WikiDer > Фазовая проблема

Phase problem

В физике фазовая проблема проблема потери информации о фаза это может произойти при выполнении физических измерений. Название происходит от поля Рентгеновская кристаллография, где необходимо решить фазовую задачу для определения структуры из дифракция данные.[1] Фазовая проблема встречается и в областях визуализация и обработка сигналов.[2] Различные подходы восстановление фазы разрабатывались годами.

Обзор

Детекторы света, такие как фотопластинки или же ПЗС-матрицы, измерьте только интенсивность падающего на них света. Это измерение неполное (даже если пренебречь другими степени свободы Такие как поляризация и угол падения), потому что световая волна имеет не только амплитуду (связанную с интенсивностью), но и фазу, которая систематически теряется при измерении.[2] В дифракция или же микроскопия В экспериментах фазовая часть волны часто содержит ценную информацию об исследуемом образце. Фазовая проблема представляет собой фундаментальное ограничение, в конечном счете связанное с природой измерение в квантовой механике.

В Рентгеновская кристаллография, дифракционные данные при правильной сборке дают амплитуду трехмерного преобразование Фурье молекулы электронная плотность в ячейка.[1] Если фазы известны, электронная плотность может быть просто получена следующим образом: Синтез Фурье. Это соотношение преобразования Фурье также выполняется для двумерного дальнего поля дифракция шаблоны (также называемые Фраунгофера дифракция), порождая подобную фазовую задачу.

Восстановление фазы

Есть несколько способов забрать потерянные фазы. Фазовая задача должна быть решена в рентгеновская кристаллография,[1] нейтронная кристаллография,[3] и электронная кристаллография.[4][5][6]

Не все методы восстановление фазы работать с каждым длина волны (рентгеновские, нейтронные и электронные), используемые в кристаллографии.

Прямой (ab initio) Методы

Если кристалл дифрагирует до высокого разрешения (<1,2 Å), начальные фазы можно оценить прямыми методами.[1] Прямые методы могут использоваться в рентгеновская кристаллография,[1] нейтронная кристаллография,[7] и электронная кристаллография.[4][5]

С помощью этого метода тестируется и выбирается ряд начальных фаз. Другой - метод Паттерсона, который напрямую определяет положение тяжелых атомов. В Функция Паттерсона дает большое значение в позиции, которая соответствует межатомным векторам. Этот метод может применяться только тогда, когда кристалл содержит тяжелые атомы или когда значительная часть структуры уже известна.

Для молекул, кристаллы которых обеспечивают отражение в диапазоне суб-Ангстрема, можно определить фазы с помощью грубая сила методы, проверяя серию значений фазы до тех пор, пока на полученной карте электронной плотности не будут наблюдаться сферические структуры. Это работает, потому что атомы имеют характерную структуру, если смотреть в диапазоне суб-Ангстрема. Методика ограничена вычислительной мощностью и качеством данных. Для практических целей он ограничивается «небольшими молекулами» и пептидами, поскольку они постоянно обеспечивают высококачественную дифракцию с очень небольшим количеством отражений.

Молекулярное замещение (MR)

Фазы также могут быть выведены с помощью процесса, называемого молекулярная замена, где уже известные фазы подобной молекулы привиты к интенсивности рассматриваемой молекулы, которая определяется наблюдательным путем. Эти фазы могут быть получены экспериментально из гомологичной молекулы или, если фазы известны для той же молекулы, но в другом кристалле, путем моделирования упаковки молекулы в кристалле и получения теоретических фаз. Как правило, эти методы менее желательны, так как они могут сильно исказить решение конструкции. Однако они полезны для исследований связывания лигандов или между молекулами с небольшими различиями и относительно жесткими структурами (например, дериватизация небольшой молекулы).

Изоморфное замещение

Множественное изоморфное замещение (MIR)

Множественное изоморфное замещение (MIR), где тяжелые атомы встраиваются в структуру (обычно путем синтеза белков с аналогами или путем вымачивания)

Аномальное рассеяние

Одноволновая аномальная дисперсия (ГРУСТНЫЙ).

