Biomolekulák röntgenkrisztallográfiája

Hogyan alakul át egy biomolekula kristályának röntgendiffrakciója elektronsűrűség-térképpé, majd abból atomi modellé.

Definition

A biomolekulák röntgenkrisztallográfiája az atomi szerkezet meghatározása röntgensugarak kristályról való diffrakciójának mérésével és az ismétlődő egység elektronsűrűségének rekonstruálásával.

Scope

Ez a téma a makromolekuláris röntgenkrisztallográfia munkafolyamatát és fizikáját tárgyalja: a kristályosítást, a diffrakciós kísérletet, a központi fázisproblémát és annak megoldását, valamint az atomi modell felépítését és finomítását. Mélyrehatóan mutatja be a módszert, mint az atomi szerkezetek történelmileg domináns útját, kiegészítve a szélesebb körű szerkezetmeghatározási témát és a krio-elektronmikroszkópia (krio-EM) témát.

Core questions

• Miért kell a molekulát kristályosítani, és mit biztosít a kristály?
• Hogyan kódolja a diffrakciós kép a szerkezetet?
• Mi a fázisprobléma, és hogyan oldható meg?
• Hogyan épül fel és finomodik egy atomi modell az adatok alapján?

Key theories

Diffrakció mint Fourier-transzformáció

Egy kristály diffrakciós képe az elektronsűrűségének Fourier-transzformáltja, így a reflexiók mérése és fázisaik visszanyerése lehetővé teszi a sűrűség – és ezáltal a szerkezet – inverz transzformációval történő kiszámítását.

A fázisprobléma megoldása

Mivel a kísérletek az intenzitásokat, de nem a fázisokat rögzítik, a fázisokat külön kell meghatározni – nehézatomos módszerekkel, anomális szóródással vagy egy kapcsolódó ismert szerkezeten keresztül – mielőtt értelmezhető elektronsűrűség-térkép készíthető.

Mechanisms

Egy tisztított makromolekulát rendezett kristályba kényszerítenek, amely felerősíti az egyes molekulák gyenge szóródását mérhető diffrakcióvá. A röntgensugarak a kristály elektronjairól szóródnak, és a rögzített reflexiós intenzitások megadják a szerkezet Fourier-komponenseinek amplitúdóit, de elveszítik a fázisaikat. A fázisokat nehéz atomok bevezetésével, anomális szóródás kihasználásával vagy homológ modell alkalmazásával nyerik vissza, ami után elektronsűrűség-térképet számítanak, az atomok modelljét beillesztik a sűrűségbe, és a modellt finomítják az adatokkal és a sztereokémiával való egyezés optimalizálása érdekében.

Clinical relevance

A krisztallográfia biztosítja a szerkezetalapú gyógyszertervezésben és a betegséget okozó mutációk értelmezésében használt szerkezeteket, oktatási és módszertani alapot nyújtva, nem pedig klinikai útmutatást.

History

A Bragg-ek krisztallográfia alapítására és Hodgkin kis biomolekuláinak szerkezeteire építve Kendrew és Perutz oldották meg az első fehérjeszerkezeteket az 1950-es évek végén, ezzel évtizedekre megalapozva a makromolekuláris krisztallográfiát mint az atomi felbontású biológia elsődleges forrását.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Miért van szükség kristályra?

Egyetlen molekula túl gyengén szórja a röntgensugarakat ahhoz, hogy mérhető legyen; egy kristály sok azonos molekulát tartalmaz szabályos elrendezésben, amelyek felerősítik a szóródást mérhető diffrakciós képpé.

Mit jelent egy kristályszerkezet felbontása?

Azt tükrözi, hogy a diffrakciós képen meddig terjednek a használható adatok, és így milyen finoman oldható fel az elektronsűrűség – és az atomi pozíciók; a nagyobb felbontás több részletet jelent.