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Strukturanalyse und Proteinkristallographie

Neutronenbeugung und -streuung

Die Neutronenbeugung verläuft im Prinzip analog zur Röntgenbeugung. Der große Unterschied besteht darin, dass Neutronen im Gegensatz zur Röntgenstrahlung (dort sind es die höchsten Elektronendichten) an den Atomkernen der im Kristallgitter angeordneten Moleküle gebeugt werden. Da der Impuls einer Bewegung am besten zwischen Körpern gleicher Masse übertragen wird, werden Neutronen besonders gut von den Protonen der Wasserstoff-Atome gestreut. Die Röntgenstrukturanalyse liefert also 3D-Karten der Elektronendichte im Molekül, während die Neutronenbeugung Karten der Kerndichte liefert. Bislang besteht die größte Schwierigkeit für den Einsatz dieser Methode in der Herstellung von Neutronenstrahlung. Die in Forschungsreaktoren durchgeführte Kernspaltung stellt eine konstante und kontinuierliche Neutronenquelle dar.

Für viele Anwendungen sind jedoch beschleunigungsabhängig gepulste Neutronenquellen geeigneter. In so genannten Spallationsquellen werden Neutronen von schnellen und energiereichen Partikeln, wie z.B. Protonen, aus schweren Atomkernen "abgeblättert" (engl. spalled). Beide Verfahren sind für kleine Forschungslabors viel zu aufwendig und erfordern die zentrale Durchführung an einigen wenigen weltweit verfügbaren Institutionen.

Tab.1
Neutronenquellen für die Strukturanalyse von Proteinen - Abk.: TOF-Time of-Flight : Flugzeit; SANS: small angle nuclear scattering;
InstrumentEinrichtungBeschreibung
D19 Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble, Frankreich Thermische Neutronen, Vier-Zyklen-Diffraktometer, Unterstützte Wellenlängen: 1,0-2,4 Å.
DB21 Institut Laue-Langevin (ILL) 2-4-Zyklen-Diffraktometer für kalte Neutronen. Unterstützte Wellenlängen: 4,5- 5,6 Å
D16 Institut Laue-Langevin (ILL) Diffraktometer für kalte Neutronen mit geringer Auflösung. Unterstützte Wellenlängen: 4,6-7,56 Å
V1 Hahn-Meitner-Institut (HMI), Berlin, BRD 2-Zyklen-Diffraktometer für kalte Neutronen. Unterstützte Wellenlängen: 3-6 Å
FRM II Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, München, BRD u.a. SANS-Instrument; REFSANS für die Analyse lateraler Oberflächenstrukturen, Wellenlängen λ = 0,2-3 nm), hochauflösendes Flugzeit-Spektrometer (TOFTOF) zur Untersuchung dynamischer Prozesse in Proteinen oder Membranen, Wellenlängen von 1,5-12 Å
LADI Institut Laue-Langevin (ILL) Laue-Diffraktometer für kalte Neutronen
BIX-3 Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI), Hyogo, Japan, Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Hyogo, Japan Diffraktometer für monochromatische Neutronen. Unterstützte Wellenlänge: 2,2 Å
SXD1) ISIS Pulsed Neutron and Muon Source at the Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire, UK Flugzeit-Laue-Diffraktometer; Wellenlängen: 2-10 Å
im Aufbau Europäische Spallationsquellen (ESS), in der dort eingebundenen Animation erhält man einen Einblick über die Technik.-
05/2006 in Betrieb genommen Spallation Neutron Source (SNS), Oak Ridge National Lab., Tennessee, USA -

Verglichen mit dem Aufwand der Herstellung von Neutronenstrahlung können Röntgenstrahlen sehr einfach in jedem Labor erzeugt werden. Wenn sehr energiereiche Röntgenstrahlung erforderlich ist, werden auch hier spezielle Einrichtungen (Synchrotrons, s. Tab.1. im Kapitel Proteinstrukturanalyse) benötigt, die nur an wenigen Orten der Erde zur Verfügung stehen. Diesem Nachteil der Neutronenbeugung stehen jedoch auch viele Vorteile gegenüber: so führt die Einwirkung der energiereichen Röntgenstrahlung oft zum Zerfall von Proteinkristallen bevor eine Messreihe abgeschlossen werden kann. Daher müssen für eine vollständige Röntgenstrukturanalyse meist mehrere Kristalle zur Verfügung stehen. Im Gegensatz hierzu führt das Beschießen von Proteinkristallen mit Neutronen in der Regel zu keiner Beschädigung der Kristallstruktur. Dadurch reicht ein einzelner guter Kristall für eine komplette Datenerhebung aus.

Abb.1
Das Prinzip der Kristallographie
Modifiziert nach: Neutron Scattering at the High Flux Isotope Reactor, Oak Ridge National Laboratory .

Das Prinzip der Kristallographie entspricht dem Versuch, einen unbekannten Lattenzaun zu vermessen, indem man diesen mit verschiedenen Gegenständen bewirft und überprüft, welche von ihm zurückgeworfen werden und welche ihn passieren.

Neutronen sind ungeladene Kernteilchen. Deshalb werden sie von Atomkernen weder angezogen noch abgestoßen. Da sie des Weiteren relativ groß und schwer sind und dadurch nicht sehr schnell fliegen, passieren sie entweder den Spalt zwischen den Atomkernen oder prallen in einem bestimmten Winkel von diesen ab (s. Abb. oben). Dadurch wird die Neutronenbeugung zu einer äußerst nützliche Informationsquelle zur Bestimmung der Position, des Bewegungszustandes und der magnetischen Eigenschaften fester Stoffe.

Literatur

Gutberlet, T.; Heinemann, U.; Steiner, M. (2001): Protein crystallography with neutrons - status and perspectives. In: Acta Cryst. Section D, Biol. Cryst.. 57 , 349-354
Engler, N.; Ostermann, A.; Niimura, N.; Parak, F. G. (2003): Hydrogen atoms in Proteins: Positions and dynamics. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 100 , 10243-10248

Zugang zur PubMed-Datenbank

1)SXD: single crystal diffractometer
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