Vaiheongelma

Vaiheongelma on röntgenkristallografiassa kohdattava ongelma, joka vaikeuttaa makromolekyylien rakenteiden selvittämistä. Ongelma johtuu siitä, että röntgenkristallografisessa tutkimuksessa kyetään detektoimaan vain röntgensäteilyn voimakkuus. Siksi säteilyyn liittyvän aallon vaiheinformaatio menetetään.

Röntgenkristallografia on menetelmä, jota käytetään mm. proteiinien rakenteen selvittämiseen. Proteiinikidettä pommitetaan röntgensäteillä, joka saa proteiinin elektronit lähettämään röntgensäteilyä puolestaan eteenpäin. Säteily napataan röntgenfilmille, johon muodostuneen kuvan perusteella proteiinin atomitasoinen kolmiulotteinen rakenne pyritään ratkaisemaan matemaattisin keinoin. Matemaattiset keinot (Fourier'n sarja) vaativat kuitenkin, että röntgensäteistä tiedetään aallonpituus, aallonkorkeus eli amplitudi ja vaihe. Aallonpituus on sama kuin lähteneen röntgensäteen aallonpituus, joka on tarkkaan tiedossa. Amplitudi taas saadaan röntgenfilmille muodostuneiden täplien tummuudesta, intensiteetistä, sillä intensiteetti on amplitudin neliö. Vaiheesta ei kuitenkaan saada mitään informaatiota, vaan tieto röntgensäteiden vaiheesta katoaa mittauksen aikana.

Vaiheiden puuttuminen aiheuttaa vaiheongelman. Aaltojen vaiheita nimitetään englanniksi sanalla phase, ja vaiheongelma on englanniksi phase problem - siitä suomennos.

Vaiheongelma voidaan yrittää kiertää. Hyvin yksinkertaisten rakenteiden kohdalla tutkijat voivat yrittää arvata vaiheita. Tai, mikäli jonkin samankaltaisen molekyylin rakenne on ratkaistu, voivat tutkijat käyttää sen vaiheita uuden rakenteen ratkaisemisessa.

Ison, tuntemattoman proteiinin vaiheiden selvittämiseen tarvitaan kuitenkin muita keinoja. Vaiheiden ratkaisemiseen voidaan käyttää raskasmetalleja. Tutkittavasta proteiinista kerätään röntgendataa ilman raskasmetalleja, sekä siten, että proteiiniin on upotettuna raskasmetalleja. Näin saatujen datojen eroista voidaan laskea vaihetiedot. Raskasmetalleihin perustuvista mittaustavoista on erilaisia versioita, jotka kulkevat mm. nimillä MAD, MIR ja SAD.

Vaihetiedot eivät kuitenkaan osu suoraan oikeaan. Sen vuoksi tutkittavalle rakenteelle on suoritettava hienosäätöä, ja vaiheet muuttuvat mallintamisen aikana. Vaiheiden paikkansapitävyyttä seurataan R-tekijän avulla

• Rhodes G. Crystallography Made Crystal Clear. Academic Press. CA: 2000