Faz sorunu - Phase problem

Fizikte faz problemi , fiziksel bir ölçüm yapılırken faz ile ilgili oluşabilecek bilgi kaybı problemidir . Adı , kırınım verilerinden bir yapının belirlenmesi için faz probleminin çözülmesi gereken X-ışını kristalografisi alanından gelmektedir . Faz sorunu, görüntüleme ve sinyal işleme alanlarında da karşılanmaktadır . Yıllar içinde faz alımına ilişkin çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir.

genel bakış

Fotoğraf plakaları veya CCD'ler gibi ışık dedektörleri, yalnızca kendilerine çarpan ışığın yoğunluğunu ölçer. Bu ölçüm eksiktir ( polarizasyon ve geliş açısı gibi diğer serbestlik dereceleri ihmal edildiğinde bile ), çünkü bir ışık dalgasının sadece bir genliği (yoğunlukla ilgili) değil, aynı zamanda bir fazı (yönle ilgili) ve polarizasyonu vardır. sistematik olarak bir ölçümde kaybolur. Gelen kırınım veya mikroskopi deneyleri, dalganın faz kısmı sıklıkla çalışılan numune değerli bilgiler içermektedir. Faz sorunu, nihai olarak kuantum mekaniğindeki ölçümün doğasıyla ilgili temel bir sınırlama oluşturur .

Gelen X-ışını kristalografisi , uygun şekilde monte difraksiyon verileri 3D genliği verir Fourier dönüşümü molekülün bir elektron yoğunluğu olarak birim hücre . Fazlar biliniyorsa, elektron yoğunluğu Fourier sentezi ile basitçe elde edilebilir . Bu Fourier dönüşümü ilişkisi , benzer tipte bir faz problemine yol açan iki boyutlu uzak alan kırınım desenleri ( Fraunhofer kırınımı olarak da adlandırılır ) için de geçerlidir .

Faz alma

Ana madde: faz alımı

Kayıp fazları geri almanın birkaç yolu vardır . Faz problemi x-ışını kristalografisi , nötron kristalografisi ve elektron kristalografisinde çözülmelidir .

Faz alma yöntemlerinin tümü, kristalografide kullanılan her dalga boyunda (x-ışını, nötron ve elektron) çalışmaz .

Doğrudan ( ab initio) Yöntemler

Kristal yüksek çözünürlüğe (<1.2 Å) kırınım verirse, ilk fazlar doğrudan yöntemler kullanılarak tahmin edilebilir. Doğrudan yöntemler, x-ışını kristalografisi , nötron kristalografisi ve elektron kristalografisinde kullanılabilir .

Bu yöntemle bir dizi başlangıç ​​aşaması test edilir ve seçilir. Diğeri ise ağır atomların konumlarını doğrudan belirleyen Patterson yöntemidir. Patterson fonksiyonu atomlar vektörler tekabül eden bir pozisyonda geniş bir değer verir. Bu yöntem, yalnızca kristalin ağır atomlar içerdiği veya yapının önemli bir bölümünün zaten bilindiği durumlarda uygulanabilir.

Kristalleri alt-Angström aralığında yansımalar sağlayan moleküller için , elde edilen elektron yoğunluk haritasında küresel yapılar gözlenene kadar bir dizi faz değerini test ederek kaba kuvvet yöntemleriyle fazları belirlemek mümkündür . Bu işe yarar, çünkü atomlar alt Ångström aralığında bakıldığında karakteristik bir yapıya sahiptir. Teknik, işlem gücü ve veri kalitesi ile sınırlıdır. Pratik amaçlar için, "küçük moleküller" ve peptitler ile sınırlıdır, çünkü bunlar sürekli olarak çok az yansıma ile yüksek kaliteli kırınım sağlarlar.

Moleküler Yer Değiştirme (MR)

Fazlar, benzer bir molekülün zaten bilinen fazlarının, eldeki molekülün gözlemsel olarak belirlenen yoğunlukları üzerine aşılandığı, moleküler değiştirme adı verilen bir işlem kullanılarak da çıkarılabilir . Bu fazlar, homolog bir molekülden deneysel olarak veya fazlar aynı molekül için biliniyorsa, ancak farklı bir kristalde, molekülün kristaldeki paketlenmesini simüle ederek ve teorik fazlar elde ederek elde edilebilir. Genel olarak, bu teknikler, yapının çözümüne ciddi bir şekilde sapma gösterebildikleri için daha az arzu edilir. Bununla birlikte, ligand bağlama çalışmaları için veya küçük farklılıklara ve nispeten katı yapılara sahip moleküller arasında (örneğin küçük bir molekülün türetilmesi) faydalıdırlar.

İzomorf Yer Değiştirme

Çoklu İzomorf Değiştirme (MIR)

Ağır atomların yapıya yerleştirildiği Çoklu İzomorf Yer Değiştirme (MIR) (genellikle proteinleri analoglarla sentezleyerek veya ıslatarak)

Anormal Saçılma

Tek dalgaboylu Anormal Dağılım (SAD).

