Определение биомолекулярной структуры

Как получают атомные структуры белков и нуклеиновых кислот путем дифракции, рассеяния или визуализации молекул и реконструкции модели из сигнала.

Definition

Определение биомолекулярной структуры — это совокупность экспериментальных методов, которые позволяют получить трехмерные атомные координаты биологических макромолекул на основе данных дифракции, резонанса или визуализации.

Scope

Эта тема рассматривает физические основы основных методов определения структуры — рентгеновской кристаллографии, ядерного магнитного резонанса и криоэлектронной микроскопии — на концептуальном уровне: какую физическую величину измеряет каждый метод, какие образцы и ограничения он предполагает, и как строится трехмерная модель на основе данных. Детальное описание приборов относится к области биофизических методов; здесь основное внимание уделяется логике перехода от эксперимента к структуре.

Core questions

• Какой физический сигнал измеряет каждый основной метод и как он кодирует структуру?
• Почему кристаллография, ЯМР и крио-ЭМ подходят для разных молекул и условий?
• Что определяет достижимое разрешение структуры?
• Как атомная модель подгоняется к экспериментальным данным и валидируется по ним?

Key theories

Дифракция и фазовая проблема

Дифракционная картина кристалла дает амплитуды рассеянных волн, но не их фазы; восстановление фаз является центральным препятствием, и после его решения получается карта электронной плотности, в которую строится модель.

Реконструкция одиночных частиц

Крио-ЭМ записывает множество зашумленных двумерных проекций идентичных частиц в случайных ориентациях и объединяет их вычислительно в трехмерную плотность, подход, разрешение которого значительно улучшилось с появлением прямых детекторов.

Mechanisms

В кристаллографии рентгеновские лучи рассеиваются упорядоченными электронами кристалла, и измеренные интенсивности — после восстановления фаз — преобразуются Фурье-преобразованием в карту электронной плотности. В ЯМР резонансные частоты и пространственные связи ядер сообщают межатомные расстояния, которые ограничивают структуру в растворе. В крио-ЭМ электроны рассеиваются от быстрозамороженных одиночных частиц, чьи многочисленные проекционные изображения выравниваются и усредняются в плотность. В каждом случае атомная модель уточняется для соответствия данным и оценивается по статистике согласия и стереохимической валидации.

Clinical relevance

Определенные структуры мишеней для лекарств и макромолекул, связанных с заболеваниями, лежат в основе рационального дизайна лекарств и интерпретации мутаций; представленные здесь методы обеспечивают образовательную базу для этой работы, не предлагая клинических рекомендаций.

History

Рентгеновский анализ дал первые структуры белков, миоглобина и гемоглобина, в конце 1950-х годов; ЯМР в растворе расширил определение структуры до молекул в их нативном состоянии с 1980-х годов; а революция разрешения крио-ЭМ 2010-х годов, ставшая возможной благодаря прямым электронным детекторам, сделала рутинным получение структур больших комплексов с почти атомным разрешением.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

Почему фазовая проблема важна в кристаллографии?

Дифракционный эксперимент регистрирует интенсивности, которые дают амплитуды волн, но теряют фазы; без фаз карта электронной плотности не может быть рассчитана, поэтому их восстановление является существенным для решения структуры.

Отражает ли одна структура движение молекулы полностью?

Не полностью; большинство методов дают репрезентативную структуру или ансамбль, а для захвата движения требуются дополнительные измерения динамики, поэтому структурные и динамические исследования дополняют друг друга.