Презентация "Частицы" по физике – проект, доклад

Общие положения малоугловой дифракции

Вид дифракционной картины и возможности извлечения из нее структурной информации существенно зависят от упорядоченности в рассеивающем объекте

Картина рассеяния от объекта в кристаллическом состоянии (кристалл)

Картина рассеяния от объекта в частично упорядоченном состоянии (волокно)

Картина рассеяния от объекта в неупорядоченном состоянии (раствор)

Главный вывод: чем выше степень упорядоченности объекта , тем более информативной будет от него картина дифракции

Когерентное, упругое

Частично когерентное, упругое

Некогеррентное, «упругое»

Общий вид кривой в малоугловом рассеянии

I Q =4π/λ×sinθ (Å-1) Область Гинье

Область формы частицы

Область, где выявляются детали внутренней структуры частицы

0.01 0.1 0.2

В 1939 году А. Гинье показал, что в области малых углов интенсивность рассеяния может быть представлена экспоненциальной функцией

Аппроксимация Гинье

Это уравнение известно как аппроксимация Гинье. Оно верно для частицы любой формы при условии что произведение QRG меньше или равно 1.

Rg = 52 Å, M =50 кДа

Рассеяние нейтронов

Радиус инерции Rg в механике и его свойства

Свойство 1. Радиус инерции однородной частицы не зависит от ее плотности. Свойство 2. Радиус инерции однородной сферической частицы связан с ее радиусом r0

Свойство 3. Радиус инерции двух сферических частиц зависит от расстояния между ними L

Свойство 4. Радиус инерции совокупности сферических частиц зависит от их распределения в пространстве

1 2 3 ro

Свойство 5. Радиус инерции неоднородной частицы зависит от распределения «рассеивающей плотности» внутри нее. Для двухкомпонентной частицы с «рассеивающими плотностями» 1 и 2

2 1 Rg Rg Rg Rg

2 =0 1 > 2 1 = 2 1 < 2

Свойство 6. Для частиц простой формы радиус инерции связан с их геометрическими размерами следующим образом

Rg > Rg > Rg > Rg

Rg = 32 Å,

Oжидаемый Rg для белка в компактной форме равен 26 Å

т-РНК (●) eEF1A:tRNA=3:1 (▼) eEF1A (○) eEF1A:tRNA=1:3 (Δ)

Расчетный Rg для белка в составе комплекса равен 28 Å.

Элонгационный эукариотический фактор eF1A не являeтся глобулярным белком в обычном понимании, а относится к классу природно неструктурированных белков. Такие белки не имеют уникальной третичной структуры в физиологических условиях, а приобретают ее при взаимодействии с лигандами”

М=50 кDa

Фактор EF1A в изолированном состоянии и в комплексе с лигандом (т-РНК)

Сравнение радиуса инерции частицы с ее гидродинамическими параметрами

Радиус инерции и константа поступательного трения

Радиус инерции и характеристическая вязкость

Функции  и  могут быть рассчитаны теоретически и определены экспериментально

γmin=4.22 αmin=1.96

Примеры использования функций  и 

Миоглобин Апоферритин Ферритин 50S Е. coli

М=17.836 Da, D=10.810-7 cm2/sec, s =2.08 S =0.741 cm3/g, []=3.1 cm3/g, Rg=15.8 Å =2.00, s=4.28, D=4.32, p=1.6, 1/p=2.0

M=465.000 Da, D=3.6410-7 cm2/sec, s =17.6 S =0.747 cm3/g, []=3.2 cm3/g, Rg =51.9 Å =2.20, s=4.60, D=4.63.

M=890.000 Da, D=3.6110-7 cm2/sec, s =67 S =0.51 cm3/g, []=3.0 cm3/g, Rg =37.3 Å =1.7, s=3.43, D=3.38.

M=1.65 106 Da, D=1.8710-7 cm2/sec, s =50.0 S =0.61 cm3/g, []=3.8 cm3/g, Rg =75.0 Å s=3.42, D=3.43.

•

Apoferritin in D2O Головка Cд фага

Примеры кривых рассеяния частицами, форма которых близка к сферической

Контраст в быту Воздух (n=1) Вода (n=1.33)

Стеклянная палочка (n=1.49)

Толуол (n=1.49) ЧТ 02 12

Номера автомобилей Книгопечатание Цирковые фокусы

Контраст в рассеянии света, рентгеновских лучей и нейтронов

контраст

Контраст в рассеянии света

Контраст в рассеянии рентгеновских лучей

Контраст в рассеянии нейтронов

На практике не может быть изменен

На практике достига- ется за счет изменения свойств растворителя

На практике достигается как за счет изменения свойств раство- рителя, так и свойств частицы.

|Q|=4/sin

Контрастирование в малоугловом рассеянии рентгеновских лучей: добавление «электронно-плотных» веществ в растворитель.

