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1、结构生物学,董宇辉BSRF，IHEP，CAS,结构生物学的定义,顾名思义，结构生物学就是研究各种生物大分子（蛋白质、核酸、糖类等）的结构，结构与功能的关系，以及如何在生物体内发挥作用的学科。,结构的重要性,生物大分子的功能主要取决于其结构。结构的异常会引起功能的改变，也是所谓“构像病”的原因。,疯牛病等构像病的罪魁祸首Prion,正常的Prion,致病的Prion,由于结构的变化，导致了疯牛病、克雅氏病（Creutzfeldt-Jacob Disease；CJD）等传染性脑海绵状病变（TSE）。,分子生物学：现代生物学的主流方向,分子生物学是现代生物学中最重要的学科，几乎每年的诺贝尔化学奖，生
2、理学或医学奖都授予这方面的研究。研究各种生物大分子的功能以及在生物体中的生物化学过程，是分子生物学最重要的任务。,结构在现代生物学里的中心地位,在分子生物学中，结构是非常重要的内容。只有在获得相应分子的结构后才能深入地研究其功能和生化过程。,举例,酶蛋白：只有在了解了酶的活性中心的结构以及如何与底物的结合后，才能真正了解这种酶的作用机理；对肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白的结构有了详细的了解，才能说明肌肉收缩和非肌肉细胞运动的机理。,Nobel in Structure,一共有11项诺贝尔奖授予生物分子结构方面的研究。有结构解析方法研究，也有重要的生物分子结构和功能研究的工作。,The Nobel
3、Prize in Physiology or Medicine 1962,Francis HarryCompton Crick,James DeweyWatson,Maurice Hugh Frederick Wilkins,for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobe
4、l Prize in Chemistry 1962,Max Ferdinand Perutz,John Cowdery Kendrew,for their studies of the structures of globular proteins,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 1964,Dorothy Crowfoot Hodgkin,for her determinations by X-ray techniques of the structures of important bi
5、ochemical substances,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 1982,Aaron Klug,for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The No
6、bel Prize in Chemistry 1985,Herbert A.Hauptman,Jerome Karle,for their outstanding achievements in the development of direct methods for the determination of crystal structures,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 1988,for the determination of the three-dimensionalstru
7、cture of a photosynthetic reaction centre,JohannDeisenhofer,RobertHuber,HartmutMichel,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 1997,Paul D.Boyer,John E.Walker,Jens C.Skou,for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying thesynthesis of adenosine triphosphate(AT
8、P),for the first discovery of an ion-transporting enzyme,Na+,K+-ATPase,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 2002,John B.Fenn,Koichi Tanaka,Kurt Wthrich,for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules,for their deve
9、lopment of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules,for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,T
10、he Nobel Prize in Chemistry 2003,Peter Agre,Roderick MacKinnon,for discoveries concerning channels in cell membranes,for the discovery of water channels,for structural and mechanistic studies of ion channels,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 2006,for his studies of
