تعيين التركيب البلوري للجزيئات الكبيرة يتم بطريقة مختلفة من تلك المستخدمة في حالة الجزيئات الصغيرة والطريقة المتبعة في حالة الجزيئات الكبيرة يتم فيها استخدام طريقة الاستبدال المتشاكل (Isomorphous Replacement) لذرات خفيفة (مثل جزيئات المذيبات) بذرات ثقيلة (عناصر لها عدد ذري كبير). والجزيئات الكبيرة تحتوي على عدد كبير من الذرات كذلك فإن عدد الانعكاسات الصادرة منها تكون أكثر كثيراً من تلك الصادرة من الجزيئات صغيرة.

وعلى الرغم من ذلك فإن الطرق الإحصائية (الطرق المباشرة) التي تستخدم في حالة الجزيئات الصغيرة لا يمكن بصفة عامة استخدامها في حالة الجزيئات الكبيرة لأن القياسات التي نحصل عليها لشدة الانعكاسات لا تصل لحدود التفريق بين الذرات (atomic resolution) بالإضافة إلى ذلك فإنه يصعب التغلب على مشكلة الأطوال بطريقة باترسون حيث إن خريطة المتجهات في حالة الجزيئات الكبيرة تحتوي على قمم كثيرة (²N) حيث N هو عدد الذرات.

معظم الجزيئات البيولوجية تم تعيين تركيبها باستخدام طريقة الاستبدال المتشاكل البروتينات والأحماض النووية تتبلور بكميات كبيرة من الماء (30–90%) في الوحدة البنائية وبذلك توجد قنوات مائية في البلورات، وهذه القنوات تعمل كطرق يمكن أن يمر خلالها محاليل من مركبات تحتوي على ذرات ثقيلة يمكن أن تنتشر وتتفاعل مع السلاسل الجانبية على سطح البروتين وإذا اتصلت الذرات الثقيلة بالجزيئات الكبيرة في أماكن محددة تكون ثابتة هي نفسها من وحدة بنائية لأخرى فإن التغيير في شدة الانعكاسات نتيجة إضافة هذه الذرات الثقيلة سيظهر في شكل الحيود. وعلى هذا فإن طريقة الاستبدال المتشاكل يمكن أن تستخدم لاستنباط الأطوار للجزيء الأصلي.

إن التشاكل isomorphism بين تركيب الجزيء الكبير الأصلي والبلورات التي تتخللها الذرات الثقيلة هي أساس هذه الطريقة في هذه الحالة يفترض أن ذرات المعدن الثقيل حلت محل مجموعة من الذرات الخفيفة مثل جزيئات بعض المذيبات ولكي تكون الطريقة مؤثرة فإنه يلزم تحضير عدة مشتقات تحتوي على ذرات ثقيلة مختلفة تلتحق بمواقع مختلفة في البروتين.

وحيث إن قيمة المعامل التركيبي F_P تعتمد على أوضاع وقدرة كل ذرة في الوحدة البنائية على التشتيت وإذا تغيرت إحدى الذرات أو أضيفت ذرة جديدة ولم تحدث تغييرا في تركيب البلورة فإن قيمة جديدة لمعاملات التركيب F_PH نحصل عليها بعملية جمع المتجهات كالآتي:

حيث تمثل P المركب الأصلي، H تمثل الذرة التي تم تغييرها (تغيير أو إضافة لذرة ثقيلة على سبيل المثال) PH هو المركب المتشاكل الآخر أي أنه المركب المحتوي على الذرة الثقيلة وكل معامل من معاملي التركيب له زاوية طور وقيمة عددية (سعة) والقيمة العددية لهما يمكن قياسها |F_b| و|F_PH| كما يمكن تحديد موقع الذرة الثقيلة من حساب دالة لباترسون تكون معاملاتها ²||F_P| – |F_PH|| وتحليل الخرائط الخاصة بها التي تمثل في هذه الحالة متجهات بين الذرات الثقيلة يمكن منها حساب مواقع الذرات.

وبالتالي يمكن حساب F_H بكمياتها العددية وأطوارها ويمكن كتابة المعادلة (78-8) كالآتي:

وحيث إن كلا من F_H، |F_H|، |F_PH| أصبحت كميات معروفة فإنه يمكن البدء في استنباط زاوية الطور α(hkl) للجزيء الأصلي (native) وإذا كان يوجد مشتق واحد يحتوي على ذرة ثقيلة فإنه سيحدث التباس في تعيين قيمة (hkl)α؛ ولذلك يلزم وجود مشتقين على الأقل يحتويان على ذرات ثقيلة حتى يمكن تعيين (hkl)α خاصة في حالة الجزيئات الحيوية التي تتبلور في مجموعات فراغية لا تحتوي على مراكز تماثل.