X射线晶体学/辐射损伤

自第三代高亮度同步加速器出现以来，晶体（即使是低温冷却的晶体）的辐射损伤问题再次成为一个主要问题。

损伤

辐射损伤的依据

光电效应。左侧的入射电磁辐射从物质中弹出电子，如图所示飞向右侧。

众所周知，蛋白质的辐射损伤很重要，1962年，Blake和Phillips发现损伤与晶体接收的剂量成正比，每个8keV光子能够破坏70个分子，并使90个分子无序化。

在12.7keV下，与晶体相互作用的X射线中，有2%通过光电效应相互作用（Murray J和Rudiño-Piñera E，2005）。每个X射线光子只能产生一个光电子，然而每个光电子会导致超过500个能量较低的次级电子（O'Neil等，2002）。

即使在低温条件下，电子在蛋白质内仍然可以移动，它们可以利用电子隧穿效应沿着蛋白质骨架链跳跃（Jones等，1987）。

辐射损伤的类型

初级

初级辐射损伤与剂量有关，是由X射线束光子相互作用产生光电子引起的。这是X射线晶体学不可避免的结果。

次级

来自初级辐射损伤的光电子可以通过产生自由基进一步损伤蛋白质，这个过程被称为次级辐射损伤，它既与时间相关又与温度相关。自由基在晶体中的扩散可以通过低温冷却减缓。

直接/间接

初级和次级辐射损伤都可以是直接的（直接改变蛋白质）或间接的（改变周围的溶剂）。间接效应仍然可能对蛋白质造成同样大的损伤，水的辐射分解可以产生OH、H、H⁺和$e_{aq}^{-}$水合电子，它们具有特别强的破坏性。

特定效应

蛋白质的损伤以特定的方式发生。自由电子沿肽骨架隧穿的能力（Jones等，1987）为特定结构损伤的发生提供了一种机制。结构损伤的顺序遵循共价键强度的顺序（Garman和Owen，2006）；

1. 二硫键断裂。
2. 天冬氨酸和谷氨酸的脱羧。
3. 酪氨酸中OH基团的丢失。
4. 蛋氨酸中C-S键断裂。

(Burmeister，2000；Ravelli和McSweeny，2000；Weik等，2000)

蛋白质内的金属中心也会受到损伤（Carugo和Carugo，2005），导致还原。如果大多数PDB结构包含还原的（或部分还原的）金属中心，这就会造成问题。蛋白质的活性位点也很容易受到损伤，例如DNA光裂解酶中的FAD辅因子（Kort等，2004）。

众所周知，在衍射图样明显受损之前，会发生特定损伤（Ravelli和McSweeny，2000）。

一般效应

• 晶胞尺寸的变化。
• 威尔逊B值的增加。
• 晶体衍射能力的下降。
• 高分辨率数据的丢失。

晶胞尺寸的变化也是辐射损伤的特征（Ravelli和McSweeny，2000），但是它们不能用作损伤的衡量标准，因为即使是相同蛋白质的晶体，其变化也很大（Murray和Garman，2002）。Weik等（2001）发现晶胞体积与温度有关，但是温度效应被认为对光束线的辐射损伤影响不大（Nicholson等，2001；Kuzay等，2001）。当你考虑到所有晶胞尺寸变化1/2%会导致一般反射强度变化15%时，晶胞体积的变化很重要（Crick和Magdoff，1957），尤其是在你只尝试测量反常色散实验的强度变化6-10%时（Hendrickson和Ogate，1997）。

损伤速率

损伤与剂量成正比

辐射限度

低温室温