Röntgenkristallografie van biomoleculen

Hoe de diffractie van röntgenstralen door een kristal van een biomolecuul wordt omgezet in een elektrondichtheidskaart en, daaruit, een atomair model.

Definition

Röntgenkristallografie van biomoleculen is de bepaling van de atomaire structuur door de diffractie van röntgenstralen van een kristal te meten en de elektrondichtheid van de herhalende eenheid te reconstrueren.

Scope

Dit onderwerp behandelt de workflow en de fysica van macromoleculaire röntgenkristallografie: kristallisatie, het diffractie-experiment, het centrale faseprobleem en de oplossing ervan, en de constructie en verfijning van een atomair model. Het behandelt de methode diepgaand als de historisch dominante route naar atomaire structuren, ter aanvulling op het bredere onderwerp van structuurbepaling en het cryo-EM-onderwerp.

Core questions

• Waarom moet het molecuul gekristalliseerd worden, en wat levert het kristal op?
• Hoe codeert een diffractiepatroon de structuur?
• Wat is het faseprobleem, en hoe wordt het opgelost?
• Hoe wordt een atomair model in de data ingebouwd en hieraan verfijnd?

Key theories

Diffractie als Fourier-transformatie

Het diffractiepatroon van een kristal is de Fourier-transformatie van zijn elektrondichtheid; het meten van de reflecties en het herstellen van hun fasen maakt het mogelijk de dichtheid – en daarmee de structuur – te berekenen door middel van inverse transformatie.

Het faseprobleem oplossen

Omdat experimenten intensiteiten registreren maar geen fasen, moeten de fasen afzonderlijk worden verkregen – via zware-atoommethoden, anomale verstrooiing of een gerelateerde bekende structuur – voordat een interpreteerbare elektrondichtheidskaart kan worden geproduceerd.

Mechanisms

Een gezuiverd macromolecuul wordt tot een geordend kristal gebracht, wat de zwakke verstrooiing van individuele moleculen versterkt tot meetbare diffractie. Röntgenstralen verstrooien van de elektronen van het kristal, en de geregistreerde reflectie-intensiteiten geven de amplitudes van de Fourier-componenten van de structuur, maar verliezen hun fasen. De fasen worden hersteld door zware atomen te introduceren, anomale verstrooiing te benutten, of een homoloog model te gebruiken, waarna een elektrondichtheidskaart wordt berekend, een model van de atomen in de dichtheid wordt ingebouwd, en het model wordt verfijnd om de overeenstemming met de data en stereochemie te optimaliseren.

Clinical relevance

Kristallografie levert de structuren die worden gebruikt in rationeel geneesmiddelontwerp en bij de interpretatie van ziektegerelateerde mutaties, en biedt educatieve en methodologische basiskennis in plaats van klinische richtlijnen.

History

Voortbouwend op de grondlegging van de kristallografie door de Braggs en Hodgkin's structuren van kleine biomoleculen, losten Kendrew en Perutz de eerste eiwitstructuren op in de late jaren 1950, waarmee macromoleculaire kristallografie decennialang de belangrijkste bron van atomaire-resolutiebiologie werd.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Waarom is een kristal nodig?

Een enkel molecuul verstrooit röntgenstralen veel te zwak om te meten; een kristal bevat veel identieke moleculen in een regelmatig rooster die de verstrooiing versterken tot een meetbaar diffractiepatroon.

Wat betekent de resolutie van een kristalstructuur?

Het weerspiegelt hoe ver bruikbare data zich uitstrekken in het diffractiepatroon, en dus hoe fijn de elektrondichtheid – en de atomaire posities – kunnen worden opgelost; een hogere resolutie betekent meer detail.