Çok Dalga Boylu Anormal Dağılım (MAD)

Güçlü bir çözüm, Çok Dalga Boylu Anormal Dağılım (MAD) yöntemidir. Bu teknikte, atomların iç elektronları belirli dalga boylarındaki X-ışınlarını emer ve bir gecikmeden sonra X-ışınlarını yeniden yayarak, anormal dağılım etkisi olarak bilinen tüm yansımalarda bir faz kaymasına neden olur . Bu faz kaymasının analizi (bireysel yansımalar için farklı olabilir), fazlar için bir çözümle sonuçlanır. X-ışını floresan teknikleri (bunun gibi) çok özel dalga boylarında uyarım gerektirdiğinden , MAD yöntemini kullanırken senkrotron radyasyonu kullanmak gerekir.

Faz iyileştirme

İlk aşamaların rafine edilmesi

Çoğu durumda, bir başlangıç ​​faz seti belirlenir ve kırınım modeli için elektron yoğunluk haritası hesaplanır. Daha sonra harita, yapının bölümlerini belirlemek için kullanılır, hangi bölümlerin yeni bir aşama kümesini simüle etmek için kullanılır. Bu yeni aşama dizisi, iyileştirme olarak bilinir . Bu fazlar, orijinal genliklere yeniden uygulanır ve yapının düzeltildiği gelişmiş bir elektron yoğunluk haritası türetilir. Bu işlem, bir hata terimi (genellikle Rfree) tatmin edici bir değere sabitlenene kadar tekrarlanır. Faz yanlılığı olgusu nedeniyle, hatalı bir başlangıç ​​atamasının ardışık iyileştirmeler yoluyla yayılması mümkündür, bu nedenle bir yapı ataması için tatmin edici koşullar hala tartışma konusudur. Gerçekten de, tüm dizinin geriye doğru işlendiği bir protein de dahil olmak üzere, bazı olağanüstü yanlış atamalar rapor edilmiştir.

Yoğunluk modifikasyonu (faz iyileştirme)

solvent düzleştirme

Histogram eşleştirme

Kristalografik olmayan simetri ortalaması

Kısmi yapı

Faz uzatma

Ayrıca bakınız

Dış bağlantılar

Referanslar

  1. ^ a b c d e Taylor, Garry (2003-11-01). "Faz sorunu" . Acta Crystallographica Bölüm D . 59 (11): 1881–1890. doi : 10.1107/S0907444903017815 . PMID  14573942 .
  2. ^ a b Shechtman, Yoav; Eldar, Yonina C.; Cohen, Ören; Chapman, Henry N.; Miao, Jianwei; Segev, Mordehay (2014-02-28). "Optik Görüntüleme Uygulaması ile Faz Alma". arXiv : 1402.7350 [ cs.IT ].
  3. ^ Hauptman, Herbert A.; Langs, David A. (2003-05-01). "Nötron kristalografisinde faz problemi". Acta Crystallographica Bölüm A . 59 (3): 250–254. doi : 10.1107/S010876730300521X . PMID  12714776 .
  4. ^ a b Dorset, DL (1997-03-04). "Protein elektron kristalografisinde doğrudan faz tayini: Sözde atom yaklaşımı" . Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri . 94 (5): 1791-1794. Bibcode : 1997PNAS...94.1791D . doi : 10.1073/pnas.94.5.1791 . PMC  19995 . PMID  9050857 .
  5. ^ a b Dorset, DL (1996-05-01). "Protein Elektron Kristallografisinde Doğrudan Fazlama - Faz Uzaması ve Ab Initio Tespitleri için Beklentiler" . Acta Crystallographica Bölüm A . 52 (3): 480–489. doi : 10.1107/S0108767396001420 . PMID  8694993 .
  6. ^ Henderson, R.; Baldwin, JM; Downing, KH; Lepault, J.; Zemlin, F. (1986-01-01). "Halobacterium halobium'dan mor membranın yapısı: 3.5 Å çözünürlükte elektron mikrograflarının kaydedilmesi, ölçülmesi ve değerlendirilmesi". Ultramikroskopi . 19 (2): 147–178. doi : 10.1016/0304-3991(86)90203-2 .
  7. ^ Hauptman, H. (1976-09-01). "Yapı değişmezlerinin olasılık teorisi: nötron kırınımına uygulama ile eşit olmayan atom durumuna uzatma" . Acta Crystallographica Bölüm A . 32 (5): 877-882. Bibcode : 1976AcCrA..32..877H . doi : 10.1107/S0567739476001757 .
  8. ^ Kleywegt, Gerard J. (2000). "Protein kristal yapılarının doğrulanması" . Acta Crystallographica Bölüm D . 56 (3): 249–265. doi : 10.1107/S0907444999016364 . PMID  10713511 .