¿Cuáles son los métodos para el análisis de la estructura cristalina de proteínas?
Análisis y desarrollo de la estructura cristalina de proteínas
Varias propiedades macroscópicas de la materia se originan a partir de su propia microestructura. La exploración de la relación entre la estructura del material y las propiedades es la física de la materia condensada, un contenido de investigación importante. Disciplinas como la química estructural, la ciencia de los materiales y la biología molecular son el principal medio para determinar la microestructura de la materia sólida a nivel atómico. En otras palabras, está estrechamente relacionado con muchas de las disciplinas anteriores. El análisis de la estructura cristalina es una pequeña rama de la física que estudia principalmente cómo utilizar el efecto de difracción de los materiales cristalinos en rayos X, electrones y neutrones para determinar la microestructura de los materiales. Por lo tanto, el desarrollo tiene muchos propósitos diferentes. de muchas disciplinas tiene un profundo impacto en el análisis de la estructura cristalina. Por otro lado, el análisis de la estructura cristalina tiene su propio sistema independiente, y su propio desarrollo juega un papel promotor en las disciplinas a las que sirve.
Análisis de la estructura cristalina. es una de las disciplinas más importantes fundadas después de que Roentgen descubriera los rayos X. Se basa en varios avances importantes en la física, entre ellos el descubrimiento de los rayos X por W. C. Roentgen en 1895 y el descubrimiento por M. von Laue en 1912. difracción de rayos X por cristales En 1927, C. J. Davisson y G. P. Th o mson descubrieron la difracción de electrones por cristales, y en 1931, E. Ruska construyó el primer microscopio electrónico. La humanidad para dominar los métodos para estudiar la estructura interna de la materia a nivel atómico, ganó el Premio Nobel de Física en 1901, 1914, 1937 y 1986 respectivamente. Entre ellos, el Premio Nobel ganado por Röntgen en 1901 fue el primer Premio Nobel en. Física en la historia. Al estudiar la relación entre la estructura interna y las propiedades de la materia, el análisis de la estructura cristalina ha promovido efectivamente el desarrollo de varias disciplinas relacionadas. El desarrollo del análisis de la estructura cristalina es un proceso de mejora constante y expansión de la cronología de Nobel. registró la estructura cristalina, analizó los principales acontecimientos de la historia y demostró los fructíferos resultados de su interacción con otras disciplinas.
Hay dos categorías principales de métodos de análisis de la estructura cristalina: la difracción representada por métodos de análisis de difracción de rayos X. y los métodos de imágenes microscópicas representados por microscopía electrónica. Las imágenes de microscopía electrónica también se pueden considerar como dos procesos de difracción de electrones consecutivos. Por lo tanto, se puede decir que el análisis de difracción es el núcleo del análisis de la estructura cristalina. La estructura cristalina es que existe una relación de transformada de Fourier entre la estructura cristalina y su efecto de difracción. El efecto de difracción mencionado aquí se refiere a la amplitud y fase de la difracción emitida por el cristal en todas las direcciones. Del experimento de difracción. Se puede registrar una onda en todas las direcciones. Sin embargo, en la actualidad y en el futuro previsible, no es fácil encontrar un método universal y práctico para registrar la fase de la onda difractada emitida por el cristal. transformada del efecto de difracción Para descubrir la estructura cristalina, primero debemos intentar encontrar la fase "perdida". Este es el "problema de la fase" en cristalografía, que siempre ha sido una cuestión clave en el estudio de los métodos de análisis de la estructura cristalina. p>
Luego, Laue descubrió la difracción de rayos X, el padre y el hijo de Bragg (W. H. Bragg y W. L. Bragg) rápidamente establecieron los medios experimentales y la base teórica para utilizar el método de difracción de rayos X para determinar la estructura cristalina. observar cuantitativamente la posición de los átomos en el cristal. Por esta razón ambos ganaron el Premio Nobel de Física en 1915. El análisis de la estructura cristalina se utilizó inicialmente para algunos compuestos inorgánicos simples. El estudio de la estructura de los haluros de metales alcalinos llevó a W. L. Bragg a. Propuso el concepto de radio atómico. Pronto Bragg agregó que el análisis de la estructura cristalina se aplica al estudio de silicatos, así como a metales y aleaciones. El trabajo sobre el análisis de la estructura cristalina de los silicatos proporciona la base experimental más antigua para la química estructural de los silicatos, mientras que el trabajo sobre los metales. y aleaciones proporciona metalurgia física, física de metales y fase. El estudio de los diagramas de equilibrio se ha llevado a un nuevo nivel, lo que permite que el trabajo relacionado profundice en el nivel atómico.
