Biyomoleküler Yapı Belirleme
Proteinlerin ve nükleik asitlerin atomik çözünürlükteki şekillerinin, moleküllerin kırınımı, saçılması veya görüntülenmesi yoluyla nasıl elde edildiği ve sinyalden bir modelin nasıl yeniden yapılandırıldığı.
Tanım
Biyomoleküler yapı belirleme, biyolojik makromoleküllerin üç boyutlu atomik koordinatlarını kırınım, rezonans veya görüntüleme verilerinden elde eden deneysel yöntemler bütünüdür.
Kapsam
Bu konu, başlıca yapı belirleme yöntemlerinin—X-ışını kristalografisi, nükleer manyetik rezonans ve kriyo-elektron mikroskobu—kavramsal düzeydeki fiziksel temelini incelemektedir: her birinin hangi fiziksel niceliği ölçtüğü, hangi örnek ve sınırlamaları gerektirdiği ve verilerden üç boyutlu bir modelin nasıl oluşturulduğu. Detaylı enstrümantasyon biyofiziksel teknikler alanına girmektedir; burada odak noktası, deneyden yapıya geçiş mantığıdır.
Temel sorular
- Her bir ana yöntem hangi fiziksel sinyali ölçer ve yapıyı nasıl kodlar?
- Kristalografi, NMR ve kriyo-EM neden farklı moleküllere ve koşullara uygundur?
- Bir yapının ulaşılabilir çözünürlüğünü ne belirler?
- Atomik bir model deneysel verilere nasıl uydurulur ve doğrulanır?
Temel kuramlar
- Kırınım ve faz problemi
- Bir kristalin kırınım deseni, saçılan dalgaların genliklerini verir ancak fazlarını vermez; fazları geri kazanmak merkezi engeldir ve çözüldüğünde, içine bir modelin inşa edildiği bir elektron yoğunluk haritası elde edilir.
- Tek parçacık yeniden yapılandırması
- Kriyo-EM, rastgele yönelimlerdeki özdeş parçacıkların birçok gürültülü iki boyutlu projeksiyonunu kaydeder ve bunları hesaplamalı olarak üç boyutlu bir yoğunluğa birleştirir; bu yaklaşımın çözünürlüğü, doğrudan dedektörlerle önemli ölçüde iyileşmiştir.
Mekanizmalar
Kristalografide, X-ışınları bir kristalin düzenli elektronlarından saçılmakta ve ölçülen yoğunluklar—fazlar geri kazanıldıktan sonra—Fourier dönüşümü ile bir elektron yoğunluk haritasına dönüştürülmektedir. NMR'de, çekirdeklerin rezonans frekansları ve uzay boyunca kuplajları, çözeltideki yapıyı kısıtlayan atomlararası mesafeleri bildirmektedir. Kriyo-EM'de, elektronlar ani dondurulmuş tek parçacıklardan saçılmakta olup, bu parçacıkların birçok projeksiyon görüntüsü hizalanarak ve ortalaması alınarak bir yoğunluğa dönüştürülmektedir. Her durumda, atomik bir model verilere uyacak şekilde rafine edilmekte ve uyum istatistikleri ile stereokimyasal doğrulama ile değerlendirilmektedir.
Klinik önem
İlaç hedeflerinin ve hastalıkla ilişkili makromoleküllerin belirlenmiş yapıları, yapı tabanlı ilaç tasarımını ve mutasyonların yorumlanmasını desteklemektedir; buradaki yöntemler, klinik tavsiyeler sunmaksızın bu çalışma için eğitimsel altyapıyı sağlamaktadır.
Tarihçe
X-ışını analizi, 1950'lerin sonlarında ilk protein yapılarını, miyoglobin ve hemoglobini vermiştir; çözelti NMR'si, 1980'lerden itibaren yapı belirlemeyi doğal hallerindeki moleküllere genişletmiştir; ve doğrudan elektron dedektörleri sayesinde mümkün olan 2010'lardaki kriyo-EM çözünürlük devrimi, büyük komplekslerin atomik çözünürlüğe yakın yapılarının rutin hale gelmesini sağlamıştır.
Öne çıkan isimler
- John Kendrew
- Max Perutz
- Kurt Wüthrich
- Richard Henderson
İlgili konular
Temel eserler
- kendrew1958
- kuhlbrandt2014
Sıkça sorulan sorular
- Faz problemi kristalografide neden önemlidir?
- Bir kırınım deneyi, dalga genliklerini veren ancak fazları kaybeden yoğunlukları kaydeder; fazlar olmadan elektron yoğunluk haritası hesaplanamaz, bu nedenle fazları geri kazanmak bir yapıyı çözmek için esastır.
- Tek bir yapı, bir molekülün nasıl hareket ettiğini yakalar mı?
- Tamamen değil; çoğu yöntem temsili bir yapı veya topluluk (ensemble) verir ve hareketi yakalamak ek dinamik ölçümler gerektirir, bu nedenle yapısal ve dinamik çalışmalar tamamlayıcıdır.