Cristalografia de Raios-X de Biomoléculas

Como a difração de raios-X por um cristal de uma biomolécula é transformada em um mapa de densidade eletrônica e, a partir dele, em um modelo atômico.

Definition

A cristalografia de raios-X de biomoléculas é a determinação da estrutura atômica pela medição da difração de raios-X de um cristal e a reconstrução da densidade eletrônica da unidade repetitiva.

Scope

Este tópico abrange o fluxo de trabalho e a física da cristalografia de raios-X macromolecular: cristalização, o experimento de difração, o problema central da fase e como ele é resolvido, e a construção e refinamento de um modelo atômico. Ele trata o método em profundidade como a rota historicamente dominante para estruturas atômicas, complementando o tópico mais amplo de determinação de estrutura e o tópico de crio-EM.

Core questions

• Por que a molécula deve ser cristalizada e o que o cristal fornece?
• Como um padrão de difração codifica a estrutura?
• O que é o problema da fase e como ele é resolvido?
• Como um modelo atômico é construído e refinado contra os dados?

Key theories

Difração como uma transformada de Fourier

O padrão de difração de um cristal é a transformada de Fourier de sua densidade eletrônica, então medir as reflexões e recuperar suas fases permite que a densidade — e, portanto, a estrutura — seja calculada por transformada inversa.

Resolvendo o problema da fase

Como os experimentos registram intensidades, mas não fases, as fases devem ser obtidas separadamente — por meio de métodos de átomos pesados, dispersão anômala ou uma estrutura conhecida relacionada — antes que um mapa de densidade eletrônica interpretável possa ser produzido.

Mechanisms

Uma macromolécula purificada é induzida a formar um cristal ordenado, que amplifica a fraca dispersão de moléculas únicas em uma difração mensurável. Os raios-X se dispersam dos elétrons do cristal, e as intensidades de reflexão registradas fornecem as amplitudes dos componentes de Fourier da estrutura, mas perdem suas fases. As fases são recuperadas introduzindo átomos pesados, explorando a dispersão anômala ou usando um modelo homólogo, após o que um mapa de densidade eletrônica é calculado, um modelo dos átomos é construído na densidade, e o modelo é refinado para otimizar a concordância com os dados e a estereoquímica.

Clinical relevance

A cristalografia fornece as estruturas usadas no design de medicamentos baseado em estrutura e na interpretação de mutações de doenças, oferecendo uma base educacional e metodológica em vez de orientação clínica.

History

Com base na fundação da cristalografia pelos Braggs e nas estruturas de pequenas biomoléculas de Hodgkin, Kendrew e Perutz resolveram as primeiras estruturas de proteínas no final da década de 1950, estabelecendo a cristalografia macromolecular como a principal fonte de biologia de resolução atômica por décadas.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Por que é necessário um cristal?

Uma única molécula dispersa raios-X de forma muito fraca para ser medida; um cristal contém muitas moléculas idênticas em uma matriz regular que reforçam a dispersão em um padrão de difração mensurável.

O que significa a resolução de uma estrutura cristalina?

Reflete o quão longe no padrão de difração os dados utilizáveis se estendem, e assim quão finamente a densidade eletrônica — e as posições atômicas — podem ser resolvidas; maior resolução significa mais detalhes.