El análisis de la estructura cristalina ha tenido éxito en el estudio. compuestos inorgánicos, lo que hizo que la gente prestara atención a la estructura interna de la materia orgánica, especialmente la materia viva. Sin embargo, más de diez años después, el Reino Unido comenzó a estudiar la estructura cristalina de la materia orgánica. Todavía no hay un gran avance. La razón fue que las técnicas y métodos analíticos en ese momento todavía eran muy primitivos. Así que las décadas de 1930 y 1940 marcaron el comienzo del cristal.
Un período de gran desarrollo de los métodos y tecnologías de análisis estructural. Como se mencionó anteriormente, el llamado "problema de fase" en el análisis de la estructura cristalina El método utilizado para resolver el problema de la fase en el análisis de la estructura cristalina temprano fue el llamado método de prueba. Los puntos clave son: primero, según Ni. Podemos adivinar un modelo estructural basado en las pistas que tenemos, y luego calcular un conjunto correspondiente de intensidades de difracción teóricas a partir de este modelo, y luego compararlo con las intensidades de difracción experimentales y modificar el modelo en consecuencia. Los pasos anteriores deben repetirse muchas veces hasta que lo teórico sea consistente con la intensidad de difracción experimental. El uso de tal "método" para determinar la estructura cristalina muestra que los experimentos científicos se parecen más a creaciones artísticas. Para determinar estructuras cristalinas complejas, ya a fines de la década de 1920, los británicos W. L. Bragg y J. M. Cork propusieron respectivamente el llamado método del átomo pesado y el método de sustitución isomorfa para resolver el problema de fase. : se supone que el cristal contiene una pequeña cantidad de átomos con un número atómico mayor, es decir, los llamados átomos pesados, y se conocen sus posiciones, entonces se puede calcular y utilizar la contribución de los átomos pesados a la fase para reemplazar la fase aportada por todos los átomos. Esta fase se puede combinar con la amplitud de difracción medida experimentalmente. Calcule aproximadamente un diagrama de densidad electrónica que represente la estructura cristalina. se puede preparar, y el cristal del derivado es "isomorfo" con el cristal original. "En este momento, si se conoce la posición del átomo pesado, la fase de difracción correspondiente se puede calcular basándose en la diferencia en la intensidad de difracción entre el padre y el derivado. Estos dos métodos se utilizaron posteriormente en el análisis de la estructura cristalina de una serie de sustancias orgánicas y proteínas, pero no desempeñaron un papel importante durante mucho tiempo después de su nacimiento. La razón es que todos se basaban en las posiciones conocidas de los átomos pesados y no existía ningún método para determinar las posiciones de los átomos pesados en ese momento. 1934 En 2007, A. L. Patterson de Estados Unidos propuso utilizar el cuadrado de la amplitud de difracción como parámetro. coeficiente para calcular la serie de Fourier para evitar el problema de fase, Patterson señaló que dicha serie es la autoconvolución de la función de distribución de densidad de electrones en el cristal, bajo ciertas condiciones, información sobre las posiciones de los átomos en el cristal. Se pueden extraer todas las posiciones de los átomos pesados. Esta serie de Fourier calculada utilizando el cuadrado de la amplitud de difracción se denominó más tarde función de Patterson, y el método de análisis correspondiente se denominó método de Patterson. Después de varios años de desarrollo, el método de Patterson. El método del átomo pesado y el método de sustitución isomorfa basados en él se han convertido en los medios más eficaces para abordar los problemas de fase en el análisis de la estructura monocristalina de rayos X. Junto con las mejoras en la tecnología experimental y la tecnología de refinamiento de la estructura, el análisis de la estructura cristalina alcanzó un nivel sin precedentes. nivel y finalmente abrió un gran tesoro de materia orgánica y sustancias vivas.
