Cristallographie aux rayons X des biomolécules

Comment la diffraction des rayons X par un cristal de biomolécule est transformée en une carte de densité électronique et, à partir de celle-ci, en un modèle atomique.

Definition

La cristallographie aux rayons X des biomolécules est la détermination de la structure atomique par la mesure de la diffraction des rayons X d'un cristal et la reconstruction de la densité électronique de l'unité répétitive.

Scope

Ce sujet couvre le processus et les principes physiques de la cristallographie macromoléculaire aux rayons X : la cristallisation, l'expérience de diffraction, le problème central des phases et sa résolution, ainsi que la construction et l'affinement d'un modèle atomique. Il traite la méthode en profondeur comme la voie historiquement dominante vers les structures atomiques, complétant le sujet plus large de la détermination de structure et le sujet de la cryo-EM.

Core questions

• Pourquoi la molécule doit-elle être cristallisée, et qu'apporte le cristal ?
• Comment un diagramme de diffraction encode-t-il la structure ?
• Qu'est-ce que le problème des phases, et comment est-il résolu ?
• Comment un modèle atomique est-il construit et affiné à partir des données ?

Key theories

La diffraction comme transformée de Fourier

Le diagramme de diffraction d'un cristal est la transformée de Fourier de sa densité électronique, ainsi, la mesure des réflexions et la récupération de leurs phases permettent de calculer la densité — et donc la structure — par transformée inverse.

Résolution du problème des phases

Étant donné que les expériences enregistrent les intensités mais pas les phases, les phases doivent être obtenues séparément — par des méthodes d'atomes lourds, la diffusion anomale, ou une structure connue apparentée — avant qu'une carte de densité électronique interprétable puisse être produite.

Mechanisms

Une macromolécule purifiée est amenée à former un cristal ordonné, ce qui amplifie la faible diffusion des molécules individuelles en une diffraction mesurable. Les rayons X diffusent à partir des électrons du cristal, et les intensités de réflexion enregistrées donnent les amplitudes des composantes de Fourier de la structure mais perdent leurs phases. Les phases sont récupérées en introduisant des atomes lourds, en exploitant la diffusion anomale, ou en utilisant un modèle homologue, après quoi une carte de densité électronique est calculée, un modèle des atomes est construit dans la densité, et le modèle est affiné pour optimiser la concordance avec les données et la stéréochimie.

Clinical relevance

La cristallographie fournit les structures utilisées dans la conception de médicaments basée sur la structure et dans l'interprétation des mutations pathogènes, offrant une base éducative et méthodologique plutôt qu'une orientation clinique.

History

S'appuyant sur la fondation de la cristallographie par les Braggs et les structures de petites biomolécules de Hodgkin, Kendrew et Perutz ont résolu les premières structures de protéines à la fin des années 1950, établissant la cristallographie macromoléculaire comme la principale source de biologie à résolution atomique pendant des décennies.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Pourquoi a-t-on besoin d'un cristal ?

Une seule molécule diffuse les rayons X de manière beaucoup trop faible pour être mesurable ; un cristal contient de nombreuses molécules identiques dans un arrangement régulier qui renforcent la diffusion en un diagramme de diffraction mesurable.

Que signifie la résolution d'une structure cristalline ?

Elle reflète jusqu'où les données utilisables s'étendent dans le diagramme de diffraction, et donc avec quelle précision la densité électronique — et les positions atomiques — peuvent être résolues ; une résolution plus élevée signifie plus de détails.