11、 the molecular basis of eukaryotic transcription,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,The Nobel Prize in Chemistry 2009,for studies of the structure and function of the ribosome,Venkatraman Ramakrishnan,Thomas A.Steitz,Ada E.Yonath,From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/,内螺旋,外螺旋,选择筛,钾离子通道的三维结构图,2
12、003年诺贝尔化学奖,钾离子透过细胞膜的输运行为，对体内或是大脑中神经信号的传导至关重要。然而离子通道的选择性透过行为却困扰了生物学家许多年。,钾离子通道的离子导通机理,通过钾离子通道的三维结构，解释了它对离子的选择性透过机理。（1）“多离子透过”的过程：原先通道里有三个钾离子被束缚在里面，只有体积合适的钾离子才能通过撞击，将另一个钾离子从相反方向弹出，而体积较小的纳离子不行。,（2）通道内氨基酸残基的结构，模拟了钾离子在溶液中的水合状态。只有水合的钾离子能够在通道内犹如在水溶液内一样自由地运动。,钾离子通道,Rod MacKinnon,Rockefeller University,Potas
13、sium ion(center red ball)in the K+Channel at 3.2 resolution.Preferential flow of K+ions constitutes the electrical current in nerve cells.,Science280,69-77(1998)Cell95,649-655(1998)Science289,123-127(2000)Nature414,37-42(2001)Nature414,43-48(2001)Nature415,287-294(2002)Cell 111,967-965(2002)Nature 4
14、23,3341(2003),结构生物学进展：Road to structures without crystals,董宇辉BSRF，IHEP，CAS,Outline,同步辐射（Synchrotron Radiation）小角散射（Small Angle X-ray Scattering）自由电子激光（Free Electron Laser）,同步辐射Synchrotron Radiation,Let there be light:and there was light.-Genesis,http:/www.pdb.org/pdb/statistics/holdings.do，2012年10月2
15、日,99.2%,各种生物基因组和功能基因组数据,基因克隆,蛋白制备,结构测定,结构测定,样品制备,蛋白结构,蛋白质结构测定的流程,获得生物大分子结构的主要技术,核磁共振方法：分辨率与灵敏度不够，不能确定分子量很大的结构，要求样品浓度极高，测定效率低下（几个星期甚至几个月的数据收集时间）。晶体学方法：对样品要求过高，高质量晶体的获得困难。,How to obtain structures by protein crystallography?,Expression/purification,crystallization,X-ray diffraction,phasing,Model build
16、ing,Refined structure,蛋白质晶体,衍射能力很弱：大部分原子为C、N、O、S；晶体质量差，晶胞大；相位问题解决困难。,理想的光源必须具有以下特点：高亮度：衍射能力很弱也可以得到好的数据；准直性好：质量差、晶胞大的晶体也可以进 行实验；能量可调：多波长反常散射解决相位问题。同步辐射正好提供了适合的光源。,什么是同步辐射？,接近光速运动的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁辐射，因为是在同步加速器上发现的，所以称为同步辐射。这种辐射强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。,同步辐射装置示意图,Booster,储存环,部分图片
17、来自SSRL,三种发光元件,弯转磁铁,扭摆器(Wiggler),波荡器(undulator),图片来自SSRL,发光元件,光束线,实验站,同步辐射的亮度（单位时间，单位面积，单位立体角，一定光子能量范围内的光子数）和转靶X光机的比较。,图片来自MAX IV设计报告,Divergence,2p立体角：180,1毫弧度：0.06 三代光源甚至达到10微弧度,实际的蛋白质单晶,真实单晶体内部不是完美的，可以看成有一系列的小晶体镶嵌而成，每个小晶体可以认为是完美的晶体。这些小晶体取向无序的程度以“镶嵌度”表征。,分子置换法（Molecular Replacement，MR）同晶置换法（Isomorph
