Röntgenkristallographie von Biomolekülen

Wie die Röntgenbeugung durch einen Biomolekülkristall in eine Elektronendichtekarte und daraus in ein Atommodell umgewandelt wird.

Definition

Die Röntgenkristallographie von Biomolekülen ist die Bestimmung der atomaren Struktur durch Messung der Röntgenbeugung an einem Kristall und die Rekonstruktion der Elektronendichte der sich wiederholenden Einheit.

Scope

Dieses Thema behandelt den Arbeitsablauf und die Physik der makromolekularen Röntgenkristallographie: Kristallisation, das Beugungsexperiment, das zentrale Phasenproblem und dessen Lösung sowie die Konstruktion und Verfeinerung eines Atommodells. Es behandelt die Methode ausführlich als den historisch dominierenden Weg zu atomaren Strukturen und ergänzt das umfassendere Thema der Strukturbestimmung sowie das Thema Kryo-EM.

Core questions

• Warum muss das Molekül kristallisiert werden, und was liefert der Kristall?
• Wie kodiert ein Beugungsmuster die Struktur?
• Was ist das Phasenproblem, und wie wird es gelöst?
• Wie wird ein Atommodell in die Daten eingebaut und daran verfeinert?

Key theories

Beugung als Fourier-Transformation

Das Beugungsmuster eines Kristalls ist die Fourier-Transformation seiner Elektronendichte, sodass die Messung der Reflexionen und die Wiederherstellung ihrer Phasen die Berechnung der Dichte – und damit der Struktur – durch inverse Transformation ermöglicht.

Lösung des Phasenproblems

Da Experimente Intensitäten, aber keine Phasen aufzeichnen, müssen die Phasen separat – durch Schweratommethoden, anomale Streuung oder eine verwandte bekannte Struktur – gewonnen werden, bevor eine interpretierbare Elektronendichtekarte erstellt werden kann.

Mechanisms

Ein gereinigtes Makromolekül wird zu einem geordneten Kristall gebracht, der die schwache Streuung einzelner Moleküle zu einer messbaren Beugung verstärkt. Röntgenstrahlen streuen an den Elektronen des Kristalls, und die aufgezeichneten Reflexionsintensitäten geben die Amplituden der Fourier-Komponenten der Struktur wieder, verlieren jedoch deren Phasen. Die Phasen werden durch die Einführung von Schweratomen, die Ausnutzung anomaler Streuung oder die Verwendung eines homologen Modells wiederhergestellt, wonach eine Elektronendichtekarte berechnet, ein Atommodell in die Dichte eingebaut und das Modell verfeinert wird, um die Übereinstimmung mit den Daten und der Stereochemie zu optimieren.

Clinical relevance

Die Kristallographie liefert die Strukturen, die im strukturbasierten Wirkstoffdesign und bei der Interpretation von Krankheitsmutationen verwendet werden, und bietet eine pädagogische und methodische Grundlage anstelle einer klinischen Anleitung.

History

Aufbauend auf der Begründung der Kristallographie durch die Braggs und Hodgkins Strukturen kleiner Biomoleküle lösten Kendrew und Perutz Ende der 1950er Jahre die ersten Proteinstrukturen und etablierten die makromolekulare Kristallographie für Jahrzehnte als die Hauptquelle für Biologie mit atomarer Auflösung.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Dorothy Hodgkin
• William Lawrence Bragg

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Warum benötigt man einen Kristall?

Ein einzelnes Molekül streut Röntgenstrahlen viel zu schwach, um messbar zu sein; ein Kristall enthält viele identische Moleküle in einer regelmäßigen Anordnung, die die Streuung zu einem messbaren Beugungsmuster verstärken.

Was bedeutet die Auflösung einer Kristallstruktur?

Sie spiegelt wider, wie weit in das Beugungsmuster hinein nutzbare Daten reichen und somit, wie fein die Elektronendichte – und die atomaren Positionen – aufgelöst werden können; eine höhere Auflösung bedeutet mehr Details.