walter lecture 3 phasing final

21
9/25/2008 1 The problem……… h, k , l, I and sigma I have been collected  in an Xray diffraction experiment We have converted I to F, F=SQRT(I).  How do we get coordinate positions  for the macromolecular  structure? experimental data Structure  – PDB file File of  structure factor amplitudes Electron density equation  (Density rho (e / Ǻ 3 ) at x,y,z in the unit cell) |F(hkl)| structure  factor  amplitude (scalar)  measured in the diffraction experiment. α p ase n ra ans.  e p a se o a re ec on . os ur ng e rac on experiment Thus, F(hkl) is a vector with amplitude |F(hkl)| and phase α(hkl). h k l are the miller indices!!! x y z fractional  coordinates  of  the unit cell. Sampling from 01 in each direction.  electron density (ρ(xyz))  is calculated by summing all structure  factors  at each xyz (sampling grid) position in the unit cell. Thus, ALL reflections  contribute  to the electron density at each place in the cell. Reduce the equation to 1D example to learn more about the equation.  Homework elecdens.xls.  

Upload: noor-al-arabiy

Post on 07-Apr-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 1/21

9/25/20

The problem………

h, k , l, I and sigma I have been collected in an X‐ray diffraction experiment

We have converted I to F, F=SQRT(I). How do we get coordinate positions for the macromolecular structure?

experimental data

Structure  – PDB file

File of  structure factor amplitudes

Electron density equation (Density rho  (e‐/Ǻ3) at x,y,z in the unit cell) 

|F(hkl)| structure factor amplitude (scalar) measured in the diffraction experiment.

“ ”α p ase  n ra ans.  e  p ase   o  a  re ec on.  os  ur ng  e  rac on experiment

Thus, F(hkl) is a vector with amplitude |F(hkl)| and phase α(hkl).

h k l are the miller indices!!!

x y z fractional coordinates of  the unit cell.  Sampling from 0‐1 in each direction. 

electron density (ρ(xyz)) is calculated by summing all structure factors at each xyz (sampling grid) position in the unit cell.  Thus, ALL reflections contribute to the electron density at each place in the cell. 

Reduce the equation to 1‐D example to learn more about the equation. Homework

elec‐dens.xls. 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 2/21

9/25/20

Electron density waves are described by vectors.  2 components amplitude and phase

α

|Fhkl|= amplitude of  the wave

= relative phase of  the wave compared

°α   .  . . 

If α = 0, density wave will always have

maximum at x=0X=0

wave freq.

One rotation around circle = 1 unit dist in x.

Shift position of  wave, relative to origin.

= if  h=1 vector rotates 360 in 1 x trans.

if  h=2 vector rotation 720 in 1 unh

X=1

The electron density in the unit cells of  a crystal is a periodic wave function.  It may be decomposed into its component waves .These component waves correspond to 

the family of  planes described by 

miller indices h,k,l

h  F α

 frequency of  each electron density wave.

In the diffraction experiment, we

measure intensity of  reflections at different h k l.  However, we have lost the

relative phase angles.  In this figure,

A (F) is measured at different n (.e.g h). We do not know ψ (α).  This is the phase 

108°

problem in X‐ray crystallography.  

If  we know F and α we can calculate

electron density. 

Since we know both lets calculate  the

periodic wave.  .xls file

144

144°

162°

234°

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 3/21

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 4/21

9/25/20

h= 1, k=0, α = 0

h= 2,k=0,α = 0

Relationship between X‐ray diffraction and electron density waves

Electron density waves

1. Frequencies and directions determined by the miller indices.

2. Amplitudes and phases determined by the positions and types of  atoms in the unit cell

X‐ray waves

1.  Monochromatic (constant λ and constant freq.

2.  Positions of  waves on the detector determined by the crystal system , unit cell constants

and must satisfy Bragg’s law.

3. Diffracted beams exhibit different phases relative to one another (hit detector at different

times).

. or a g ven exper men a  se up,  e  rac e   n ens y  epen en  on  e pos on an  type of  atoms in the unit cell. 

(See the structure factor equation).

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 5/21

9/25/20

FURTHER BREAK DOWN OF THE STRUCTURE FACTOR OR ANY VECTOR into components A, B.

A=|F(hkl)|cosα

B=|F(hkl)|sinα

α=tan‐1  (B/A)

|Fhkl| = SQRT(A2 + B2)

I = A2 + B2

A=1, B=0 A=0.71, B=0.71

If  |F| = 1

f1, f2, and f3 are the  scattering contribution of  3 different atoms in the unit cell of  a crystal. 

F (hkl) corresponds to a waves scattered 

from all atoms in the crystal unit cell for a given set of  planes h, k , l. 

STRUCTURE FACTOR  summation of  scattering vectors of  individual atoms in unit cell

Note all atoms contribute to the

measured intensity. Thus, to each structure factor.

In this figure, atom 1 scattering is greater 2 is greater than 3.

Scattering for each atom

ro en  own into A=f1cos φ and B= f 1sin φ terms

The A and B components are Summed to generate the structure factor F = SQRT(A2+B2) and with phase =Atan2(B,A), or tan‐1 B/A 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 6/21

9/25/20

Structure Factor equation (Summation over all atoms in the unit cell for each h, k, l.) 

The structure factor F(hkl) (vector) may be calculated if  the x,yz positions of  atoms are known. 

From x, y, z (fractional coordinates), α (phase) in radians can be calculated. 

The amplitude of  the structure factor |F(hkl)| is defined by the atomic scattering 

factors ( f ) of  atoms in the crystal

h k l are the miller indices!!!

Each F(hkl) consists of  scattering contributions of  all atoms in the unit cell.

Conclusion:  To determine the phases of  reflections, α, you must know at least one coordinate position in the crystal.

The Isotropic Atomic Scattering Factor

B=8π2<u>2

1. Resolution dependent

2. Reduced by movement of  the atom

Scattering factor (f) plot for oxygen vs. resolution at B=0A2 and B=10A2

B‐factor found in PDB files

Isotropic scattering factors in electrons found in International tables Vol. 4. (Table 2.2)

Your B‐factor of  10 corresponds to a mean atom displacement of  0.36 A

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 7/21

9/25/20

H =1e at 0.0 

5A

S=16e at 0.0

1.7A

2.5A

UNIT CELL AND DIFFRACTION PATTERN OF A 1D CRYSTAL  LEARN2

B=10A2 for each atom

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 8/21

9/25/20

DIFFRACTION DATA FOR THE 1D CRYSTAL LEARN2 

Role of  the scattering factor in Altering the structure factor calculation

Isotropic  f  : 6 e‐ 11.39 ‐4.62 ‐10.41 ‐113.93 

Resolution correction  7.52 ‐3.45 ‐6.69 ‐117.26

Resolution + B  factor  correction 5.04 ‐2.38 ‐4.48 ‐117.26 

resolution

Thermal motion of  atoms

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 9/21

9/25/20

Structure factor calculation for the h=8 reflection with no resolution of  B factor correction:

Note: green e‐density wave is  across entire crystal!

2 atoms 6 elec. each

1) x=0.1, y=0.1  6elec.

2) x=0.6, y=0.45  6 elec

Refer to scat fact table.

Calculation of  structure factors from atoms

Calculate the structure 

factor of  the 2, 0 reflection.

Do not apply resolution or B corrections to the scattering factor  f 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 10/21

9/25/20

h=2, k=0, l=0 reflection Calculation of  a structure factor for the 

 f *

Answer=

Where is the 3,4 on the

Reciprocal lattice?

Calculate F and phase for the h=3, k=4 reflection.

.  Phi=‐126

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 11/21

9/25/20

1, 0 0 reflection:  Measured but absent reflection ‐ SG determination

2 atoms 6 elec. each

1) x=0.1, y=0.1  6elec.

2) x=0.6, y=0.45  6 elec

The distance between atom 1 and atom 2 in the

X direction is 0.5.  thus, the 1 0 0 wave cannot

represent + dens for both atoms.  This is the

basis for systemic absences in diffraction data

which are used to determine the space groupLook back at the 2 0 0

Compared to 100 or 300, large F for h=4, k=0 reflection.

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 12/21

9/25/20

HOW do you find x, y z position of  atoms in crystal from  just |F(hkl)| data?

No appropriate model structure or structural model too different

Often heavy atoms don’t bind OR don’t bind specifically

Heavy‐atoms change the unit cell  – non‐isomorphous

Generally, requires labeling of  the protein (SeMet).  Great if  molecule can be produced in e. coli.  Need anomolous scatter e.g Fe protein

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 13/21

9/25/20

Fph Fp Fh

FPH = FP + FHFor SIR or MIR Phasing Method

Dataset of 

Native

crystal

Dataset of   Native

Crystals derivatized

With heavy‐atom

Hg, or U, or Pb, or Pt

(look at scattering 

factor table)

Estimate  of 

Heavy‐atom 

contribution

easure  e  n ens y  amp u e   erences  e ween  eavy‐a om  a ase  p   an  Native dataset (Fp).

Subtraction of  Fph  – Fp is an estimate of  the contribution of  the heavy‐atom to the diffraction

pattern. 

Find the phase of  the heavy atom (Fh).  Need to find the xyz position of  the atom: Patterson Map.

Native crystal derivative crystal

Frames of  data showing INTENSITY DIFFERENCEs between Native and derivatized crystal 

Weak‐strong‐weak Weak‐weak‐weakSpot intensities

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 14/21

9/25/20

Patterson map  – allows the identification of  x, y, z positions of  atoms without phases

Vector map is zero everywhere except when the ends of  the vector u, v, w, are atoms x, y, z. 

atoms.  2 carbons peak should be 6x6=36e

The map contains all “self  vectors” (e.g. atom1xyz‐atom1xyz=0,0,0).  Thus, the origin is the sum of  the squares of  the atomic numbers of  all atoms in the unit cell. 

example, atoms at x1 and x2 in the  crystal will be located at “u” positions x1‐x2 and x2‐x1 in the Patterson Map.  As well as x1‐x1 and x2‐x2.

If  N atoms in a unit cell  The Patterson map will contain  N2 atoms

Bottom line:  Patterson Maps provide a way to determine x, y, z positions 

without phases

Note differences between Patterson equation and

 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 15/21

9/25/20

u = x2‐x1, v=y2‐y1, w=z2‐z1  u = x1‐x1, v= y1‐y1, w=z1‐z1

u = x2‐x2, v=y2‐y2, w=z2‐z2

or u=0,0,0 

Features of  the Patterson map

u = x1‐x2, v=y1‐y2, w=z1‐z2 4 patterson peaks

1. Always centrosymmetric

2. Has the same lattice as the original space group

3. Remove all translational components of  the original space group add the center…

4. Total of  N*N peaks or N‐1*N to determine non origin peaks.

ymme ry

If  Real cell SG = P21 x, y, z ‐x, y+1/2, ‐z

Then Patterson symmetry P2/m x, y, z ‐x, y, ‐z

‐x,‐y,‐z  x, ‐y, z

Space group symmetry helps locate atoms in Patterson Maps  – HARKER VECTORS

SG symmetry P2

Equiv positions

1. x, y, z2. ‐x, y, ‐z

HARKER VECTORS

u=x‐ ‐x, v= y‐y, w=z‐ ‐ z

= u=2x, v=0, w=2z

u= ‐x‐x, v=y‐y, w=‐z‐z

u= ‐2x, v=0, w=‐2z

OR x=u/2 and z=w/2  y

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 16/21

9/25/20

1D Patterson Map for C=0.1 O=0.7  FROM LEARN2 data

400

600

800

1000

1200

Series1

-200

0

200

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1. If  you define the location of  the heavy 

FPH = FP + FH

Remember these are each VECTORS….we only have amplitudes

atom, you can calculate the vector FH. With FH you can define the phase of  the 

protein (αP). 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 17/21

9/25/20

SIR

FPHFP

Two possible phases possible

with a single derivative

FPH

FH

FP

The position of  a heavy‐atom has been determined.  Thus, FH is a vector.

We want to determine the phase of  Fp

SIR MIR

Using 2 derivatives resolves the ambiguity in the phasing

FH2

3 intensity data sets, 

1. FP  – native (no heavy atom)2. FPH1  – heavy atom 1 3. FPH2  – heavy atom 2 

FH1

SIR methods some times work.  Correct phases are selected using a method called solvent 

leveling.  E.g. Phases must be consistent with the physical rules of  protein structures and crystals.

Proteins density is positive and continuous and solvent channels are constant and low.  Starting

estimates of  % solvent is taken from Vm 

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 18/21

9/25/20

80

100

120

140

40

60

80

10 0

12 0

14 0

AB

1D electron density maps  From  LEARN2 DATA SET 

-20

0

20

40

0 0. 2 0.4 0.6 0.8 1

-20

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.

C

A= Electron density based on SFs calculated with atoms C=0.1, O=0.7

B= Electron density based on SFs calculated only with atom O=0.7

-20

0

20

40

60

80

10 0

12 0

14 0

16 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

C = Phases from B calculation , with structure 

factors from A. 

Partial and inaccurate phases, based only on the oxygen atom, reveal the location of  the carbon in the e‐ density map.

Mo

d

c

c

c

c

#1 #2

Collect an X‐ray diffraction data set.

Calculate structure factor amplitudes for Known protein structure (Pmodel)

model

c

c

c

c

However,  on t   now w ere t s mo e   s  n t e un t  ce … 

Molecular Replacement

1. Finds the correct rotation of  Pmodel relative to Pcrystal (Pc). 2. Finds the correct translation of  Pmodel in Pcrystal.

3. This is effective when Pmodel is structurally similar to Pcrystal.  The breakdown

occurs somewhere around ~35% or less sequence identity.

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 19/21

9/25/20

Fph Fp Fh

FPH = FP + FH

Difference between SIR/MIR (heavy‐atom) and SAD/MAD anomalous phasing methods

SIR/MIR

1.  Intensity differences between Fph and Fp

2.  Requires data collection on 2 crystals

SAD/MAD |Fp(hkl)| α(hkl) = |Fp(‐h‐k‐l)|, ‐α(‐h‐k‐l) 

Friedels Law = I of  111 = I of ‐1‐1‐1

Breakdown in Friedel’s Law for

Anomalous

scatterer

1. Collect Friedel pairs  of  reflections, which exhibit Intensity differences 

Fph+ and Fph‐ ( e.g. the 111 and the ‐1‐1‐1.  Related by 180° rotation of  crystal

2. For SAD, requires data collection on 1 crystal.. Perfect isomorphism.

3. This is generally Selenomethionine

Anomalous scattering atoms 

Anomalous Scattering http://skuld.bmsc.washington.edu/scatter/

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 20/21

9/25/20

Anomalous scattering (AS) causes a 90° phase shift in the scattering factors.  The

size of  the AS factor components ( f’ (delta f) and f’’) are dependent on the atom.

As a result of  AS, Freidel’s law breaks down for the anomalous scatter.  This results in Intensity differences between F hkl and F(‐h‐k‐l), which can be used to locate 

Anomalous scatters (using patterson functions) and calculating FH for these atomsResulting in phases for FP 

Vector diagram showing the change inthe scattering factor, which causes

intensity differences that can be used

For phasing.

f’ and f’’ plot for Selenium

Collect the SAD data at the absorbtion  edge of  the anomalous scatter

8/4/2019 Walter Lecture 3 Phasing FINAL

http://slidepdf.com/reader/full/walter-lecture-3-phasing-final 21/21

9/25/20

Friedel pairs

h k l plane 

Breakdown in Friedel’s law

FPH (hkl)≠FPH (‐h‐k‐l) when an anomalous 

scattering atom is

present

At the appropriate X‐ray energy, the white atom Scatters  anomalousl   and Friedel’s law breaks down.  This is 

‐h ‐k ‐l plane 

FPH

FPH

because the phase of  the anomalous scatterer is advanced by 90 degrees (FIXED) relative to the other atoms.  This results 

in different intensities at I h,k,l and I –h,‐k, ‐l.  As a result,FPH+ and FPH‐ are different.  With no anomalous scattering, the location of  FPH+

And FPH‐ ( labeled in green) are identical and would have identical intensities.

These differences can be used to identify the anomalous scatterer and generate phases for the protein  just as in SIR/MIR methods.