Kann die Proteinstruktur durch Röntgenbeugung in einem einzigen Bild bestimmt werden?

Ich lese über die Verwendung von Röntgenkristallographie zur Bestimmung der Proteinstruktur. Laut meinem Buch werden Daten bei 30-360 Winkeln gesammelt (abhängig von der Symmetrie des Proteins). Eine Veranschaulichung erfolgt mit konzentrischen Ringen, die mit Abständen beschriftet sind – je weiter die Punkte entfernt sind, desto höher ist die Auflösung.

Handelt es sich bei dem Bild um ein zusammengesetztes Bild (wobei der Winkel des Punkts von der Mitte dem Lesewinkel entspricht) oder wird bei jedem Winkel ein separates Bild aufgenommen? Gibt es andere Gründe, warum mehr Bilder erforderlich wären?

Vielen Dank.

Ich kann nicht auf die Details antworten, aber soweit ich es verstehe, nehmen sie mehrere Bilder auf, während sie den Winkel ändern.
Das stimmt. Ich habe mich gefragt, ob die Bilder irgendwie überlagert werden könnten, da mir das nicht ganz klar war.
Aus dem, was Sie schreiben, geht nicht hervor, ob Sie mit dem Analyseverfahren der Röntgenbeugung vertraut sind. Ist Ihnen klar, dass das Beugungsmuster mathematisch analysiert werden muss, um das endgültige „3D-Bild“ des Kristalls zu erhalten?
Ich muss den Antworten unten zustimmen, es ist am besten, die Lichtbeugung vom Kristall bei Mehrfachbelichtungen im Bereich von 0 bis 180 Grad zu sammeln.

Antworten (4)

Sie können eine Struktur nicht mit einem einzigen Rahmen lösen, auch nicht mit perfekter Beugung.

Der Grund, warum Sie Bilder über einen großen Bereich von Winkeln benötigen, liegt darin, dass das Beugungsmuster auch dreidimensional ist, im sogenannten "reziproken Raum". Es ist mindestens eine Drehung des Kristalls um 180 ° erforderlich, um die gesamte reziproke Raumkugel mit der Erfassungsebene zu überstreichen, obwohl die Symmetrie in der Kristallstruktur dies weiter reduzieren kann (einige meiner Proteine ​​​​erforderten nur 90 °, ich denke, hexagonale Einheitszellen bei 6-zähliger Symmetrie kann mit 30° leben). Da Kristalle reale Dinge sind (sprich: nicht ideal, doppelt so für Proteinkristalle), wird der Sweep erweitert, um eine gewisse Redundanz zu erreichen.

Wahrscheinlich nicht. Während man von einem hochwertigen Kristall hervorragende Beugungsdaten erhalten kann, wäre es äußerst schwierig, das Phasenproblem zu lösen. Die zusätzlichen Winkel helfen, die Lösungen einzuschränken.

Nicht durch die Analyse eines einzelnen Proteins. Es wird mit Röntgenlasern gearbeitet.

Sie müssen ein simultanes Bild von Millionen von Proteinen machen und daraus eine Struktur erhalten. Es ist nicht ganz Primetime. Menschen tun dies auch mit Elektronenstrahlen in Elektronenmikroskopen.

Diese Methoden werden 3D-Modelle der Moleküle rekonstruieren, manchmal in Zuständen, die nicht durch Kristallographie erhalten werden können. Beispiele sind die Struktur des Kernporenkomplexes mit vielen Megadalton und der f-Aktin-Faser. Die klassische Studie ist ein 3D-Modell von Bakteriorhodopsin, der ersten Membranproteinstruktur mit molekularer Auflösung (dies war jedoch eine kristalline Probe).

Während es im Prinzip viel einfacher klingt - nehmen Sie eine reine Probe Ihres Proteins oder komplexieren Sie und frieren Sie es ein und zappen Sie es mit einem Röntgen- oder Elektronenstrahl, aber es ist viel mehr Arbeit, das Bild zu rekonstruieren und kann genauso lange oder länger dauern als eine Röntgenstruktur bekommen. Die Auflösung ist normalerweise auch schlecht, da der Kristall die Kohärenz verstärkt, dh alle Proteine ​​​​sind auf die gleiche Weise ausgerichtet und haben in einem Kristall nahezu dieselbe 3D-Form.

