Xác định cấu trúc sinh học phân tử

Cách thức thu được hình dạng ở độ phân giải nguyên tử của protein và axit nucleic, bằng cách nhiễu xạ, tán xạ hoặc chụp ảnh các phân tử và tái tạo mô hình từ tín hiệu.

Definition

Xác định cấu trúc sinh học phân tử là tập hợp các phương pháp thực nghiệm tạo ra tọa độ nguyên tử ba chiều của các đại phân tử sinh học từ dữ liệu nhiễu xạ, cộng hưởng hoặc hình ảnh.

Scope

Chủ đề này khảo sát cơ sở vật lý của các phương pháp xác định cấu trúc chính—tinh thể học tia X, cộng hưởng từ hạt nhân và kính hiển vi điện tử đông lạnh—ở cấp độ khái niệm: mỗi phương pháp đo đại lượng vật lý nào, mỗi phương pháp đòi hỏi mẫu và có những hạn chế gì, và cách xây dựng mô hình ba chiều từ dữ liệu. Chi tiết về thiết bị thuộc lĩnh vực kỹ thuật sinh lý học; ở đây trọng tâm là logic chuyển từ thí nghiệm sang cấu trúc.

Core questions

• Mỗi phương pháp chính đo tín hiệu vật lý nào và nó mã hóa cấu trúc như thế nào?
• Tại sao tinh thể học, NMR và cryo-EM phù hợp với các phân tử và điều kiện khác nhau?
• Điều gì quyết định độ phân giải có thể đạt được của một cấu trúc?
• Một mô hình nguyên tử được điều chỉnh và xác nhận dựa trên dữ liệu thực nghiệm như thế nào?

Key theories

Nhiễu xạ và vấn đề pha

Mô hình nhiễu xạ của một tinh thể cho biên độ của các sóng tán xạ nhưng không cho pha của chúng; việc phục hồi các pha là trở ngại trung tâm, và một khi được giải quyết, nó sẽ tạo ra một bản đồ mật độ electron mà một mô hình được xây dựng vào đó.

Tái tạo hạt đơn

Cryo-EM ghi lại nhiều hình chiếu hai chiều nhiễu loạn của các hạt giống hệt nhau ở các định hướng ngẫu nhiên và kết hợp chúng bằng máy tính thành một mật độ ba chiều, một phương pháp mà độ phân giải của nó đã cải thiện đáng kể với các máy dò trực tiếp.

Mechanisms

Trong tinh thể học, tia X tán xạ từ các electron có trật tự của một tinh thể, và cường độ đo được—sau khi các pha được phục hồi—được biến đổi Fourier thành bản đồ mật độ electron. Trong NMR, tần số cộng hưởng và các khớp nối xuyên không gian của hạt nhân báo cáo khoảng cách giữa các nguyên tử để giới hạn cấu trúc trong dung dịch. Trong cryo-EM, các electron tán xạ từ các hạt đơn lẻ được đông lạnh nhanh mà nhiều hình ảnh chiếu của chúng được căn chỉnh và trung bình thành một mật độ. Trong mọi trường hợp, một mô hình nguyên tử được tinh chỉnh để phù hợp với dữ liệu và được đánh giá bằng thống kê độ phù hợp và xác nhận hóa học lập thể.

Clinical relevance

Các cấu trúc đã xác định của các mục tiêu thuốc và các đại phân tử liên quan đến bệnh là nền tảng cho thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc và giải thích các đột biến; các phương pháp ở đây cung cấp kiến thức nền tảng cho công việc đó mà không đưa ra các khuyến nghị lâm sàng.

History

Phân tích tia X đã cho ra đời các cấu trúc protein đầu tiên, myoglobin và hemoglobin, vào cuối những năm 1950; NMR dung dịch đã mở rộng việc xác định cấu trúc cho các phân tử ở trạng thái tự nhiên của chúng từ những năm 1980; và cuộc cách mạng độ phân giải cryo-EM của những năm 2010, được hỗ trợ bởi các máy dò điện tử trực tiếp, đã làm cho các cấu trúc gần nguyên tử của các phức hợp lớn trở nên thường quy.

Key figures

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

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

Tại sao vấn đề pha lại quan trọng trong tinh thể học?

Một thí nghiệm nhiễu xạ ghi lại cường độ, cung cấp biên độ sóng nhưng làm mất pha; nếu không có pha, bản đồ mật độ electron không thể được tính toán, vì vậy việc phục hồi chúng là điều cần thiết để giải quyết một cấu trúc.

Một cấu trúc đơn lẻ có nắm bắt được cách một phân tử di chuyển không?

Không hoàn toàn; hầu hết các phương pháp tạo ra một cấu trúc hoặc tập hợp đại diện, và việc nắm bắt chuyển động đòi hỏi các phép đo động lực học bổ sung, đó là lý do tại sao các nghiên cứu cấu trúc và động lực học bổ sung cho nhau.