18、ous Replacement，IR，SIR/MIR）反常散射法（Anomalous Dispersion，AD，SAD/MAD）直接法（Direct method）,Phasing methods,Energy range,同步辐射覆盖了一个很宽的频谱范围，从远红外到硬X光。而X光机只能提供几个分立的光子能量。,MIR（多对同晶置换）,设法在蛋白质晶体中加入一些重金属离子，同时晶体结构不发生大的变化（同晶置换），置换前后结构因子的关系。,一个同晶置换可以得到两个可能的解。,两个同晶置换就可以得到唯一的解。,“同步辐射+硒代+样品冷冻”已经成为解析全新结构的标准方法。,多波长反常衍射（MAD）
19、,MIR可以解析全新结构，如果能够得到足够的同晶置换晶体的话。如果蛋白质里有金属离子存在，就可以使用MAD方法。硒代。,原子散射因子,MAD,选择吸收边附近的几个波长，相当于几个不同的完全同晶的置换。分子生物学提供了硒代的手段，对于解析全新结构非常有利。关键是衍射实验使用的X射线（能量）波长必须可变！,同步辐射的作用,同步辐射的加入，大大提高了结构测定的速度。,PDB(Protein Data Bank),图片来自http:/www.pdb.org/,蛋白质结构的增加,同步辐射促进了蛋白质结构的解析,1980-1990年，获得解析的蛋白质数量大幅度增加；1980左右，同步辐射开始应用到蛋白质结
20、构解析中，1990年各种技术趋于成熟，同步辐射大规模应用于生物大分子结构解析。,生物学家的评论,生物大分子结构测定影响了生物学几乎所有的领域。几乎每个星期都有激动人心的结构发表在如Science和Nature这样的杂志上。生物大分子晶体学已经比其他任何学科更多地得益于同步辐射的应用。-Steven E.Ealick，Cornell Univ.,MAD实验的波长选择,f1,f2,f3,f4,四个可选择的波长,f1：peak，f最大；f2：inflection，f最大；f3：high energy remote；f4：low energy remote。流行做法：一边收集数据，一边解析结构。一般完
21、成f1数据的收集，进行f2数据收集时就完成相位解析了。,几个波长？,理论上2个波长就足够破解双解了，但是有直接法的帮助，1个波长也就足够了。当然波长越多会越好，但是实验时间的延长往往会带来不可预知的因素：辐射损伤，仪器设备的不稳定等。,反常衍射的分类,单波长反常衍射：SAD；多波长反常衍射：MAD。,Peak波长得到的相角 三个波长得到的相角,烯醇酶-磷酸酶 E1,人源“Coactosin-like”蛋白,peak与h-remote的组合 三个波长,同步辐射蛋白质晶体学的发展,更小的晶体：生长晶体是蛋白质晶体学的瓶颈，如果能够解析小晶体的结构将使得许多困难的结构成为可能。更自动化的实验流程：无
22、论是解析结构还是在药物研究中的应用，大量的尝试需要自动化的流程。,目前，10微米左右的质量良好的晶体已经能够解析出生物大分子结构。（ESRF，发表于J.Mol.Biol.,367,310-318.2007）SSRF：可能达到5微米。,但是有相当多的生物大分子只能够获得1微米左右的微晶，如左图所示的与老年性痴呆相关的蛋白质很难形成大的单晶。,目前同步辐射装置希望能提供1微米的聚焦光斑解析这些m大小晶体的结构。将大大降低生物大分子结晶的门槛，极大地推动结构生物学研究和药物研发的进展。,1m量级蛋白质晶体的结构解析,Summary,同步辐射提供了解析蛋白质结构最适合的光源。同步辐射的广泛应用，分子生
23、物学技术的发展以及蛋白质晶体学理论、软件的完善，使得解析蛋白质结构成为相对比较常规的技术。,小角散射Small Angle X-ray Scattering,Simplest is the best.,获得生物大分子结构的困难,核磁共振方法：分辨率与灵敏度不够，不能确定分子量很大的结构，要求样品浓度极高，测定效率低下（几个星期甚至几个月的数据收集时间）。晶体学方法：对样品要求过高，晶体不是想得到就能得到的。,测定一系列二维、三维核磁共振谱，通过谱峰位置计算原子之间的键长、键角、二面角等立体化学参数，从而得到整个分子的三维结构。,存在的限制：灵敏度不够：需要很浓的溶液分辨率不高：存在分子量上限（
24、39kD）采集速度慢：样品稳定性问题缺少弱相互作用和中间体捕获技术膜蛋白结构的测定方法不完善,得到晶体探测衍射点强度确定衍射相位得到电子密度分布进而获得原子位置,主要问题：单晶难于制备，特别是复合物解析相位需要特殊晶体,小角散射（SAXS）,不需要晶体，在溶液中就可进行实验。不受分子量限制。不受浓度限制。实验时间短，对样品稳定性要求低。仪器设备简单，可以开展原位实验。,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,小角散射所需的样品,50微升溶液；蛋白浓度在0.1-10mg/ml；分子量在几千至几亿Da；单分散（mono-disperse）。,图片
25、来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,小角散射的优点,对样品的要求很低：溶液样品既可，分子量、浓度不拘，稳定性不用很高。有些时候结晶会引起一些结构上的变化（由于结晶时候的packing force导致），小角散射实验在溶液中进行，更好地反映生物大分子的真实状态。实验相对简单快速，提供了原位研究动态过程的可能性。,小角散射（1D）vs 衍射（3D）,1条谱线上万个衍射点结构信息（3D）,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,小角散射的缺点,小角散射得到的信息量很少，要得到三维的结构信息是很困难
