Řešení
fázového problému metodou molekulového nahrazení.
e-mail: obsil@natur.cuni.cz
Počet proteinových struktur vyřešených pomocí rentgenové difrakce nebo NMR se exponenciálně zvyšuje každým rokem. S narůstajícím počtem struktur se zvyšuje pravděpodobnost, že zatím neznámý protein bude podobný některé již vyřešené struktuře. Jestliže budeme mít dvě podobné nebo identické struktury v různých krystalografických prostředích (např. s jinou prostorovou grupou symetrie, parametry základní buňky atd.), pak můžeme očekávat podobnost i mezi jejich difrakčními obrazy (které jsou Fourierovými transformacemi těchto struktur). Metoda molekulového nahrazení v proteinové rentgenové krystalografii využívá této podobnosti pro odvození počáteční fázové informace.
Abychom mohli použít molekulové nahrazení, potřebujeme difrakční data neznámé struktury a atomové souřadnice analogické struktury – počátečního modelu. Problém molekulového nahrazení je potom v umístění počátečního modelu v základní buňce krystalu neznámé struktury takovým způsobem, že teoretický difrakční obrazec takto orientovaného modelu se bude co nejvíce shodovat s experimentálním obrazcem.
Jestliže budeme mít pouze jednu molekulu v asymetrické buňce, potom bychom měli získat 6 parametrů (tři rotační a tři translační) pro umístění modelu v základní jednotce neznámé struktury. Teoreticky by tedy stačilo provést vyhledání těchto šesti parametrů, které nám poskytnou nejlepší shodu mezi experimentálním a vypočítaným strukturním faktorem. Tento postup by však byl velmi výpočetně náročný (i když v některých případech, kdy symetrie zredukovala počet parametrů byla taková vyhledávání úspěšná). Nicméně teoretická analýza vlastností Pattersonovy funkce ukázala, že hledání 6 parametrů může být zredukováno na dvě vyhledávání 3 parametrů. Prvním krokem je určení správné orientace modelu a druhým je určení polohy takto už „dobře“ orientované molekuly v základné buňce. Jakmile je počáteční model správně umístěn, můžeme vypočítat fáze a skombinovat je s experimentálními amplitudami a tím získat přibližnou Fourierovu transformaci neznámé struktury. Tento nový model musí být velmi kriticky analyzován a prostřednictvím několika cyklů upřesňování a přestavování musí být upraven vzhledem k existujícím rozdílům mezi původním modelem a řešenou strukturou. Tím získáme model řešené struktury, který bude maximálně odpovídat experimentálním datům.