El equipo dirigido por L. Pauling en Estados Unidos pasó más de diez años para determinar una serie de estructuras cristalinas de aminoácidos. y péptidos, resumió los principios básicos para formar configuraciones de cadenas polipeptídicas e infirió en 1951 que las cadenas polipeptídicas formarían configuraciones helicoidales o configuraciones de capas plegadas. Esta fue una predicción de macromoléculas biológicas al resumir las reglas estructurales de moléculas pequeñas. ejemplo de caracterización estructural Por este motivo, Pauling ganó el Premio Nobel de Química en 1954. El británico D. Hodgkin dirigió el equipo para determinar la estructura cristalina de una serie de sustancias bioquímicas importantes, incluidas las cianinas y las vitaminas. en 1964. W. N. Lipscomb de los Estados Unidos ganó el Premio Nobel de Química en 1975 por su trabajo sobre la química estructural del borano. Todos estos trabajos premiados utilizaron el análisis de la estructura cristalina como método de investigación. El análisis en sí es Sin una acumulación a largo plazo de teoría y tecnología, no habría habido varios premios Nobel. J. D. Bernal del Reino Unido comenzó a utilizar la difracción de rayos X para estudiar la estructura de las proteínas ya a mediados de la década de 1930. Pero el verdadero progreso se logró bajo la presidencia de W. L. Bragg. Después del Laboratorio Cavendish, hay otro episodio aquí. Resulta que bajo la presidencia de E. Rutherford, el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. Centro de investigación de física atómica Con el desarrollo de la disciplina, los cambios en el poder nacional y la propia Universidad de Cambridge. Cuando W. L. Bragg asumió el cargo en 1938, el estatus de Cavendish había comenzado a declinar. Después de asumir el cargo, Bragg se adaptó decisivamente al. situación y renunció voluntariamente a su condición de "Centro Internacional de Física Atómica" y en su lugar aprovechó dos nuevos avances en la física de la época: Aplicación: los rayos X.
El análisis de difracción se utiliza en biología y la tecnología de radar se utiliza en astronomía. Este movimiento permitió al Reino Unido "liderar la nueva tendencia mundial" en la creación de la biología molecular y la radioastronomía.
Un descubrimiento que marcó una época en la historia. de biología molecular Entre ellos, dos provinieron del Laboratorio Cavendish. El primero fue en 1953 cuando J. D. Watson y F. H. C. Crick establecieron la estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN) basándose en experimentos de difracción de rayos X. Avanzó en el estudio de la genética. a nivel molecular. Este trabajo ganó el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962. El otro fue el uso del análisis de difracción de rayos X para determinar la estructura cristalina de la mioglobina y la hemoglobina. Se inició en la década de 1930 y continuó durante 20 años. Fueron necesarios más de diez años y en ellos participaron muchos científicos. Las estructuras cristalinas de estas dos proteínas se determinaron finalmente en 1960. Este trabajo no sólo reveló por primera vez la estructura tridimensional interna de macromoléculas biológicas, sino que también proporcionó información para determinar su estructura. Estructura cristalina de macromoléculas biológicas. Un método eficaz que todavía se utiliza en la actualidad es el método de sustitución isomorfa de pares múltiples. Se basa en el método de sustitución isomorfa original, pero añade nuevos contenidos en tecnología experimental y teoría analítica. trabajo Las figuras representativas, J. C. Kendrew y M. F. Perutz, ganaron el Premio Nobel de Química en 1962. Al ver la gloria de sus logros, no pudieron evitar pensar en las dificultades de la exploración: En 1947, la Gran Bretaña de la posguerra se enfrentaba a una escasez de fondos de investigación científica Para analizar la estructura cristalina de las proteínas, J. C. Kendrew y M. F. Perutz buscaron financiación, y W. L. Bragg se acercó al Consejo Británico de Investigación Médica (MRC). Le dijo al director del MRC: "... si se financia, nuestros resultados". contribuirá a nuestra comprensión del funcionamiento de la vida a nivel molecular. "Sin embargo, aun así, probablemente llevará mucho tiempo producir algún beneficio en medicina". El director del MRC en ese momento asumió este riesgo y estableció un MRC. estudio que involucró únicamente al grupo de Kendrew y Perutz. Este generoso apoyo tardó quince años en comenzar a dar sus frutos. Por cierto: ese grupo del MRC ahora se ha convertido en el mundialmente famoso Laboratorio de Biología Molecular del MRC con cientos de académicos. Entre los ganadores posteriores del Premio Nobel por determinar la estructura cristalina de las proteínas se encuentran J. Deisenhofer de los Estados Unidos y R. Huber y H. Michel de Alemania. Ganaron el Premio Nobel de Química en 1988 por determinar la estructura tridimensional del material fotosintético. center.