26、的。只能得到一些比较粗略、低分辨的信息，如生物大分子的大小、形状等。衍射可以获得非常多的衍射点强度，能够解析出三维的结构来。相对于晶体学衍射，小角散射的理论还不够成熟。,经典应用,生物大分子（散射体）的大小、分布；大致形状（球形、柱形、椭球形等）。分子越大，实验越容易：和晶体学正好相反。,最近发展,可以拟合出生物大分子的形状：Shape determination 利用一系列球谐函数表征分子外形，这个外形（包络）之外密度为零，之内是均匀的密度。或者用一系列的虚拟原子（dummy atoms）或者虚拟残基来描述生物大分子，调整这些虚拟原子或者虚拟残基的位置来确定分子形状。,M.B.Kozin,V
27、.V.Volkov and D.I.SvergunJ.Appl.Cryst.(1997).30,811815,用球谐函数展开来表示生物大分子形状。拟合展开系数，使得计算谱线与实验最接近。需要正则化方法来进行拟合。程序：gnomD.I.Svergun，J.Appl.Cryst.(1992).25,495503,用虚拟原子来表示生物大分子形状。模拟退火这些虚拟原子的位置，使得计算谱线与实验最接近。程序：damin 和 gasborD.I.Svergun，Biophysical Journal(1999).76,28792886,重建晶体结构中丢失部分,晶体衍射中看不到的部分一般都是一些柔性的loo
28、p区域。利用小角散射可以拟合出这些loop区域来。程序：credoPetoukhov,Eady,Brown,and Svergun，Biophysical Journal(2002).83,31123125,生物大分子复合物,已知各亚基分子结构，而复合物结构未知；改变亚基相对位置及取向来拟合实验谱线。程序：masshaKonarev,Petoukhov and Svergun，J.Appl.Cryst.(2001).34,527532,研究实例（一）从基因到功能：dCMP脱氨酶,Smu206：An unknown protein from S.mutans,catalyzes the deam
29、ination of dCMP to deoxyuridine-5-monophosphate(dUMP);contains a Zn2+which is important for the catalysis;catalytic activity depends on the feedback regulation based on the ratio of dCTP to dTTP,which are both the end products of the pyrimidine salvage pathway.,From the gene sequence,smu206 from Str
30、eptococcus mutansUA159 should be deoxycytidylate deaminase.,orotic acid,UMP,CMP,RNA,dUMP,dCMP,dCDP,dCTP,dTMP,dTDP,dTTP,DNA,dCD is an enzyme involving in pyrimidine salvage pathway.It catalyses the deamination of dCMP to dUMP,which is thesubstrate of thymidylate synthase for producing TMP.dCD reduces
31、 the efficiency of anticancer and antiviral drugs via deamination at the nucleotide level,this indicates that dCD inhibitorshave potential applications in chemotherapy.,+H2O,dCMP deaminase,dCMP,dUMP,dCTP,dTTP,Mg2+,activator,inhibitor,Mg2+,The deanimation of dCMP to dUMP.dCTP as activator whiledTTP a
32、s inhibitor.A Mg2+is necessary for the function of dCTPor dTTP.,Regulation of C&T amounts,A,G,T,C,dCMP,Excessive C meansinsufficient T,reactionstarts:dCTP activating;Excessive T,reactionsuppresses:dTTP inhibiting.,dTTP inhibiting,dCTP activating,Kinetic assay of Sm206:yes,it is Sm-dCD,The activity o
33、f dCMP;The regulation of dCTP/dTTP ratio.,Structure determination of Sm-dCD,Expressed in E.coli.Purification,Crystallation.Zn found.Structure solved via Zn-MAD.Resolution of 2.8.Complex of enzyme,substrate analog PdR(pyrimidine-2-one deoxyribotide)and activator dCTP is also crtstallized.Structure so
34、lved to 1.65.,The crystals,Sample:8mg/ml Sm-dCDReservoir:0.1M Tris-HCl,1.5M(NH4)2SO4,15%(v/v)glycerol.Growth under 20C,3 days.Dehydration was used to improve the diffraction.,Sample:10mg/ml Sm-dCD,1mM PdR,5mM dCTP and 5mM MgCl2.Reservoir:0.1M MES,1.6M(NH4)2SO4,12%(v/v)dioxane.Growth under 20C,5 days
