X射線晶體學/輻射損傷

自第三代高亮度同步加速器出現以來，晶體（即使是低溫冷卻的晶體）的輻射損傷問題再次成為一個主要問題。

損傷

輻射損傷的依據

光電效應。左側的入射電磁輻射從物質中彈出電子，如圖所示飛向右側。

眾所周知，蛋白質的輻射損傷很重要，1962年，Blake和Phillips發現損傷與晶體接收的劑量成正比，每個8keV光子能夠破壞70個分子，並使90個分子無序化。

在12.7keV下，與晶體相互作用的X射線中，有2%透過光電效應相互作用（Murray J和Rudiño-Piñera E，2005）。每個X射線光子只能產生一個光電子，然而每個光電子會導致超過500個能量較低的次級電子（O'Neil等，2002）。

即使在低溫條件下，電子在蛋白質內仍然可以移動，它們可以利用電子隧穿效應沿著蛋白質骨架鏈跳躍（Jones等，1987）。

輻射損傷的型別

初級

初級輻射損傷與劑量有關，是由X射線束光子相互作用產生光電子引起的。這是X射線晶體學不可避免的結果。

次級

來自初級輻射損傷的光電子可以透過產生自由基進一步損傷蛋白質，這個過程被稱為次級輻射損傷，它既與時間相關又與溫度相關。自由基在晶體中的擴散可以透過低溫冷卻減緩。

直接/間接

初級和次級輻射損傷都可以是直接的（直接改變蛋白質）或間接的（改變周圍的溶劑）。間接效應仍然可能對蛋白質造成同樣大的損傷，水的輻射分解可以產生OH、H、H⁺和$e_{aq}^{-}$水合電子，它們具有特別強的破壞性。

特定效應

蛋白質的損傷以特定的方式發生。自由電子沿肽骨架隧穿的能力（Jones等，1987）為特定結構損傷的發生提供了一種機制。結構損傷的順序遵循共價鍵強度的順序（Garman和Owen，2006）；

1. 二硫鍵斷裂。
2. 天冬氨酸和穀氨酸的脫羧。
3. 酪氨酸中OH基團的丟失。
4. 蛋氨酸中C-S鍵斷裂。

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

蛋白質內的金屬中心也會受到損傷（Carugo和Carugo，2005），導致還原。如果大多數PDB結構包含還原的（或部分還原的）金屬中心，這就會造成問題。蛋白質的活性位點也很容易受到損傷，例如DNA光裂解酶中的FAD輔因子（Kort等，2004）。

眾所周知，在衍射圖樣明顯受損之前，會發生特定損傷（Ravelli和McSweeny，2000）。

一般效應

• 晶胞尺寸的變化。
• 威爾遜B值的增加。
• 晶體衍射能力的下降。
• 高解析度資料的丟失。

晶胞尺寸的變化也是輻射損傷的特徵（Ravelli和McSweeny，2000），但是它們不能用作損傷的衡量標準，因為即使是相同蛋白質的晶體，其變化也很大（Murray和Garman，2002）。Weik等（2001）發現晶胞體積與溫度有關，但是溫度效應被認為對光束線的輻射損傷影響不大（Nicholson等，2001；Kuzay等，2001）。當你考慮到所有晶胞尺寸變化1/2%會導致一般反射強度變化15%時，晶胞體積的變化很重要（Crick和Magdoff，1957），尤其是在你只嘗試測量反常色散實驗的強度變化6-10%時（Hendrickson和Ogate，1997）。

損傷速率

損傷與劑量成正比

輻射限度

低溫室溫