El "método directo" en el análisis de la estructura cristalina ha tomado un camino diferente al método Patterson. No es como el método Patterson que llegó al mundo debido a necesidades urgentes y rápidamente asumió la responsabilidad. 1947 En 2000, el nacimiento del método directo coincidió con el éxito del método Patterson. Muchos cristalógrafos buscaban diligentemente los diagramas de Patterson de varios cristales. Sin embargo, no tenían intención de utilizar otro método. Un pequeño grupo de cristalógrafos quería descubrir las reglas del análisis de difracción. Dudaron: ¿la fase de difracción está "perdida" o es invisible a nuestros propios ojos mortales? está oculto en la amplitud de difracción. Así surgió el "método directo". Su característica es utilizar métodos matemáticos, bajo ciertas restricciones, para derivar directamente sus propias fases a partir de un conjunto de amplitudes de difracción. El método directo en sí no era perfecto y, debido a que los datos de difracción se recopilaron en ese momento, la precisión aún no cumplía con los requisitos. Desde su nacimiento hasta principios de la década de 1960, el método directo fue básicamente un ejercicio en papel. H. Hauptman y J. KKarle dedicaron toda la década de 1950 a establecer el método directo. Sobre esta base, I. L. Karle y J. Karle lograron dos avances importantes en 1963 y 1964: resolvieron dos estructuras cristalinas que no eran fáciles de resolver. por otros métodos Entre ellos se encontraba una estructura no centrosimétrica. Antes de eso, se creía generalmente que el método directo no podía usarse para estructuras no centrosimétricas. Más tarde, M. M. Woofson y otros lograron avances revolucionarios en el desarrollo de nuevos algoritmos para la estructura no centrosimétrica. método, estandarizándolo y automatizándolo En la década de 1970 En la década de 1990, el método directo finalmente reemplazó al método de Patterson y tomó la posición dominante en el análisis de estructuras cristalinas de moléculas pequeñas.
, que ha mejorado diez veces la capacidad y la eficiencia del análisis de la estructura cristalina. Ha promovido fuertemente el desarrollo de la química estructural y ha contribuido a la creación del diseño de fármacos. Por esta razón, dos pioneros del método directo, H. Hauptman y J. Karle. , propuso el método en 1985. Ganó el Premio Nobel de Química.
Los métodos de obtención de imágenes microscópicas para el análisis de la estructura cristalina también han experimentado un proceso de desarrollo extraordinario. La determinación de estructuras cristalinas mediante análisis de difracción es algo así como descifrar códigos mediante microscopía. ¿Es comparable el estudio de la estructura cristalina con la lectura de imágenes? La pregunta es si podemos obtener una imagen que pueda entenderse fácilmente de un vistazo y ampliar la estructura cristalina. La historia comienza con la búsqueda de una imagen de este tipo con microscopios ópticos comunes. El proceso de obtención de imágenes de un microscopio electrónico (bajo condiciones de aproximación paraxial) puede considerarse como dos procesos de difracción sucesivos, es decir, cuando el haz de luz o de electrones incide en el objeto observado, primero se produce un patrón de difracción (equivalente a realizar un. Transformación de Fourier sobre el objeto). Luego el haz de luz o de electrones continúa actuando sobre ese patrón de difracción y produce un "patrón de difracción de patrones de difracción" (es decir, realizando otra transformación de Fourier sobre la transformación universal de Fourier del objeto), esto es. la imagen del objeto En 1942, W. L. Bragg, que presidía el trabajo del Laboratorio Cavendish y participaba personalmente en el análisis de las estructuras cristalinas de proteínas, tuvo una idea extraña: si se creara una "longitud de onda dual". podría crearse Un microscopio utiliza luz de una determinada longitud de onda para la primera difracción y otra longitud de onda para la segunda difracción. Si no se considera el aumento de la lente en sí, el aumento de dicho microscopio dependerá de la relación de la segunda longitud de onda. a la primera longitud de onda, si la primera luz es de rayos X y la segunda luz es luz visible ordinaria, el aumento es suficiente para permitir a los humanos "ver" los átomos a simple vista. Para lograr esta doble longitud de onda, debemos hacerlo. Primero intente registrar "completamente" el patrón de difracción producido por la primera longitud de onda. La llamada integridad significa que no solo se debe registrar la amplitud de difracción sino también la fase de difracción. Desafortunadamente, Brag nunca resolvió este problema. Inspirándose en la idea de la microscopía de doble longitud de onda, para mejorar la resolución de los microscopios electrónicos y mejorar la calidad de las imágenes de la microscopía electrónica, D. Gabor propuso la tecnología de holografía electrónica que registra la amplitud y la fase de la difracción de electrones. Debido a las limitaciones técnicas de la óptica electrónica en ese momento, Gabor solo usó luz visible para realizar experimentos de simulación. Su artículo fue recomendado por Bragg y publicado en Proceedings of the Royal Society. En ese momento, a excepción de Bragg, Me temo que no mucha gente se interesó por el artículo de Gabor. Casi diez años después, aparecieron los láseres en la banda de luz visible y pronto Grbor ganó el Premio Nobel de Física en 1971. No tiene nada que ver con el análisis de la estructura cristalina, pero en realidad ambos tienen un vínculo indisoluble.
