Cristallografia a raggi X di biomolecole

Come la diffrazione dei raggi X da parte di un cristallo di una biomolecola viene trasformata in una mappa di densità elettronica e, da essa, in un modello atomico.

Definition

La cristallografia a raggi X di biomolecole è la determinazione della struttura atomica misurando la diffrazione dei raggi X da un cristallo e ricostruendo la densità elettronica dell'unità ripetitiva.

Scope

Questo argomento copre il flusso di lavoro e la fisica della cristallografia macromolecolare a raggi X: cristallizzazione, esperimento di diffrazione, il problema centrale della fase e come viene risolto, e la costruzione e il raffinamento di un modello atomico. Tratta il metodo in profondità come la via storicamente dominante per le strutture atomiche, complementando l'argomento più ampio della determinazione della struttura e l'argomento della crio-EM.

Core questions

• Perché la molecola deve essere cristallizzata e cosa fornisce il cristallo?
• Come un modello di diffrazione codifica la struttura?
• Che cos'è il problema della fase e come viene risolto?
• Come viene costruito e raffinato un modello atomico rispetto ai dati?

Key theories

Diffrazione come trasformata di Fourier

Il modello di diffrazione di un cristallo è la trasformata di Fourier della sua densità elettronica, quindi misurare le riflessioni e recuperare le loro fasi permette di calcolare la densità—e quindi la struttura—tramite trasformata inversa.

Risolvere il problema della fase

Poiché gli esperimenti registrano le intensità ma non le fasi, le fasi devono essere ottenute separatamente—attraverso metodi con atomi pesanti, scattering anomalo o una struttura nota correlata—prima che possa essere prodotta una mappa di densità elettronica interpretabile.

Mechanisms

Una macromolecola purificata viene indotta a formare un cristallo ordinato, che amplifica il debole scattering delle singole molecole in una diffrazione misurabile. I raggi X si disperdono dagli elettroni del cristallo, e le intensità di riflessione registrate danno le ampiezze delle componenti di Fourier della struttura ma perdono le loro fasi. Le fasi vengono recuperate introducendo atomi pesanti, sfruttando lo scattering anomalo o utilizzando un modello omologo, dopodiché viene calcolata una mappa di densità elettronica, un modello degli atomi viene costruito nella densità, e il modello viene raffinato per ottimizzare l'accordo con i dati e la stereochimica.

Clinical relevance

La cristallografia fornisce le strutture utilizzate nella progettazione di farmaci basata sulla struttura e nell'interpretazione delle mutazioni di malattie, fornendo una base educativa e metodologica piuttosto che una guida clinica.

History

Basandosi sulla fondazione della cristallografia da parte dei Bragg e sulle strutture di piccole biomolecole di Hodgkin, Kendrew e Perutz risolsero le prime strutture proteiche alla fine degli anni '50, stabilendo la cristallografia macromolecolare come la principale fonte di biologia a risoluzione atomica per decenni.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Perché è necessario un cristallo?

Una singola molecola disperde i raggi X troppo debolmente per essere misurata; un cristallo contiene molte molecole identiche in una disposizione regolare che rafforzano lo scattering in un modello di diffrazione misurabile.

Cosa significa la risoluzione di una struttura cristallina?

Riflette quanto lontano nel modello di diffrazione si estendono i dati utilizzabili, e quindi quanto finemente la densità elettronica—e le posizioni atomiche—possono essere risolte; una risoluzione più alta significa più dettagli.