Зависимость квадрата радиуса инерции миоглобина кашалота от обратного контраста (○○○). Параметр  >0, что свидетельствует о наличии в частице гидрофобного ядра и гидрофильной оболочки. Плотность последней больше таковой ядра.

Бесконечый контраст

?

Контрастирование в малоугловом рассеянии нейтронов

Вариация контраста в нейтронном рассеянии

Изменение рассеивающих свойств растворителя (использование разных H2O/D2O смесей) 2. Изменение рассеивающих свойств частицы (биосинтетическое дейтерирование) Использование смесей частиц с разными рассеивающими свойствами ( изотопическое замещение на тройном уровне, техника триангуляции) Изменение взаимной ориентации спинов протонов частицы и падающего нейтрона (спин-спиновое взаимодействие)

Контраст в малоугловом рассеянии

Плотность рассеяния растворителя

Rg2

Обратный контраст

Точка компенсации

α < 0, β=0 α = 0, β=0 α > 0, β=0

α < 0, β=0 означает, что менее плотная компонента находится в центре частицы

α > 0, β=0 означает, что более плотная компонента находится в центре частицы

α =0, β=0 означает, что оба компонента в частице равномерно перемешаны.

Неравенство β нулю означает, что центры тяжести компонент смещены друг относительно

Вариация контраста методом H2O/D2O смесей

aH = -3.7410-13 aD = +6.69 10-13 aN = +9.4010-13 aO = +5.80 10-13 aP = +5.1110-13 aC = +6.05 10-13

Плотность амплитуды нейтронного рассеяния биологических частиц как функция процентного содержания тяжёлой воды в смеси Наклон каждой прямой связан с дейтерообменом

Кошка Штурмана

Белок и РНК в H2О Белок в 40% D2О Белок и РНК в D2О РНК в 70% D2О

При бесконечном отрицательном или положительном контрасте проявляется форма частицы При малом контрасте проявляется внутренняя структура

Вариация контраста за счет рассеивающих свойств среды: биосинтетическое дейтерирование

(H)-РНК в H2O (H)-РНК в D2O (D)-РНК в D2O

(H)-белок в H2O (H)-белок в D2О (D)-белок в D2O

где Y-доля D2O в смеси H2O/D2O, S- доля D2O в среде выращивания

Оптическая плотность

Время в часах. a) H2O; b) 78% D2O; 100% D2O

Рибосома в пре- и пост-транслоцированном состоянии

H 30S*50S Растворитель 91% D2O D

50S 30S

Рис. Ж2.14 Положение 30S субъединицы до взаимодействия с элонгационным фактором (полупрозрачный розовый) и после (желтый)(Valle et al., 2003)

У большого пестрого дятла трель идет со скоростью 20-27 ударов в секунду. У малого пестрого дятла - 50 ударов в секунду (Энциклопедия)

Использование смесей частиц разной степени дейтерированности

Техника триангуляции (W. Hoppe and P. Moore)

L _ =

Пространственное расположение 21 белков в 30S рибосомной субчастице

Структура некоторых рибосомных белков 30S субчастицы Т. Th., полученная методом ЯМР.

Рентгеновская структура 30S рибосомной частицы T. th. с разрешением 3Å. Вверху - стерео изображение третичной структуры. Внизу – фронтальная и обратная сторона 30S субчастицы. Серым цветом окрашена РНК, сиреневым цветом - белки

Структура 30S рибосомной субчастицы Т. termophilus

Вторичная структура 16S РНК и ее три домена: 5’-домен (красный), центральный домен (зеленый) и 3’- домен (желтый) и 3’ малый домен (голубой)

Метод тройного изотопического замещения (М. Павлов и И. Сердюк)

- H,D

Раствор 1 Раствор 2 Разность двух растворов

«Одна» частица

Изменение взаимной ориентации спинов протонов частицы и падающего нейтрона (спин-спиновое взаимодействие) (Х. Штурманн)

Неполяризованное рассеяние

Поляризованное рассеяние

H (-0.374) D (+0.667) (+1.082) (-1.83)