Determinação da Estrutura Biomolecular

Como as formas de resolução atómica de proteínas e ácidos nucleicos são obtidas, através da difração, dispersão ou imagem das moléculas e da reconstrução de um modelo a partir do sinal.

Definition

A determinação da estrutura biomolecular é o conjunto de métodos experimentais que fornecem as coordenadas atómicas tridimensionais de macromoléculas biológicas a partir de dados de difração, ressonância ou imagem.

Scope

Este tópico aborda a base física dos principais métodos de determinação de estrutura — cristalografia de raios-X, ressonância magnética nuclear e crio-microscopia eletrónica — a nível conceptual: qual a quantidade física que cada um mede, que amostra e que limitação cada um implica, e como um modelo tridimensional é construído a partir dos dados. A instrumentação detalhada pertence à área das técnicas biofísicas; aqui o foco é a lógica de passar da experiência para a estrutura.

Core questions

• Que sinal físico cada método principal mede e como ele codifica a estrutura?
• Por que a cristalografia, RMN e crio-EM são adequadas para diferentes moléculas e condições?
• O que define a resolução alcançável de uma estrutura?
• Como um modelo atómico é ajustado e validado em relação aos dados experimentais?

Key theories

Difração e o problema da fase

O padrão de difração de um cristal fornece as amplitudes das ondas dispersas, mas não as suas fases; recuperar as fases é o obstáculo central, e uma vez resolvido, produz um mapa de densidade eletrónica no qual um modelo é construído.

Reconstrução de partícula única

A crio-EM regista muitas projeções bidimensionais ruidosas de partículas idênticas em orientações aleatórias e as combina computacionalmente numa densidade tridimensional, uma abordagem cuja resolução melhorou dramaticamente com os detetores diretos.

Mechanisms

Em cristalografia, os raios-X dispersam-se dos eletrões ordenados de um cristal, e as intensidades medidas — após a recuperação das fases — são transformadas por Fourier num mapa de densidade eletrónica. Em RMN, as frequências de ressonância e os acoplamentos através do espaço dos núcleos reportam distâncias interatómicas que restringem a estrutura em solução. Em crio-EM, os eletrões dispersam-se de partículas únicas ultracongeladas cujas muitas imagens de projeção são alinhadas e calculadas em média numa densidade. Em todos os casos, um modelo atómico é refinado para se ajustar aos dados e avaliado por estatísticas de concordância e validação estereoquímica.

Clinical relevance

As estruturas determinadas de alvos de fármacos e macromoléculas associadas a doenças sustentam o desenho de fármacos baseado na estrutura e a interpretação de mutações; os métodos aqui fornecem a base educacional para esse trabalho sem oferecer recomendações clínicas.

History

A análise de raios-X forneceu as primeiras estruturas de proteínas, mioglobina e hemoglobina, no final da década de 1950; a RMN em solução estendeu a determinação de estrutura a moléculas no seu estado nativo a partir da década de 1980; e a revolução da resolução da crio-EM na década de 2010, possibilitada por detetores de eletrões diretos, tornou rotineiras as estruturas quase atómicas de grandes complexos.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

Por que o problema da fase é importante em cristalografia?

Um experimento de difração regista intensidades, que fornecem amplitudes de onda, mas perdem as fases; sem as fases, o mapa de densidade eletrónica não pode ser calculado, então recuperá-las é essencial para resolver uma estrutura.

Uma única estrutura capta como uma molécula se move?

Não totalmente; a maioria dos métodos produz uma estrutura ou conjunto representativo, e capturar o movimento requer medições dinâmicas adicionais, razão pela qual os estudos estruturais e dinâmicos são complementares.