Una imagen de microscopio electrónico refleja la proyección del objeto observado a lo largo de la dirección incidente del electrón. Reconstruir una imagen tridimensional de un objeto a partir de un número limitado de proyecciones ampliará el campo de visión del microscopio electrónico desde un espacio bidimensional a un espacio tridimensional. A. Klug del Reino Unido aplicó el principio del análisis de la estructura cristalina. a la microscopía electrónica en 1968. Estableció la llamada tecnología de reconstrucción tridimensional y así creó la "microscopía electrónica de cristales". Es una parte importante de la "cristalografía electrónica" que ha surgido en los últimos años. A A. Klug se le atribuye la creación de ". microscopía electrónica de cristal" y lo utilizó para revelar. Ganó el Premio Nobel de Química en 1982 por la estructura de un importante complejo de ácido nucleico y proteína. Lo interesante es que los conocidos instrumentos de diagnóstico por tomografía computarizada y rayos X médicos también se construyen basándose en sobre principios de reconstrucción tridimensional similares. La persona es A. M. Cormack de los Estados Unidos, y era 1978. Cormack ganó el Premio Nobel de Fisiología y Medicina al año siguiente.
Han pasado más de ochenta años. Desde el análisis de la estructura cristalina, ¿debería haber un Para responder a esta pregunta, primero debemos mirar la experiencia del método directo Cuando H. Hauptman y J. Karle ganaron el Premio Nobel por el método directo en 1985, algunas personas estaban. Ansiosos por poner fin al método directo, propusimos en la 14ª Sociedad Cristalográfica Internacional en 1987 que el método directo debería trascender los campos tradicionales para abrir nuevas áreas. También señalamos las siguientes formas de desarrollar nuevas aplicaciones del método directo.
· Desde muestras monocristalinas hasta muestras de cristales en polvo
· Desde pequeños puntos;
iones a macromoléculas biológicas
· De cristales completos a cristales incompletos
· De la cristalografía de rayos X a la microscopía electrónica de alta resolución
Hoy, ocho. años después, el método directo ha logrado grandes avances en los cuatro aspectos anteriores. Nuestro país ocupa una posición importante en tres de ellos. El método directo se ha utilizado en el análisis estructural de muestras de cristales en polvo y ha logrado el éxito inicial. cambiando la cara del análisis de la estructura cristalina del polvo, haciéndolo más rápido, más efectivo, más objetivo y confiable. El método directo se ha utilizado en experimentos sobre la estructura de macromoléculas biológicas y ha logrado resultados alentadores, y se espera que se utilice en el futuro cercano. futuro Ayuda a mejorar el nivel de análisis estructural de macromoléculas biológicas. El método de composición directa se utiliza para cristales incompletos con defectos periódicos, y se desarrolla el "método directo del espacio multidimensional". La estructura cristalina modulada" "(la estructura cristalina incompleta común en materiales sólidos) ya no necesita depender de un modelo "adivinado". Ha desempeñado un papel importante en el estudio de la modulación inconmensurable de la estructura de los materiales superconductores y ha descubierto algunas cosas que sí lo han hecho. No se han informado antes detalles estructurales importantes. El método directo ingresa a la microscopía electrónica de alta resolución, lo que lleva a un nuevo método de procesamiento de imágenes de microscopía electrónica. Las aplicaciones prácticas preliminares muestran que puede eliminar eficazmente la interferencia causada por las aberraciones y puede multiplicar este método. Puede mejorar enormemente la resolución de las imágenes. Este método se ha utilizado para estudiar la estructura de materiales superconductores. Parece que el método directo aún está lejos de estar "completado". No hace falta decir que toda la estructura cristalina se puede esperar que, con el mayor desarrollo del análisis de la estructura cristalina en teoría y tecnología, desempeñará un papel más importante en un campo más amplio y a un nivel más profundo.