Рентгенівська кристалографія біомолекул

Як дифракція рентгенівських променів кристалом біомолекули перетворюється на карту електронної густини, а з неї – на атомну модель.

Definition

Рентгенівська кристалографія біомолекул – це визначення атомної структури шляхом вимірювання дифракції рентгенівських променів від кристала та реконструкції електронної густини повторюваної одиниці.

Scope

Ця тема охоплює робочий процес та фізику макромолекулярної рентгенівської кристалографії: кристалізацію, дифракційний експеримент, центральну фазову проблему та способи її вирішення, а також побудову та уточнення атомної моделі. Вона глибоко розглядає метод як історично домінуючий шлях до атомних структур, доповнюючи ширшу тему визначення структури та тему кріо-ЕМ.

Core questions

• Чому молекула повинна бути кристалізована, і що дає кристал?
• Як дифракційна картина кодує структуру?
• Що таке фазова проблема, і як вона вирішується?
• Як атомна модель будується та уточнюється за даними?

Key theories

Дифракція як перетворення Фур'є

Дифракційна картина кристала є перетворенням Фур'є його електронної густини, тому вимірювання рефлексів та відновлення їхніх фаз дозволяє обчислити густину — а отже, і структуру — за допомогою оберненого перетворення.

Вирішення фазової проблеми

Оскільки експерименти реєструють інтенсивності, але не фази, фази повинні бути отримані окремо — за допомогою методів важких атомів, аномального розсіювання або спорідненої відомої структури — перш ніж можна буде створити інтерпретовану карту електронної густини.

Mechanisms

Очищена макромолекула змушується утворювати впорядкований кристал, який посилює слабке розсіювання окремих молекул до вимірюваної дифракції. Рентгенівські промені розсіюються від електронів кристала, і зареєстровані інтенсивності рефлексів дають амплітуди компонентів Фур'є структури, але втрачають їхні фази. Фази відновлюються шляхом введення важких атомів, використання аномального розсіювання або гомологічної моделі, після чого обчислюється карта електронної густини, в густину будується модель атомів, і модель уточнюється для оптимізації відповідності даним та стереохімії.

Clinical relevance

Кристалографія надає структури, що використовуються в структурно-орієнтованому дизайні ліків та в інтерпретації мутацій, що викликають захворювання, забезпечуючи освітню та методологічну основу, а не клінічні рекомендації.

History

Спираючись на заснування кристалографії Бреггами та структури малих біомолекул Ходжкін, Кендрю та Перуц розв'язали перші структури білків наприкінці 1950-х років, встановивши макромолекулярну кристалографію як основне джерело біології атомної роздільної здатності на десятиліття.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• rhodes2006

Frequently asked questions

Навіщо потрібен кристал?

Одна молекула розсіює рентгенівські промені надто слабо, щоб їх можна було виміряти; кристал містить багато ідентичних молекул у регулярній решітці, які посилюють розсіювання до вимірюваної дифракційної картини.

Що означає роздільна здатність кристалічної структури?

Вона відображає, наскільки далеко в дифракційній картині поширюються придатні для використання дані, і, отже, наскільки точно можна розрізнити електронну густину — та атомні положення; вища роздільна здатність означає більше деталей.