Рентгеновская кристаллография биомолекул

Как дифракция рентгеновских лучей кристаллом биомолекулы преобразуется в карту электронной плотности и, исходя из нее, в атомную модель.

Definition

Рентгеновская кристаллография биомолекул — это определение атомной структуры путем измерения дифракции рентгеновских лучей от кристалла и реконструкции электронной плотности повторяющейся единицы.

Scope

Эта тема охватывает рабочий процесс и физику макромолекулярной рентгеновской кристаллографии: кристаллизацию, дифракционный эксперимент, центральную проблему фаз и способы ее решения, а также построение и уточнение атомной модели. Метод рассматривается подробно как исторически доминирующий путь к атомным структурам, дополняя более широкую тему определения структуры и тему криоэлектронной микроскопии (cryo-EM).

Core questions

• Почему молекула должна быть кристаллизована, и что дает кристалл?
• Как дифракционная картина кодирует структуру?
• Что такое проблема фаз и как она решается?
• Как атомная модель строится и уточняется по данным?

Key theories

Дифракция как преобразование Фурье

Дифракционная картина кристалла является преобразованием Фурье его электронной плотности, поэтому измерение отражений и восстановление их фаз позволяет вычислить плотность — и, следовательно, структуру — с помощью обратного преобразования.

Решение проблемы фаз

Поскольку эксперименты регистрируют интенсивности, но не фазы, фазы должны быть получены отдельно — с помощью методов тяжелых атомов, аномального рассеяния или родственной известной структуры — прежде чем может быть получена интерпретируемая карта электронной плотности.

Mechanisms

Очищенная макромолекула приводится в упорядоченный кристалл, который усиливает слабое рассеяние отдельных молекул до измеримой дифракции. Рентгеновские лучи рассеиваются электронами кристалла, и зарегистрированные интенсивности отражений дают амплитуды фурье-компонент структуры, но теряют их фазы. Фазы восстанавливаются путем введения тяжелых атомов, использования аномального рассеяния или гомологичной модели, после чего вычисляется карта электронной плотности, в эту плотность встраивается модель атомов, и модель уточняется для оптимизации соответствия данным и стереохимии.

Clinical relevance

Кристаллография предоставляет структуры, используемые в рациональном дизайне лекарств и в интерпретации мутаций, вызывающих заболевания, обеспечивая образовательную и методологическую основу, а не клинические рекомендации.

History

Опираясь на основы кристаллографии, заложенные Брэггами, и структуры малых биомолекул, определенные Ходжкин, Кендрю и Перуц решили первые структуры белков в конце 1950-х годов, утвердив макромолекулярную кристаллографию в качестве основного источника биологических данных с атомным разрешением на протяжении десятилетий.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Зачем нужен кристалл?

Отдельная молекула рассеивает рентгеновские лучи слишком слабо, чтобы это можно было измерить; кристалл содержит множество идентичных молекул в регулярной решетке, которые усиливают рассеяние до измеримой дифракционной картины.

Что означает разрешение кристаллической структуры?

Оно отражает, насколько далеко в дифракционной картине простираются пригодные для использования данные, и, таким образом, насколько точно может быть разрешена электронная плотность — и атомные положения; более высокое разрешение означает больше деталей.