Penentuan Struktur Biomolekuler

Bagaimana bentuk protein dan asam nukleat pada resolusi atom diperoleh, dengan mendifraksi, menghamburkan, atau mengimajinasikan molekul dan merekonstruksi model dari sinyal.

Definition

Penentuan struktur biomolekuler adalah serangkaian metode eksperimental yang menghasilkan koordinat atom tiga dimensi makromolekul biologis dari data difraksi, resonansi, atau pencitraan.

Scope

Topik ini mengkaji dasar fisik dari metode penentuan struktur utama—kristalografi sinar-X, resonansi magnetik nuklir, dan mikroskopi krioelektron—pada tingkat konseptual: kuantitas fisik apa yang diukur oleh masing-masing metode, sampel apa dan batasan apa yang melekat pada masing-masing metode, dan bagaimana model tiga dimensi dibangun dari data. Instrumentasi rinci termasuk dalam area teknik biofisika; di sini fokusnya adalah logika dari eksperimen menuju struktur.

Core questions

• Sinyal fisik apa yang diukur oleh setiap metode utama, dan bagaimana sinyal tersebut mengkodekan struktur?
• Mengapa kristalografi, NMR, dan cryo-EM cocok untuk molekul dan kondisi yang berbeda?
• Apa yang menentukan resolusi yang dapat dicapai dari suatu struktur?
• Bagaimana model atom disesuaikan dan divalidasi terhadap data eksperimen?

Key theories

Difraksi dan masalah fase

Pola difraksi kristal memberikan amplitudo gelombang yang dihamburkan tetapi bukan fasenya; memulihkan fase adalah hambatan utama, dan setelah terpecahkan akan menghasilkan peta kerapatan elektron tempat model dibangun.

Rekonstruksi partikel tunggal

Cryo-EM merekam banyak proyeksi dua dimensi yang bising dari partikel identik dalam orientasi acak dan menggabungkannya secara komputasi menjadi kerapatan tiga dimensi, sebuah pendekatan yang resolusinya meningkat secara dramatis dengan detektor langsung.

Mechanisms

Dalam kristalografi, sinar-X dihamburkan dari elektron-elektron teratur suatu kristal, dan intensitas terukur—setelah fase dipulihkan—ditransformasi Fourier menjadi peta kerapatan elektron. Dalam NMR, frekuensi resonansi dan kopling antar-ruang inti melaporkan jarak interatomik yang membatasi struktur dalam larutan. Dalam krioelektron mikroskopi (cryo-EM), elektron dihamburkan dari partikel tunggal yang dibekukan secara cepat, di mana banyak citra proyeksi diselaraskan dan dirata-ratakan menjadi suatu kerapatan. Dalam setiap kasus, model atom disempurnakan agar sesuai dengan data dan dinilai berdasarkan statistik kesesuaian dan validasi stereokimia.

Clinical relevance

Struktur target obat dan makromolekul terkait penyakit yang telah ditentukan menjadi dasar desain obat berbasis struktur dan interpretasi mutasi; metode-metode di sini memberikan latar belakang pendidikan untuk pekerjaan tersebut tanpa menawarkan rekomendasi klinis.

History

Analisis sinar-X menghasilkan struktur protein pertama, mioglobin dan hemoglobin, pada akhir tahun 1950-an; NMR larutan memperluas penentuan struktur ke molekul dalam keadaan aslinya mulai tahun 1980-an; dan revolusi resolusi cryo-EM pada tahun 2010-an, yang dimungkinkan oleh detektor elektron langsung, membuat struktur mendekati atom dari kompleks besar menjadi rutin.

Key figures

• John Kendrew
• Max Perutz
• Kurt Wüthrich
• Richard Henderson

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

Mengapa masalah fase penting dalam kristalografi?

Eksperimen difraksi merekam intensitas, yang memberikan amplitudo gelombang tetapi kehilangan fasenya; tanpa fase, peta kerapatan elektron tidak dapat dihitung, sehingga memulihkannya sangat penting untuk memecahkan suatu struktur.

Apakah satu struktur dapat menangkap bagaimana molekul bergerak?

Tidak sepenuhnya; sebagian besar metode menghasilkan struktur atau ansambel representatif, dan menangkap gerakan memerlukan pengukuran dinamika tambahan, itulah sebabnya studi struktural dan dinamis bersifat saling melengkapi.