بلورنگاری پرتو ایکس مولکول‌های زیستی

چگونگی تبدیل پراش پرتو ایکس توسط بلور یک مولکول زیستی به نقشه چگالی الکترونی و از آن به یک مدل اتمی.

Definition

بلورنگاری پرتو ایکس مولکول‌های زیستی، تعیین ساختار اتمی از طریق اندازه‌گیری پراش پرتو ایکس از یک بلور و بازسازی چگالی الکترونی واحد تکرارشونده است.

Scope

این موضوع به گردش کار و فیزیک بلورنگاری پرتو ایکس ماکرومولکولی می‌پردازد: بلورسازی، آزمایش پراش، مسئله مرکزی فاز و چگونگی حل آن، و ساخت و پالایش یک مدل اتمی. این روش را به عنوان مسیر غالب تاریخی برای دستیابی به ساختارهای اتمی به تفصیل بررسی می‌کند و مکمل موضوع گسترده‌تر تعیین ساختار و موضوع کرایو-EM است.

Core questions

• چرا مولکول باید بلوری شود و بلور چه چیزی را فراهم می‌کند؟
• چگونه یک الگوی پراش ساختار را کدگذاری می‌کند؟
• مسئله فاز چیست و چگونه حل می‌شود؟
• چگونه یک مدل اتمی در داده‌ها ساخته و در برابر آن‌ها پالایش می‌شود؟

Key theories

پراش به عنوان تبدیل فوریه

الگوی پراش یک بلور، تبدیل فوریه چگالی الکترونی آن است، بنابراین اندازه‌گیری بازتاب‌ها و بازیابی فازهای آن‌ها امکان محاسبه چگالی—و در نتیجه ساختار—را از طریق تبدیل معکوس فراهم می‌کند.

حل مسئله فاز

از آنجا که آزمایش‌ها شدت‌ها را ثبت می‌کنند اما فازها را نه، فازها باید به طور جداگانه—از طریق روش‌های اتم سنگین، پراکندگی ناهنجار، یا یک ساختار شناخته‌شده مرتبط—به دست آیند، قبل از اینکه یک نقشه چگالی الکترونی قابل تفسیر تولید شود.

Mechanisms

یک ماکرومولکول خالص‌شده به یک بلور منظم تبدیل می‌شود که پراکندگی ضعیف مولکول‌های منفرد را به پراش قابل اندازه‌گیری تقویت می‌کند. پرتوهای ایکس از الکترون‌های بلور پراکنده می‌شوند و شدت‌های بازتابی ثبت‌شده، دامنه‌های مؤلفه‌های فوریه ساختار را نشان می‌دهند اما فازهای آن‌ها را از دست می‌دهند. فازها با وارد کردن اتم‌های سنگین، بهره‌برداری از پراکندگی ناهنجار، یا استفاده از یک مدل همولوگ بازیابی می‌شوند، پس از آن یک نقشه چگالی الکترونی محاسبه می‌شود، مدلی از اتم‌ها در این چگالی ساخته می‌شود، و مدل برای بهینه‌سازی تطابق با داده‌ها و استریوشیمی پالایش می‌شود.

Clinical relevance

بلورنگاری ساختارهایی را فراهم می‌کند که در طراحی دارو بر اساس ساختار و در تفسیر جهش‌های بیماری‌زا استفاده می‌شوند و به جای راهنمایی بالینی، مبانی آموزشی و روش‌شناختی را ارائه می‌دهد.

History

بر اساس بنیان‌گذاری بلورنگاری توسط براگ‌ها و ساختارهای مولکول‌های زیستی کوچک توسط هاجکین، کندرو و پروتز اولین ساختارهای پروتئینی را در اواخر دهه ۱۹۵۰ حل کردند و بلورنگاری ماکرومولکولی را برای دهه‌ها به عنوان منبع اصلی زیست‌شناسی با وضوح اتمی تثبیت کردند.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

چرا به بلور نیاز دارید؟

یک مولکول منفرد پرتوهای ایکس را بسیار ضعیف‌تر از آن پراکنده می‌کند که قابل اندازه‌گیری باشد؛ یک بلور حاوی مولکول‌های یکسان زیادی در یک آرایه منظم است که پراکندگی را به یک الگوی پراش قابل اندازه‌گیری تقویت می‌کند.

وضوح یک ساختار بلوری به چه معناست؟

این نشان می‌دهد که داده‌های قابل استفاده تا چه حد در الگوی پراش گسترش می‌یابند و بنابراین چگالی الکترونی—و موقعیت‌های اتمی—با چه دقتی قابل تفکیک هستند؛ وضوح بالاتر به معنای جزئیات بیشتر است.