35、.,Structure determination of Sm-dCD,The structure of Sm-dCD,The substrate analog PdR isfound as its hydrate derivativeDHOMP(3,4-dihydrouridine-5-monophosphate),The hexamer of Sm-dCD,The allosteric regulator dCTP isfound between two monomers.,Two different Zn ions,The roles of Zn in dCD function,One
36、Zn ion is important for the catalysis.It binds to His71,Cys99,Cys102 and DHOMP.These residues are highly conserved in all species.Another Zn ion does not come in direct contact with the substrate analog and the allosteric regulator.It plays a role in the loop stability,which shapes the site that bin
37、ds the phosphate group of the substrate analog.The residues around this Zn ion are not conserved.Mammalian dCDs do not contain this Zn ion.,Conformation modification due to DHOMP and dCTP binding,Apoenzyme:open conformation(blue);Complex:close conformation(red).,Modification of quaternary structure,
38、A dimer isolated from the hexamer.The binding of DHOMP and dCTP result in a denser hexamer and favorable for the protein function.Apoenzyme:blue;Complex:red.,Catalytic mechanism,研究实例（二）：CooA,来源于光合细菌Rhodospirillum rubrum的CO-oxidation activator protein(CooA)。CooA结合CO后导致构型变化，以结合特定的DNA。这个蛋白属于catabolite
39、gene activator protein(CAP)家族，与fumarate and nitrate reductase(FNR)and the cAMP-receptor protein(CRP)类似。From Shuji Akiyama et al.,J.Mol.Biol.(2004)341,651668.,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,CooA
40、在结合CO后的变化并不支持晶体学研究的结果。,Guinier plot of：CO-free,CO-bounded,CO的结合对CooA大小改变很小。增强了蛋白之间的相互作用，表面电荷分布改变了。,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,SAXS的结果的仔细分析否认了CooA的linear-bent机制。Rg以及P(r)的变化远比linear-bent机制导致的小。,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,导致晶体学结构出问题的原因：结晶时产生的Packing force,通过晶体学得到的结
41、构计算出来的SAXS曲线和实验明显不同，说明在结晶过程中packing force改变了蛋白的结构。,晶体学结构中两个DNA结合区域明显不对称（而CO结合区域却是对称的），这种结构并不常见。,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa,研究实例（三）：GltS,来源于Azospirillum brasilense（巴西固氮螺菌）的 glutamate synthase(谷氨酸合成酶，GltS)。细菌的NADPH-dependent GltS(NADPH-G
42、ltS)包括两个亚基：a亚基，162 kDa；b亚基，52.3 kDa。a亚基结构已知：1ea0。b亚基有个类似物：residues 50520 of pig liver DPD(1h7w)。（N-terminal region of porcine dihydropyrimidine dehydrogenase）M.V.Petoukhov,D.I.Svergun,P.V.Konarev,S.Ravasio,R.H.H.van den Heuvel,B.Curti&M.A.Vanoni(2003).J.Biol.Chem.,278,29933,From http:/www.ebi.ac.uk/
