Cristalografía de Rayos X de Biomoléculas

Cómo la difracción de rayos X por un cristal de una biomolécula se convierte en un mapa de densidad electrónica y, a partir de este, en un modelo atómico.

Definition

La cristalografía de rayos X de biomoléculas es la determinación de la estructura atómica mediante la medición de la difracción de rayos X de un cristal y la reconstrucción de la densidad electrónica de la unidad repetitiva.

Scope

Este tema abarca el flujo de trabajo y la física de la cristalografía macromolecular de rayos X: la cristalización, el experimento de difracción, el problema central de la fase y cómo se resuelve, y la construcción y el refinamiento de un modelo atómico. Trata el método en profundidad como la ruta históricamente dominante para obtener estructuras atómicas, complementando el tema más amplio de determinación de estructuras y el tema de crio-EM.

Core questions

• ¿Por qué debe cristalizarse la molécula y qué proporciona el cristal?
• ¿Cómo codifica un patrón de difracción la estructura?
• ¿Qué es el problema de la fase y cómo se resuelve?
• ¿Cómo se construye y refina un modelo atómico a partir de los datos?

Key theories

Difracción como transformada de Fourier

El patrón de difracción de un cristal es la transformada de Fourier de su densidad electrónica, por lo que la medición de las reflexiones y la recuperación de sus fases permiten calcular la densidad —y, por lo tanto, la estructura— mediante la transformada inversa.

Resolución del problema de la fase

Dado que los experimentos registran intensidades pero no fases, estas deben obtenerse por separado —mediante métodos de átomos pesados, dispersión anómala o una estructura conocida relacionada— antes de que se pueda producir un mapa de densidad electrónica interpretable.

Mechanisms

Una macromolécula purificada se induce a formar un cristal ordenado, lo que amplifica la dispersión débil de moléculas individuales en una difracción medible. Los rayos X se dispersan de los electrones del cristal, y las intensidades de reflexión registradas proporcionan las amplitudes de los componentes de Fourier de la estructura, pero pierden sus fases. Las fases se recuperan introduciendo átomos pesados, explotando la dispersión anómala o utilizando un modelo homólogo, después de lo cual se calcula un mapa de densidad electrónica, se construye un modelo de los átomos en la densidad y el modelo se refina para optimizar la concordancia con los datos y la estereoquímica.

Clinical relevance

La cristalografía proporciona las estructuras utilizadas en el diseño de fármacos basado en la estructura y en la interpretación de mutaciones de enfermedades, ofreciendo una base educativa y metodológica en lugar de una guía clínica.

History

Basándose en la fundación de la cristalografía por los Bragg y las estructuras de pequeñas biomoléculas de Hodgkin, Kendrew y Perutz resolvieron las primeras estructuras proteicas a finales de la década de 1950, estableciendo la cristalografía macromolecular como la principal fuente de biología de resolución atómica durante décadas.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

¿Por qué se necesita un cristal?

Una sola molécula dispersa los rayos X de forma demasiado débil para ser medida; un cristal contiene muchas moléculas idénticas en una disposición regular que refuerzan la dispersión en un patrón de difracción medible.

¿Qué significa la resolución de una estructura cristalina?

Refleja hasta dónde se extienden los datos utilizables en el patrón de difracción y, por lo tanto, con qué precisión se puede resolver la densidad electrónica —y las posiciones atómicas—; una mayor resolución significa más detalle.