Danke für deine Antwort. Ich habe es in meiner Frage nicht erwähnt, aber mein Buch sagt, dass eine große Anzahl kristallisierter Proteine ​​​​erforderlich sind und dass die gleichzeitige Beugung das Signal verstärkt. Was ich fragen wollte, ist, ob eine Art von kristallisierter Proteinkonformation aus einem einzigen Bild bestimmt werden kann oder ob viele verschiedene Bilder für jeden Rotationswinkel produziert werden müssten. Aus Ihrer Antwort klingt es, als ob alle erforderlichen Informationen auf einem Bild gespeichert sind - ist das richtig?
Ich bin verwirrt von Ihrer Antwort, was meinen Sie mit "es ist nicht ganz die Hauptsendezeit"? Elektronenmikroskopische Bilder liefern auch nicht annähernd die Auflösung, die Sie mit Röntgenkristallographie erreichen können.
@MadScientist Ich denke, die Implikation ist, dass überlagerte Bilder auch in EM verwendet werden, um die Struktur zu rekonstruieren. Der Fall ist natürlich etwas anders, da EM im Allgemeinen keine kristallisierten Strukturen verwendet, sodass die Proteine ​​​​im Bild nicht alle die gleiche Orientierung haben, was entscheidend ist.
CryoEM verwendet auch keine Röntgenstrahlen.
Ich denke, dass, obwohl sie sehr hart arbeiten, der Röntgenlaser und die Kryo-EM-Rekonstruktion keine so konsistenten Ergebnisse liefern wie die Kristallographie. Wenn die Proteine ​​​​nur auf einer Oberfläche liegen, können sie ihre Form verzerren, und daher kann die Neukombination der Bilder die Interpretation erschweren.
@Mad Scientist Kommentar begann lang zu laufen, bearbeitete Antwort..

Kann die Proteinstruktur durch Röntgenbeugung in einem einzigen Bild bestimmt werden?

Ja. Mit einer Technik namens Laue-Beugung ist es möglich, aus einem einzigen Bild genügend Daten zu erhalten, um eine Proteinkristallstruktur zu lösen. Ein Beispiel ist die zeitaufgelöste Untersuchung der Dissoziation von Kohlenstoffmonoxymyoglobin durch Photolyse (DOI: 10.1107/S090904959501661X). Dies ist nicht die gewöhnlich verwendete Standard-Einzelwellenlängentechnik, sondern verwendet "weiße" Röntgenstrahlen mit einem Wellenlängenbereich, der nur bei Synchrotronstrahlen verfügbar ist. Beispielsweise stellt die BioCARS User Facility Infrastruktur für zeitaufgelöste Kristallographie bereit. Es wird auch bei der "Beugung vor der Zerstörung" beim Arbeiten mit Freie-Elektronen-Lasern verwendet, siehe zum Beispiel Nature Methods 8, Seite 283 (2011).

Der Rest der Antwort bezieht sich auf die herkömmliche Einwellenlängen-Kristallographie.

Handelt es sich bei dem Bild um ein zusammengesetztes Bild (wobei der Winkel des Punkts von der Mitte dem Lesewinkel entspricht) oder handelt es sich um ein separates Bild, das bei jedem Winkel aufgenommen wurde?

Die gewünschte Strukturinformation (3D-Elektronendichte im Realraum) ist eine Fourier-Transformation der Beugungsdaten (3D-Reziprokraum). Das Wort „Bild“ ist Fachjargon für ein einzelnes Beugungsbild, dh die Beugungspunkte, die Sie beobachten, wenn Sie einen Röntgenstrahl in einer bestimmten Ausrichtung auf einen Kristall richten. Wenn Sie eine andere Ausrichtung verwenden, erhalten Sie mehr Daten (und messen einige Punkte auch mehrmals).

