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Strukturanalyse und Proteinkristallographie

Incoherent Neutron Scattering (INS)

Man unterscheidet drei Formen der inkohärenten Neutronenstreuung (engl. incoherent neutron scattering, INS): elastische (EINS), quasi-elastische (QINS) und unelastische Neutronenstreuung (IINS). Wie bei allen Neutronenstreuungs-Methoden spielt auch bei der INS der Wasserstoff eine zentrale Rolle. Da er einen großen Streuquerschnitt besitzt, sind die Inkohärenz-Messungen weitgehend von Fluktuationen in Position, Konformation und Energiegehalt der Wasserstoff-Atome in der Probe abhängig. EINS kommt durch den Austausch von Atomen im Bereich von 0,1 Femto- bis zu 1 Nanosekunde zustande. Innerhalb dieses Zeitfensters wird die Dynamik hydratisierter Proteine vor allem durch Vibrationen bei geringer Temperatur (< 180 K) bestimmt. Bei Temperaturen von 180-230 K treten stochastische Fluktuationen größerer Amplitude auf, wenn die Probe den glasartigen Übergangszustand durchläuft. Bei 0 K tritt nur EINS auf. Bei Erhöhung der Temperatur kommt in der Verteilung der Beugungsintensitäten bald ein breiter IINS-Peak hinzu, der vor allem durch Vibrationen und Rotationen zwischen wohldefinierten Energiezuständen der Probe entsteht. Erst bei weiterer Temperaturerhöhung tritt auch QINS auf, die entweder durch die Diffusion von (Wasserstoff)- Atomen oder durch Konformationssprünge infolge einer kleinen Doppler-Verschiebung in der Energie der gebeugten Neutronen entsteht (Abb. 1) .

Abb.1
Schematische Darstellung eines INS-Spektrums
Modifiziert nach: Dr. Robert Gilbert (Division of Structural Biology, University of Oxford).

Auf der x-Achse ist mit hω/2π der Energiefluss aufgetragen, wobei ω für die Energie und h für das Planck'sche Wirkungsquantum steht. Die y-Achse zeigt die Signalintensität I als Funktion des Streuungswinkels Q und der Energie ω. Das Diagramm zeigt Momentaufnahmen von 3 verschiedenen Experimenten, die bei ebenso vielen verschiedenen Temperaturen durchgeführt wurden. Bei 0 K (T = 0) tritt ausschließlich das "elastic incoherent neutron scattering (EINS)" auf, da sich bei dieser Temperatur die Moleküle nur sehr wenig bewegen. Der ausgeprägte Peak bei ω = 0 entsteht durch die wenigen eingeschränkten Vibrationen in der Nähe des absoluten Nullpunktes. Bei höheren, aber unterhalb der Übergangstemperatur des glasartigen Zustandes liegenden, Werten (T < Tc) tritt sowohl EINS als auch "inelastic incoherent neutron scattering (IINS)" auf, ebenfalls mit einem Spektrum um die Nullpunktsenergie herum. Der IINS-Anteil entsteht als harmonische molekulare Vibration im Verlauf der Temperaturerhöhung. Oberhalb der Übergangstemperatur (T > Tc), gesellt sich das "quasi-elastic incoherent neutron scattering (QINS)" zu den weiterhin bestehenden Peaks des EINS und IINS, wobei die elastische Beugung nach und nach durch IINS ersetzt wird. QINS entsteht aus nicht-vibrationalen Bewegungsanteilen und ist - wie die anderen Beugungstypen - um die Nullpunktsenergie herum angeordnet.

INS-Experimente benötigen relativ große Probenmengen (einige 100 mg). Daher findet die Methode vor allem in der Untersuchung von Systemen Anwendung, die in relativ großen Mengen in der Natur vorkommen. Einige Anwendungsbeispiele, die in den folgenden Publikationen beschrieben sind, seien genannt. Hierzu gehören Studien an dem in die Purpurmembranen von Halobacterium salinarium eingebetteten Photorezeptor Bacteriorhodopsin und an der Hydrolase Lysozym, welches die β-glycosidische Bindung zwischen N-Acetyl-glucosamin und N-Acetyl-muraminsäure in der Bakterienzellwand spaltet.

Literatur

Reat, V.; Patzelt, H.; Ferrand, M.; Pfister, C.; Oesterhelt, D.; Zaccai, G. (1998): Dynamics of different functional parts of bacteriorhodopsin: H-2H labeling and neutron scattering. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 95 , 4970-4975
Fitter, J.; Patzelt, H.; Verclas, S. A.; Lechner, R. E.; Seelert, H.; Dencher, N. A. (1998): Function and picosecond dynamics of bacteriorhodopsin in purple membrane at different lipidation and hydration. In: FEBS Lett.. 433 , 321-325
Bon, C.; Lehmann, M. S.; Wilkinson, C. (1999): Quasi-Laue neutron-diffraction study of the water arrangement in crystals of triclinic hen egg-white lysozyme. In: Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr.. 55 , 978-987

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