การหาโครงสร้างชีวโมเลกุล

วิธีการได้มาซึ่งรูปร่างระดับอะตอมของโปรตีนและกรดนิวคลีอิก โดยการเลี้ยวเบน การกระเจิง หรือการสร้างภาพโมเลกุล และการสร้างแบบจำลองจากสัญญาณที่ได้

Definition

การหาโครงสร้างชีวโมเลกุลคือชุดของวิธีการทดลองที่ให้พิกัดอะตอมสามมิติของโมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีวภาพจากข้อมูลการเลี้ยวเบน, เรโซแนนซ์ หรือการสร้างภาพ

Scope

หัวข้อนี้สำรวจพื้นฐานทางฟิสิกส์ของวิธีการหลักในการหาโครงสร้าง ได้แก่ การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray crystallography), นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (nuclear magnetic resonance) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่แข็ง (cryo-electron microscopy) ในระดับแนวคิด: ปริมาณทางฟิสิกส์ที่แต่ละวิธีวัดได้, ตัวอย่างและข้อจำกัดที่แต่ละวิธีมี, และวิธีการสร้างแบบจำลองสามมิติจากข้อมูล รายละเอียดของเครื่องมือจัดอยู่ในสาขาเทคนิคชีวฟิสิกส์; ในที่นี้จะเน้นที่ตรรกะของการเปลี่ยนจากการทดลองไปสู่โครงสร้าง

Core questions

• สัญญาณทางฟิสิกส์ใดที่แต่ละวิธีหลักวัดได้ และสัญญาณนั้นเข้ารหัสโครงสร้างอย่างไร?
• เหตุใดการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์, NMR และ cryo-EM จึงเหมาะกับโมเลกุลและสภาวะที่แตกต่างกัน?
• อะไรเป็นตัวกำหนดความละเอียดที่ทำได้ของโครงสร้าง?
• แบบจำลองอะตอมถูกปรับให้เข้ากับข้อมูลการทดลองและตรวจสอบความถูกต้องได้อย่างไร?

Key theories

การเลี้ยวเบนและปัญหาเฟส

รูปแบบการเลี้ยวเบนของผลึกให้แอมพลิจูดของคลื่นที่กระเจิงแต่ไม่ใช่เฟส; การกู้คืนเฟสเป็นอุปสรรคสำคัญ และเมื่อแก้ไขได้แล้ว จะได้แผนที่ความหนาแน่นอิเล็กตรอนซึ่งสามารถสร้างแบบจำลองได้

การสร้างภาพอนุภาคเดี่ยว

Cryo-EM บันทึกภาพฉายสองมิติที่มีสัญญาณรบกวนจำนวนมากของอนุภาคที่เหมือนกันในทิศทางสุ่ม และรวมเข้าด้วยกันด้วยคอมพิวเตอร์เป็นความหนาแน่นสามมิติ ซึ่งเป็นแนวทางที่ความละเอียดดีขึ้นอย่างมากด้วยเครื่องตรวจจับโดยตรง

Mechanisms

ในการศึกษาด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ รังสีเอกซ์จะกระเจิงจากอิเล็กตรอนที่เป็นระเบียบของผลึก และความเข้มที่วัดได้—หลังจากที่กู้คืนเฟสแล้ว—จะถูกแปลงฟูเรียร์เป็นแผนที่ความหนาแน่นอิเล็กตรอน ใน NMR ความถี่เรโซแนนซ์และการเชื่อมต่อผ่านช่องว่างของนิวเคลียสจะรายงานระยะห่างระหว่างอะตอมที่จำกัดโครงสร้างในสารละลาย ใน cryo-EM อิเล็กตรอนจะกระเจิงจากอนุภาคเดี่ยวที่ถูกแช่แข็งอย่างรวดเร็ว ซึ่งภาพฉายหลายภาพจะถูกจัดเรียงและหาค่าเฉลี่ยเป็นความหนาแน่น ในทุกกรณี แบบจำลองอะตอมจะถูกปรับปรุงให้เข้ากับข้อมูลและประเมินโดยสถิติความสอดคล้องและการตรวจสอบสเตอริโอเคมี

Clinical relevance

โครงสร้างที่กำหนดของเป้าหมายยาและโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับโรคเป็นพื้นฐานของการออกแบบยาโดยอาศัยโครงสร้างและการตีความการกลายพันธุ์; วิธีการที่นำเสนอในที่นี้ให้พื้นฐานความรู้สำหรับการทำงานดังกล่าวโดยไม่มีการให้คำแนะนำทางคลินิก

History

การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ให้โครงสร้างโปรตีนแรกคือไมโอโกลบินและฮีโมโกลบินในช่วงปลายทศวรรษ 1950; NMR ในสารละลายขยายการหาโครงสร้างไปยังโมเลกุลในสภาพธรรมชาติจากทศวรรษ 1980; และการปฏิวัติความละเอียดของ cryo-EM ในทศวรรษ 2010 ซึ่งเป็นไปได้ด้วยเครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนโดยตรง ทำให้การหาโครงสร้างใกล้ระดับอะตอมของสารเชิงซ้อนขนาดใหญ่เป็นเรื่องปกติ

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

เหตุใดปัญหาเฟสจึงมีความสำคัญในการศึกษาด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์?

การทดลองการเลี้ยวเบนบันทึกความเข้ม ซึ่งให้แอมพลิจูดของคลื่นแต่สูญเสียเฟส; หากไม่มีเฟส จะไม่สามารถคำนวณแผนที่ความหนาแน่นอิเล็กตรอนได้ ดังนั้นการกู้คืนเฟสจึงจำเป็นต่อการแก้โครงสร้าง

โครงสร้างเดียวสามารถแสดงการเคลื่อนที่ของโมเลกุลได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่?

ไม่สมบูรณ์นัก; วิธีการส่วนใหญ่ให้โครงสร้างที่เป็นตัวแทนหรือกลุ่มโครงสร้าง และการจับภาพการเคลื่อนที่ต้องอาศัยการวัดพลวัตเพิ่มเติม ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการศึกษาโครงสร้างและพลวัตจึงเป็นส่วนเสริมซึ่งกันและกัน