Gibt es andere Gründe, warum mehr Bilder erforderlich wären?

Je mehr Beugungsbilder gesammelt werden, desto höher ist die Vollständigkeit und Redundanz der Daten. Vollständigkeit bezieht sich darauf, jeden Beugungsfleck mindestens einmal gemessen zu haben. Die Redundanz bezieht sich darauf, wie oft ein Punkt im Durchschnitt gemessen wurde, und eine zunehmende Redundanz erhöht die Qualität der Messung durch Mittelung.

Ich akzeptiere, dass dies die spezifische Frage "Ist es möglich?" Beantwortet, aber dies war eher ein Proof of Concept. Wissen Sie, ob dies in gewissem Umfang übernommen wurde – in Fällen, in denen es nicht möglich war, mehr Bilder zu erhalten, Verwendung gefunden hat? Könnten Sie auch die Originalreferenz zitieren? Researchgate ist keine Zeitschrift.
Dies wird routinemäßig in der zeitaufgelösten Kristallographie und in der "Beugung vor der Zerstörung" beim Arbeiten mit Freie-Elektronen-Lasern verwendet XFEL, Nature Methods 8, Seite 283 (2011)
Vielen Dank. Sie sollten dies zu Ihrer Antwort hinzufügen und ich werde es positiv bewerten. Leider wird diese Liste von Biologen dominiert, die ich „pelzige Tiere“ nenne. Ich nehme an, daran ist nichts auszusetzen, aber die Mühe, die in sachliche, harte wissenschaftliche Antworten investiert wird, wird selten in Brownie-Punkten belohnt.
@David Ja, ich war von StackExchange Chemistry zu Besuch. Es gibt Fragen in der Biochemie, die in beide Richtungen gehen können, genauso wie es Fragen gibt, die in die Physik oder Chemie passen, aber eine andere Art von Antwort (oder keine) bekommen. Nicht, dass an der Organismusbiologie etwas falsch wäre.
Solange genügend reziproker Platz gesammelt wurde, ist das natürlich möglich. Wie das Phasenproblem bei der Laue-Beugung gehandhabt wird, weiß ich einfach nicht, aber ich würde annehmen, dass molekularer Ersatz oder experimentelle Phasen verwendet werden können?
@JeppeNielsen Oft wird die Struktur durch Fourier-Differenz gelöst, dh der größte Teil der Einheitszelle ist mit einer bekannten Struktur identisch, mit Ausnahme von Änderungen in der Ligandenbindungsstelle. Mit Freie-Elektronen-Lasern könnte man im Prinzip einen phasenempfindlichen Detektor bauen und die Phasen direkt messen.
@KarstenTheis, was Sie als Fourier-Differenz bezeichnen, entspricht der Phase des molekularen Ersatzes. Ich weiß nicht, wie man einen phasenempfindlichen Detektor für einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) schaffen würde, wenn man dies für synchrotronbasierte Röntgenstrahlen nicht tun kann. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Lichtquellen ist der Spitzenphotonenfluss und die Pulsdauer. Ist Ihnen bewusst, dass die Elektronen vor dem Beugungsexperiment von den Röntgenstrahlen getrennt werden, müssen Sie also sowohl die Phase als auch die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlen bestimmen, nicht die geladenen Elektronen.
@JeppeNielsen Der molekulare Ersatz erfordert eine Rotations- und Translationssuche, häufig mit Patterson-Methoden. Sobald die Orientierung von Molekülen in der unbekannten Struktur bekannt ist, werden Fourier-Differenzverfahren verwendet, um das Modell anzupassen.
@JeppeNielsen Der Unterschied zwischen XFEL und Synchrotronstrahlung besteht meines Wissens darin, dass XFEL kohärent ist (alle die gleiche Phase) und Synchrotronstrahlung nicht (mehrere Elektronen summieren sich, um die Röntgenstrahlen zu erzeugen, nicht kohärent).
Kann die Proteinstruktur durch Röntgenbeugung in einem einzigen Bild bestimmt werden?
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