного замещения в кристаллографии была представлена в 1927 году в статье, в которой сообщалось о рентгеновских кристаллических структурах ряда соединений алюминия из Корка. [3] Изученные соединения алюминия имели общую формулу A . B . (SO 4 ) 2 . 12H 2 O, где A был одновалентным металлическим ионом ( NH4 + , K + , Rb + , Cs + или Tl + ), B был трехвалентным металлическим ионом ( Al 3+ , Cr 3+ или Fe 3+ ), а S обычно был серой, но также мог быть селеном или теллуром . Поскольку кристаллы алюминия были в значительной степени изоморфными, когда тяжелые атомы были заменены, они могли быть фазированы путем изоморфного замещения. Для определения положений тяжелых атомов использовался анализ Фурье.
Первая демонстрация изоморфного замещения в кристаллографии белков была в 1954 году в статье Дэвида В. Грина , Вернона Ингрэма и Макса Перуца . [5]
Некоторые примеры тяжелых атомов, используемых в белковом MIR:
