Problema de fase - Phase problem

Em física, o problema de fase é o problema de perda de informações sobre a fase que pode ocorrer ao fazer uma medição física. O nome vem do campo da cristalografia de raios-X , onde o problema de fase deve ser resolvido para a determinação de uma estrutura a partir de dados de difração . O problema de fase também é encontrado nas áreas de processamento de imagem e sinal . Várias abordagens de recuperação de fase foram desenvolvidas ao longo dos anos.

Visão geral

Os detectores de luz, como placas fotográficas ou CCDs , medem apenas a intensidade da luz que os atinge. Esta medição é incompleta (mesmo quando negligenciados outros graus de liberdade , como polarização e ângulo de incidência ) porque uma onda de luz não tem apenas uma amplitude (relacionada à intensidade), mas também uma fase (relacionada à direção) e polarização que são sistematicamente perdidos em uma medição. Em experimentos de difração ou microscopia , a parte da fase da onda freqüentemente contém informações valiosas sobre o espécime estudado. O problema de fase constitui uma limitação fundamental, em última análise, relacionada à natureza da medição na mecânica quântica .

Na cristalografia de raios-X , os dados de difração, quando devidamente montados, fornecem a amplitude da transformada de Fourier 3D da densidade de elétrons da molécula na célula unitária . Se as fases são conhecidas, a densidade do elétron pode ser obtida simplesmente por síntese de Fourier . Essa relação de transformada de Fourier também é válida para padrões de difração de campo distante bidimensionais (também chamados de difração de Fraunhofer ), dando origem a um tipo semelhante de problema de fase.

Recuperação de fase

Artigo principal: recuperação de fase

Existem várias maneiras de recuperar as fases perdidas. O problema de fase deve ser resolvido em cristalografia de raios X , cristalografia de nêutrons e cristalografia de elétrons .

Nem todos os métodos de recuperação de fase funcionam com todos os comprimentos de onda (raios X, nêutrons e elétrons) usados ​​na cristalografia.

Métodos diretos ( ab initio)

Se o cristal difratar para alta resolução (<1,2 Å), as fases iniciais podem ser estimadas usando métodos diretos. Os métodos diretos podem ser usados ​​em cristalografia de raios-X , cristalografia de nêutrons e cristalografia de elétrons .

Várias fases iniciais são testadas e selecionadas por este método. O outro é o método Patterson, que determina diretamente as posições dos átomos pesados. A função Patterson fornece um grande valor em uma posição que corresponde a vetores interatômicos. Este método pode ser aplicado apenas quando o cristal contém átomos pesados ​​ou quando uma fração significativa da estrutura já é conhecida.

Para moléculas cujos cristais fornecem reflexos na faixa sub-Ångström, é possível determinar fases por métodos de força bruta , testando uma série de valores de fase até que estruturas esféricas sejam observadas no mapa de densidade eletrônica resultante. Isso funciona porque os átomos têm uma estrutura característica quando vistos na faixa sub-Ångström. A técnica é limitada pelo poder de processamento e qualidade dos dados. Para fins práticos, é limitado a "pequenas moléculas" e peptídeos porque eles consistentemente fornecem difração de alta qualidade com muito poucas reflexões.

Substituição Molecular (MR)

As fases também podem ser inferidas usando um processo denominado substituição molecular , em que fases já conhecidas de uma molécula semelhante são enxertadas nas intensidades da molécula em questão, que são determinadas por observação. Estas fases podem ser obtidas experimentalmente a partir de uma molécula homóloga ou se as fases forem conhecidas para a mesma molécula mas em um cristal diferente, simulando o empacotamento da molécula no cristal e obtendo fases teóricas. Geralmente, essas técnicas são menos desejáveis, uma vez que podem influenciar gravemente a solução da estrutura. Eles são úteis, no entanto, para estudos de ligação de ligante, ou entre moléculas com pequenas diferenças e estruturas relativamente rígidas (por exemplo, derivatizar uma molécula pequena).

Substituição Isomorfa

Substituição Isomorfa Múltipla (MIR)

Substituição Isomorfa Múltipla (MIR) , onde átomos pesados ​​são inseridos na estrutura (geralmente por síntese de proteínas com análogos ou por imersão)

Dispersão Anômala

Dispersão anômala de comprimento de onda único (SAD).

Dispersão anômala de comprimento de onda múltiplo (MAD)

Uma solução poderosa é o método de dispersão anômala de comprimento de onda múltiplo (MAD). Nessa técnica, os elétrons internos dos átomos absorvem os raios X de comprimentos de onda específicos e os reemitem após um atraso, induzindo uma mudança de fase em todas as reflexões, conhecido como efeito de dispersão anômala . A análise dessa mudança de fase (que pode ser diferente para reflexões individuais) resulta em uma solução para as fases. Uma vez que as técnicas de fluorescência de raios X (como esta) requerem excitação em comprimentos de onda muito específicos, é necessário usar radiação síncrotron ao usar o método MAD.

Melhoria de fase

Refinando fases iniciais

Em muitos casos, um conjunto inicial de fases é determinado e o mapa de densidade de elétrons para o padrão de difração é calculado. Em seguida, o mapa é usado para determinar partes da estrutura, que partes são usadas para simular um novo conjunto de fases. Esse novo conjunto de fases é conhecido como refinamento . Essas fases são reaplicadas às amplitudes originais, e um mapa de densidade de elétrons aprimorado é derivado, a partir do qual a estrutura é corrigida. Este processo é repetido até que um termo de erro (geralmente Rfree) tenha se estabilizado em um valor satisfatório. Por causa do fenômeno de polarização de fase , é possível que uma atribuição inicial incorreta se propague por meio de refinamentos sucessivos, portanto, condições satisfatórias para uma atribuição de estrutura ainda são uma questão de debate. Na verdade, algumas atribuições incorretas espetaculares foram relatadas, incluindo uma proteína em que toda a sequência foi encadeada para trás.

Modificação de densidade (melhoria de fase)

Alisamento de solvente

Correspondência de histograma

Média de simetria não cristalográfica

Estrutura parcial

Extensão de fase

Veja também

links externos

Referências

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