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 un contenido de investigación importante en muchos. 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 sus aplicaciones. del Premio Nobel registró la estructura cristalina Analiza los principales acontecimientos de la historia y demuestra 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 rayos X. Los métodos de análisis de difracción y los métodos de imágenes microscópicas representados por 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. para determinar 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. 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. resolver la transformada de Fourier 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.
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. permite a los humanos observar cuantitativamente la posición de los átomos en el cristal. Por este motivo, 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. W. L. Bragg 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 proporcionó la base experimental más antigua para la química estructural de los silicatos. Los metales y las aleaciones contribuyeron a la metalurgia física, la física de los metales y la química de fases. 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. un papel importante en el estudio de compuestos inorgánicos.
El éxito del experimento despertó el interés de la gente por la estructura interna de la materia orgánica, especialmente la materia viva. El Reino Unido comenzó a estudiar la estructura cristalina de la materia orgánica a mediados de la década de 1920, sin embargo, más de diez años después, no se había conseguido nada. La razón es que la tecnología y los métodos de análisis en ese momento todavía eran muy primitivos. Esto marcó el comienzo del período de gran desarrollo de los métodos y tecnologías de análisis de la estructura cristalina en las décadas de 1930 y 1940. "Problema de fase" en el análisis de la estructura cristalina se utilizó para resolver el problema en los primeros análisis de la estructura cristalina. El método para el problema de fase es el llamado método de prueba. El punto principal es: primero adivinar un modelo estructural basado en las pistas que tiene Ni. dominado, luego calcule un conjunto correspondiente de intensidades de difracción teóricas de este modelo y luego compárelo con las intensidades de difracción experimentales. Modifique el modelo en consecuencia. Los pasos anteriores deben repetirse muchas veces hasta que las intensidades de difracción teóricas y experimentales sean consistentes. Un "método" para determinar la estructura cristalina muestra que los experimentos científicos se parecen más a creaciones artísticas. Obviamente, no es adecuado para la determinación de la necesidad de estructuras cristalinas complejas, ya a finales de la década de 1920, W. L. Bragg y J. M. Cork en el Reino Unido. el llamado método del átomo pesado y el método de sustitución isomorfa para resolver el problema de fase El método del átomo pesado La idea general es: asumir que el cristal contiene una pequeña cantidad de átomos con números atómicos más grandes, los llamados átomos pesados, y sus posiciones. son conocidos, entonces la contribución de los átomos pesados a la fase se puede calcular y usar para reemplazar la contribución de todos los átomos. Fase Usando esta fase y la amplitud de difracción medida experimentalmente, se puede calcular aproximadamente un mapa de densidad de electrones que representa la estructura cristalina. El punto clave del método de posicionamiento isomorfo es que si se puede preparar el peso del cristal que se va a medir, se pueden preparar derivados atómicos, y el cristal del derivado es "isomorfo" con el cristal original 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 posteriormente hicieron contribuciones clave en el análisis de la estructura cristalina de una serie de sustancias orgánicas y proteínas. gran papel durante mucho tiempo después de su nacimiento. La razón es que ambos dependían de métodos conocidos. En ese momento, no existía ningún método para determinar la posición de los átomos pesados. En 1934, A. L. Patterson de los Estados Unidos propuso utilizar el cuadrado de. la amplitud de difracción como coeficiente para calcular la serie de Fourier, evitando así 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. Del cristal se pueden extraer, en primer lugar, las posiciones de los átomos pesados. Esta serie de Fourier calculada mediante el cuadrado de la amplitud de difracción se denominó posteriormente función de Patterson; el método de análisis correspondiente se denominó método de Patterson. El método de Patterson y el método del átomo pesado basado en él, el método de sustitución isomorfa, etc., se han utilizado para resolver problemas de fase en el análisis de estructuras monocristalinas por rayos X, junto con la mejora de la tecnología experimental y el refinamiento de la estructura. Gracias a la tecnología, el análisis de la estructura cristalina ha alcanzado un nivel sin precedentes y finalmente ha abierto el gran tesoro de la materia orgánica y las sustancias vivas.
