Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ βιομορίων

Πώς η περίθλαση ακτίνων Χ από έναν κρύσταλλο ενός βιομορίου μετατρέπεται σε χάρτη ηλεκτρονικής πυκνότητας και, από αυτόν, σε ατομικό μοντέλο.

Definition

Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ βιομορίων είναι ο προσδιορισμός της ατομικής δομής με τη μέτρηση της περίθλασης ακτίνων Χ από έναν κρύσταλλο και την ανακατασκευή της ηλεκτρονικής πυκνότητας της επαναλαμβανόμενης μονάδας.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τη ροή εργασίας και τη φυσική της μακρομοριακής κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ: την κρυστάλλωση, το πείραμα περίθλασης, το κεντρικό πρόβλημα φάσης και πώς επιλύεται, καθώς και την κατασκευή και διύλιση ενός ατομικού μοντέλου. Αντιμετωπίζει τη μέθοδο σε βάθος ως την ιστορικά κυρίαρχη οδό προς τις ατομικές δομές, συμπληρώνοντας το ευρύτερο θέμα του προσδιορισμού δομής και το θέμα της κρυο-Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (cryo-EM).

Core questions

• Γιατί πρέπει το μόριο να κρυσταλλωθεί, και τι παρέχει ο κρύσταλλος;
• Πώς ένα πρότυπο περίθλασης κωδικοποιεί τη δομή;
• Τι είναι το πρόβλημα φάσης, και πώς επιλύεται;
• Πώς ένα ατομικό μοντέλο κατασκευάζεται και διυλίζεται έναντι των δεδομένων;

Key theories

Περίθλαση ως μετασχηματισμός Fourier

Το πρότυπο περίθλασης ενός κρυστάλλου είναι ο μετασχηματισμός Fourier της ηλεκτρονικής του πυκνότητας, οπότε η μέτρηση των ανακλάσεων και η ανάκτηση των φάσεών τους επιτρέπει στην πυκνότητα —και συνεπώς στη δομή— να υπολογιστεί με αντίστροφο μετασχηματισμό.

Επίλυση του προβλήματος φάσης

Επειδή τα πειράματα καταγράφουν εντάσεις αλλά όχι φάσεις, οι φάσεις πρέπει να ληφθούν ξεχωριστά —μέσω μεθόδων βαρέων ατόμων, ανώμαλης σκέδασης ή μιας σχετικής γνωστής δομής— προτού παραχθεί ένας ερμηνεύσιμος χάρτης ηλεκτρονικής πυκνότητας.

Mechanisms

Ένα καθαρισμένο μακρομόριο ωθείται σε έναν διατεταγμένο κρύσταλλο, ο οποίος ενισχύει την ασθενή σκέδαση μεμονωμένων μορίων σε μετρήσιμη περίθλαση. Οι ακτίνες Χ σκεδάζονται από τα ηλεκτρόνια του κρυστάλλου, και οι καταγεγραμμένες εντάσεις ανάκλασης δίνουν τα πλάτη των συνιστωσών Fourier της δομής αλλά χάνουν τις φάσεις τους. Οι φάσεις ανακτώνται με την εισαγωγή βαρέων ατόμων, την εκμετάλλευση της ανώμαλης σκέδασης ή τη χρήση ενός ομόλογου μοντέλου, μετά την οποία υπολογίζεται ένας χάρτης ηλεκτρονικής πυκνότητας, κατασκευάζεται ένα μοντέλο των ατόμων στην πυκνότητα, και το μοντέλο διυλίζεται για να βελτιστοποιηθεί η συμφωνία με τα δεδομένα και τη στερεοχημεία.

Clinical relevance

Η κρυσταλλογραφία παρέχει τις δομές που χρησιμοποιούνται στον δομικά βασισμένο σχεδιασμό φαρμάκων και στην ερμηνεία μεταλλάξεων ασθενειών, παρέχοντας εκπαιδευτική και μεθοδολογική βάση και όχι κλινική καθοδήγηση.

History

Βασιζόμενοι στην ίδρυση της κρυσταλλογραφίας από τους Braggs και στις δομές μικρών βιομορίων από την Hodgkin, οι Kendrew και Perutz έλυσαν τις πρώτες δομές πρωτεϊνών στα τέλη της δεκαετίας του 1950, καθιερώνοντας τη μακρομοριακή κρυσταλλογραφία ως την κύρια πηγή βιολογίας ατομικής ανάλυσης για δεκαετίες.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Γιατί χρειάζεστε έναν κρύσταλλο;

Ένα μόνο μόριο σκεδάζει τις ακτίνες Χ πολύ ασθενώς για να μετρηθεί· ένας κρύσταλλος περιέχει πολλά πανομοιότυπα μόρια σε μια κανονική διάταξη που ενισχύουν τη σκέδαση σε ένα μετρήσιμο πρότυπο περίθλασης.

Τι σημαίνει η ανάλυση μιας κρυσταλλικής δομής;

Αντικατοπτρίζει πόσο μακριά στο πρότυπο περίθλασης εκτείνονται τα χρήσιμα δεδομένα, και συνεπώς πόσο λεπτομερώς μπορούν να επιλυθούν η ηλεκτρονική πυκνότητα —και οι ατομικές θέσεις—· υψηλότερη ανάλυση σημαίνει περισσότερη λεπτομέρεια.