Röntgenkristallografi av biomolekyler

Hur röntgenstrålars diffraktion av en biomolekylkristall omvandlas till en elektrondensitetskarta och, från den, en atommodell.

Definition

Röntgenkristallografi av biomolekyler är bestämningen av atomstrukturen genom att mäta röntgenstrålars diffraktion från en kristall och rekonstruera elektrontätheten hos den repeterande enheten.

Scope

Detta ämne behandlar arbetsflödet och fysiken bakom makromolekylär röntgenkristallografi: kristallisering, diffraktionsexperimentet, det centrala fasproblemet och hur det löses, samt konstruktion och förfining av en atommodell. Det behandlar metoden ingående som den historiskt dominerande vägen till atomstrukturer, kompletterande det bredare ämnet strukturanalys och kryo-EM-ämnet.

Core questions

• Varför måste molekylen kristalliseras, och vad tillhandahåller kristallen?
• Hur kodar ett diffraktionsmönster strukturen?
• Vad är fasproblemet, och hur löses det?
• Hur byggs en atommodell in i och förfinas mot data?

Key theories

Diffraktion som en Fouriertransform

Diffraktionsmönstret för en kristall är Fouriertransformen av dess elektrontäthet, så att mäta reflektionerna och återställa deras faser gör att tätheten – och därmed strukturen – kan beräknas genom invers transform.

Lösning av fasproblemet

Eftersom experiment registrerar intensiteter men inte faser, måste faserna erhållas separat – genom tungatomsmetoder, anomal spridning eller en relaterad känd struktur – innan en tolkningsbar elektrondensitetskarta kan produceras.

Mechanisms

En renad makromolekyl förmås att bilda en ordnad kristall, vilket förstärker den svaga spridningen från enskilda molekyler till mätbar diffraktion. Röntgenstrålar sprids från kristallens elektroner, och de registrerade reflektionsintensiteterna ger amplituderna för strukturens Fourierkomponenter men förlorar deras faser. Faserna återställs genom att införa tunga atomer, utnyttja anomal spridning eller använda en homolog modell, varefter en elektrondensitetskarta beräknas, en modell av atomerna byggs in i densiteten, och modellen förfinas för att optimera överensstämmelsen med data och stereokemi.

Clinical relevance

Kristallografi tillhandahåller de strukturer som används i strukturbaserad läkemedelsdesign och vid tolkning av sjukdomsmutationer, och ger en pedagogisk och metodologisk grund snarare än klinisk vägledning.

History

Med utgångspunkt i Braggs grundande av kristallografin och Hodgkins strukturer av små biomolekyler, löste Kendrew och Perutz de första proteinstrukturerna i slutet av 1950-talet, vilket etablerade makromolekylär kristallografi som den huvudsakliga källan till atomupplöst biologi under årtionden.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Varför behöver man en kristall?

En enskild molekyl sprider röntgenstrålar alldeles för svagt för att kunna mätas; en kristall innehåller många identiska molekyler i ett regelbundet arrangemang som förstärker spridningen till ett mätbart diffraktionsmönster.

Vad betyder upplösningen av en kristallstruktur?

Det återspeglar hur långt ut i diffraktionsmönstret användbara data sträcker sig, och därmed hur fint elektrontätheten – och atompositionerna – kan upplösas; högre upplösning innebär mer detaljer.