เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของชีวโมเลกุล

การเปลี่ยนการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์โดยผลึกของชีวโมเลกุลให้เป็นแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน และจากนั้นเป็นแบบจำลองอะตอม

Definition

การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของชีวโมเลกุลคือการกำหนดโครงสร้างระดับอะตอมโดยการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผลึกและการสร้างความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของหน่วยซ้ำขึ้นใหม่

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมขั้นตอนการทำงานและฟิสิกส์ของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของโมเลกุลขนาดใหญ่: การตกผลึก, การทดลองการเลี้ยวเบน, ปัญหาเฟสที่เป็นหัวใจสำคัญและวิธีการแก้ไข, และการสร้างและการปรับแต่งแบบจำลองอะตอม โดยจะกล่าวถึงวิธีการนี้อย่างลึกซึ้งในฐานะเส้นทางหลักทางประวัติศาสตร์ในการได้มาซึ่งโครงสร้างระดับอะตอม ซึ่งเสริมหัวข้อการกำหนดโครงสร้างที่กว้างขึ้นและหัวข้อ cryo-EM

Core questions

• เหตุใดโมเลกุลจึงต้องตกผลึก และผลึกให้ประโยชน์อะไรบ้าง?
• รูปแบบการเลี้ยวเบนเข้ารหัสโครงสร้างได้อย่างไร?
• ปัญหาเฟสคืออะไร และแก้ไขได้อย่างไร?
• แบบจำลองอะตอมถูกสร้างขึ้นและปรับแต่งให้เข้ากับข้อมูลได้อย่างไร?

Key theories

การเลี้ยวเบนในฐานะการแปลงฟูเรียร์

รูปแบบการเลี้ยวเบนของผลึกคือการแปลงฟูเรียร์ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ดังนั้นการวัดการสะท้อนและการกู้คืนเฟสจะช่วยให้สามารถคำนวณความหนาแน่น—และด้วยเหตุนี้โครงสร้าง—ได้โดยการแปลงผกผัน

การแก้ปัญหาเฟส

เนื่องจากการทดลองบันทึกความเข้มแต่ไม่ใช่เฟส เฟสจึงต้องได้มาแยกต่างหาก—ผ่านวิธีการอะตอมหนัก การกระเจิงแบบผิดปกติ หรือโครงสร้างที่ทราบที่เกี่ยวข้อง—ก่อนที่จะสามารถสร้างแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ตีความได้

Mechanisms

โมเลกุลขนาดใหญ่ที่บริสุทธิ์จะถูกชักนำให้ตกผลึกอย่างเป็นระเบียบ ซึ่งจะขยายการกระเจิงที่อ่อนแอของโมเลกุลเดี่ยวให้กลายเป็นการเลี้ยวเบนที่สามารถวัดได้ รังสีเอกซ์จะกระเจิงจากอิเล็กตรอนของผลึก และความเข้มของการสะท้อนที่บันทึกไว้จะให้แอมพลิจูดของส่วนประกอบฟูเรียร์ของโครงสร้าง แต่จะสูญเสียเฟสไป เฟสจะถูกกู้คืนโดยการนำอะตอมหนักเข้ามาใช้ประโยชน์จากการกระเจิงแบบผิดปกติ หรือใช้แบบจำลองที่คล้ายคลึงกัน หลังจากนั้นจะมีการคำนวณแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน สร้างแบบจำลองของอะตอมลงในความหนาแน่น และปรับแต่งแบบจำลองเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสอดคล้องกับข้อมูลและสเตอริโอเคมี

Clinical relevance

การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ให้โครงสร้างที่ใช้ในการออกแบบยาโดยอาศัยโครงสร้างและการตีความการกลายพันธุ์ของโรค โดยให้พื้นฐานทางการศึกษาและระเบียบวิธีวิจัยมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

จากการสร้างรากฐานของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์โดย Braggs และโครงสร้างของชีวโมเลกุลขนาดเล็กโดย Hodgkin, Kendrew และ Perutz ได้แก้ไขโครงสร้างโปรตีนแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ทำให้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของโมเลกุลขนาดใหญ่กลายเป็นแหล่งข้อมูลหลักของชีววิทยาเชิงอะตอมมานานหลายทศวรรษ

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

ทำไมต้องใช้ผลึก?

โมเลกุลเดี่ยวจะกระเจิงรังสีเอกซ์อ่อนเกินไปที่จะวัดได้ ผลึกประกอบด้วยโมเลกุลที่เหมือนกันจำนวนมากในโครงสร้างที่สม่ำเสมอซึ่งเสริมการกระเจิงให้กลายเป็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่วัดได้

ความละเอียดของโครงสร้างผลึกหมายถึงอะไร?

มันสะท้อนให้เห็นว่าข้อมูลที่ใช้งานได้ขยายออกไปไกลแค่ไหนในรูปแบบการเลี้ยวเบน และด้วยเหตุนี้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน—และตำแหน่งของอะตอม—สามารถแก้ไขได้อย่างละเอียดเพียงใด ความละเอียดที่สูงขึ้นหมายถึงรายละเอียดที่มากขึ้น