43、thornton-srv/databases/cgi-bin/enzymes/,谷氨酸合成酶GltS是一种含有Fe-S中心的黄素蛋白，催化L-谷酰胺的酰胺基还原转移到2-酮戊二酸（2-OG）的C-2位上。根据不同的酶种类，这个过程需要NADH或者NADPH，还需要FAD或者FMN，Fe-S中心是必须的。细菌的GltS需要NADPH，真核生物的需要NADP。这个酶和谷酰胺合成酶（glutamine synthetase）是微生物和植物中氮素同化（ammonia assimilation）的主要途径，在动物中的作用还不清楚。细菌包含的NADPH-dependent GltS（NADPH-GltS）
44、由a、b两个部分组成，包含1个FAD，1个FMN和3个不同的Fe-S clusters。,NADPH-GltS的催化机理示意图,活性的Glts是a和b亚基组成的holoenzyme。小角散射结果表明a亚基在溶液中是4聚体；b亚基是单体和二聚体混合。两个亚基组成的holoenzyme在溶液中是4聚体。,SAXS实验结果：1：a亚基；2：Glts；3：b亚基。黑点：实验数据；红线：ab initio模型（外形）；绿色点划线：a2（曲线1）和a4b（曲线2）晶体学模型；绿色三角（曲线3）：单体b；绿色圆（曲线3）：二体b；蓝线：刚体拟合后的a4（曲线1）和(ab)4；蓝色圆（曲线3）：拟合后的b单体
45、与二体混合模型。,a4,Glts,b2,a4重叠在Glts上,外形,a4,Glts,b2,a4,ab,(ab)4,最终确定的结构：4聚的a亚基外围包围着4个b亚基。,Summary,小角散射提供了研究生物大分子溶液状态的一种方便手段。实验数据能够提供的信息量不多，但是在有部分晶体结构的情况下，小角散射能够发挥相当重要的作用。小角散射研究生物大分子溶液结构仍是一种正在发展的技术，有很大的提升余地。,自由电子激光Free Electron Laser,发展才是硬道理。-邓小平,各种生物基因组和功能基因组数据,基因克隆,蛋白制备,结构测定,结构测定,样品制备,蛋白结构,晶体，晶体，晶体！,解决的方法
46、：分子不排队，让光子排队,探测器,分子,相干光源,利用一束相干性很好、强度很高的X光来照射分子，记录下相干散射的强度，也能得到分子中原子的结构。,晶体的衍射：虽然每一个光子到达晶体的时间（位相，phase）是无规的，但是晶体内原子空间排列的有序性限定了出射光子只能沿着有限的方向，因此出射的X射线强度还是很高的，可以很容易就探测得到。,分子的散射：在原子空间排列无序的条件下，出射光子的方向不受限制，因此出射的X射线强度变得非常微弱。入射X射线的光子如果没有确定的位相关系（相干），那么即使目前最强的光源，这些无序到达的光子产生的信号还是弱得无法探测。（强度相加，N个光子N倍信号）,除非入射X射线的
47、光子“排着整齐的队伍”，具有确定的位相关系（相干），散射的光子产生的信号就有确定的相位关系，能够进行振幅叠加，N个光子产生N2倍信号（类似共振）。,关键：光源,目前的光源（包括第三代同步辐射）还不能提供足够的强度和相干性；能够满足条件的光源是：X射线自由电子激光（XFEL）。理由：原子分辨率需要X光；强度和相干性需要激光。,什么是自由电子激光？,让产生同步辐射的电子同时发光（光子相位相同），这样就得到激光。这个过程和常规的激光（可见光、红外、紫外激光）是类似的。,溶菌酶,The small 30S-subunit of the Thermus Thermophilus ribosome,可能的
48、问题,分子损伤：极高的强度会使分子完全离解，但是XFEL可以在分子离解之前就得到足够的信号，计算机模拟证实了这一点。相位问题：过采样技术（oversampling）可以解决这个问题。探测技术：需要发展。实验技术：如何获得单分子的散射信号，需要研究。,XFEL作用下溶菌酶分子的离解,2fs的脉冲可以得到可靠的结构，5fs以上会有误差，10fs以上基本不可用。,实验技术的问题,强度很高的XFEL，怎么固定样品？既然能够把样品在瞬间挥发，也会在瞬间挥发固定样品的样品架！,实验技术（1）：Spraying techniques,实验技术（2）：Samples embedded in vitreous
49、ice,把蛋白质固定在非晶态的冰里面。类似冷冻电镜技术。,使用一束脉冲足够短的激光，就可以得到可信的散射信号。,但是散射信号如何变成结构（电子密度）？相位还是探测不到。,晶体衍射相位问题的根源：傅立叶取样定律和衍射的中心对称性,结构解析就是求出晶胞内电子密度分布：需要得出N个点的密度r(xj,yj,zj,j=1,N)，必须知道N个振幅F(hm,km,lm,m=1,N)和相位 j(hm,km,lm,m=1,N)。由于r必须为实数，F(h,k,l)=F(-h,-k,-l)，j(h,k,l)=j(-h,-k,-l)+p。因此只有N/2个独立的衍射峰强度可以测量。,晶体限制了可能获得衍射的位置：必须满
50、足Laue定律。有N个未知数，但是只有N/2个实验值（或者方程）。采集多套数据就是增加了实验值（或者方程）的数目。如果样品不是晶体，那么可以在任何地方探测到散射信号：over-sampling。,傅立叶取样定律如是说：,实空间长度L，分成N份；倒易空间长度P，也分成N份；倒易空间长度仍为P，分成2N份；那么实空间长度为2L，也分成2N份。但是实空间只有L的长度有密度，其余区域密度可以设为0。,晶体：只能在特定的位置上得到衍射，数据量受到限制。,非晶体：不受衍射条件的限制，可以得到任意量的数据。,由于数据采样取点间隔变小，FFT后的空间变大，但是分子的大小是确定的，只有部分空间有电子密度。,(a