Многоволновая аномальная дисперсия (MAD)

Мощное решение - это Многоволновая аномальная дисперсия (MAD) метод. В этом методе внутренние электроны атомов[требуется разъяснение] поглощают рентгеновские лучи определенных длин волн и повторно излучают рентгеновские лучи после задержки, вызывая фазовый сдвиг во всех отражениях, известный как аномальная дисперсия эффект. Анализ этого фазового сдвига (который может быть разным для отдельных отражений) приводит к решению для фаз. Поскольку методы рентгеновской флуоресценции (подобные этому) требуют возбуждения на очень определенных длинах волн, необходимо использовать синхротронное излучение при использовании метода MAD.

Фаза улучшения

Доработка начальных фаз

Во многих случаях определяется исходный набор фаз и рассчитывается карта электронной плотности для дифракционной картины. Затем карта используется для определения частей структуры, которые используются для моделирования нового набора фаз. Этот новый набор фаз известен как уточнение. Эти фазы повторно применяются к исходным амплитудам, и получается улучшенная карта электронной плотности, на основании которой корректируется структура. Этот процесс повторяется до тех пор, пока член ошибки (обычно Rfree) не стабилизируется до удовлетворительного значения. Из-за явления фазовый сдвиг, возможно, что неправильное начальное присвоение будет распространяться через последовательные уточнения, поэтому удовлетворительные условия для назначения структуры все еще остаются предметом споров. Действительно, сообщалось о некоторых впечатляющих неправильных назначениях, включая белок, в котором вся последовательность была направлена ​​в обратном направлении.[8]

Модификация плотности (улучшение фазы)

Разглаживание растворителем

Соответствие гистограммы

Усреднение некристаллографической симметрии

Частичная структура

Продление фазы

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Тейлор, Гарри (2003-11-01). «Фазовая проблема». Acta Crystallographica Раздел D. 59 (11): 1881–1890. Дои:10.1107 / S0907444903017815. PMID 14573942.
  2. ^ а б Шехтман, Йоав; Эльдар, Йонина Ц .; Коэн, Орен; Чепмен, Генри Н .; Мяо, Цзяньвэй; Сегев, Мордехай (28.02.2014). «Восстановление фазы с применением к оптическим изображениям». arXiv:1402.7350 [cs.IT].
  3. ^ Hauptman, Herbert A .; Лэнгс, Дэвид А. (2003-05-01). «Фазовая проблема в нейтронной кристаллографии». Acta Crystallographica Раздел A. 59 (3): 250–254. Дои:10.1107 / S010876730300521X. PMID 12714776.
  4. ^ а б Дорсет, Д. Л. (1997-03-04). «Прямое определение фазы в электронной кристаллографии белков: приближение псевдоатома». Труды Национальной академии наук. 94 (5): 1791–1794. Bibcode:1997PNAS ... 94.1791D. Дои:10.1073 / пнас.94.5.1791. ЧВК 19995. PMID 9050857.
  5. ^ а б Дорсет, Д. Л. (1996-05-01). "Прямое фазирование в электронной кристаллографии белков - расширение фазы и перспективы определения Ab Initio". Acta Crystallographica Раздел A. 52 (3): 480–489. Дои:10.1107 / S0108767396001420. PMID 8694993.
  6. ^ Хендерсон, Р .; Болдуин, Дж. М .; Даунинг, К. Х .; Lepault, J .; Землин, Ф. (1986-01-01). «Структура фиолетовой мембраны из halobacterium halobium: запись, измерение и оценка электронных микрофотографий с разрешением 3,5 Å». Ультрамикроскопия. 19 (2): 147–178. Дои:10.1016/0304-3991(86)90203-2.
  7. ^ Хауптман, Х. (1 сентября 1976 г.). «Вероятностная теория структурных инвариантов: распространение на случай неравного атома с применением к дифракции нейтронов». Acta Crystallographica Раздел A. 32 (5): 877–882. Bibcode:1976AcCrA..32..877H. Дои:10.1107 / S0567739476001757.
  8. ^ Клейвегт, Джерард Дж. (2000). «Валидация кристаллических структур белка». Acta Crystallographica Раздел D. 56 (3): 249–265. Дои:10.1107 / S0907444999016364. PMID 10713511.