American L. El equipo dirigido por Pauling pasó más de diez años determinando las estructuras cristalinas de un. serie de aminoácidos y péptidos, a partir de los cuales resumieron los principios básicos de la formación de configuraciones de cadenas polipeptídicas e infirieron en 1951 que las cadenas polipeptídicas formarán una configuración de hélice a o configuración de capa plegada. Este es un ejemplo muy exitoso de predicción de las características estructurales de. macromoléculas biológicas resumiendo las reglas estructurales de moléculas pequeñas. Por esto Pauling ganó el Premio Nobel de Química en 1954. El equipo dirigido por D. Hodgkin del Reino Unido midió una serie de importantes La estructura cristalina de sustancias químicas, incluidas las cianinas y. vitaminas Ganó el Premio Nobel de Química en 1964. El estadounidense W. N. Lipscomb 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. Se puede decir que sin la acumulación a largo plazo de teoría y tecnología en el análisis de la estructura cristalina, no habría premios Nobel. J. D. Bernal del Reino Unido comenzó a utilizar el estudio de difracción de rayos X ya a mediados de la década de 1930. de la estructura de las proteínas, pero se lograron avances reales bajo el liderazgo 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 es un centro internacional de investigación de física atómica. cambios en el poder nacional y la propia Universidad de Cambridge. Cuando W. L. Bragg asumió el poder en 1938, el estatus de Cavendish había comenzado a declinar. Después de asumir el cargo, Bragg se adaptó decisivamente a la situación y renunció voluntariamente a su estatus de "Centro Internacional para el Desarrollo". Física Atómica" y en su lugar aprovechó dos nuevos avances en física en ese momento. Aplicaciones: análisis de difracción de rayos X en biología y tecnología de radar en astronomía. Este movimiento permitió al Reino Unido "liderar al mundo en nuevas tendencias" en la creación de biología molecular y radioastronomía.
Historia de la biología molecular Entre los descubrimientos que marcaron época, dos provinieron del Laboratorio Cavendish. El primero fue el de J. D. Watson y F. H. C. Crick en 1953, que establecieron la estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN). ) basado en experimentos de difracción de rayos X. Combinó la investigación genética avanzada al nivel molecular. Este trabajo ganó el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962. Otro trabajo fue la determinación de la estructura cristalina de la mioglobina y la hemoglobina mediante rayos X. El análisis de difracción comenzó en la década de 1930, duró más de 20 años y en él participaron muchos científicos. Las estructuras cristalinas de estas dos proteínas se determinaron finalmente en 1960. Este trabajo no sólo reveló la estructura tridimensional interna de las macromoléculas biológicas. por primera vez, pero también proporcionó una base para la determinación de macromoléculas biológicas. La estructura cristalina macromolecular proporciona un método eficaz que todavía se utiliza hoy en día: el método de sustitución isomórfica de pares múltiples. Se basa en el método de sustitución isomórfica original, pero agrega nuevos. contenidos en tecnología experimental y teoría analítica, J. C. Kendrew y M. F. Perutz ganaron el Premio Nobel de Química en 1962. Al ver la gloria de sus logros, no pueden evitar pensar en las dificultades de la exploración: En 1947. , en la Gran Bretaña de la posguerra, la financiación para la investigación científica era escasa, J. C. Kendrew y M. F. Perutz, que se dedicaban al análisis de la estructura cristalina de proteínas, buscaron financiación y W. L. Bragg se acercó al Consejo Británico de Investigación Médica (MRC). MRC: "...si se puede obtener financiación, los resultados de nuestra investigación contribuirán a nivel molecular a comprender el funcionamiento de la vida. Pero aun así, probablemente pasará mucho tiempo antes de que pueda producir algún beneficio en medicina". El director del MRC en ese momento tomó este riesgo y estableció un instituto de investigación que solo incluía a Kendrew y Perutz. El grupo de investigación del MRC tomó quince años para que este generoso apoyo comenzara a dar frutos. El grupo se ha convertido ahora en el mundialmente famoso Laboratorio de Biología Molecular MRC con cientos de investigadores. Después de Kendrew y Perutz, otros que ganaron el Premio Nobel por determinar la estructura cristalina de las proteínas fueron J. Deisenhofer de los Estados Unidos y R. Huber y H. Michel. de Alemania ganaron el Premio Nobel en 1988 por su determinación de la estructura tridimensional del centro fotosintético. Premio Nobel de Química
El "método directo" en el análisis de la estructura cristalina ha tomado un camino diferente. El método Patterson no es como el método Patterson que llegó al mundo debido a necesidades urgentes y pronto se hizo popular. En 1947, el nacimiento del método directo coincidió con el éxito del método Patterson. Sostuvieron diagramas de Patterson de varios cristales y trabajaron diligentemente. No tenían intención de utilizar otro método para cambiar su sabor. Sin embargo, en los cristales hay un pequeño grupo de científicos que quieren comprender las leyes del análisis de difracción en sí. fase de difracción "perdida" o es invisible a nuestros propios ojos mortales? Su respuesta es: no se pierde y está oculta en la amplitud de difracción. De esta manera se produjo el "método directo". utilizan métodos matemáticos, bajo ciertas restricciones, para derivar directamente sus propias fases a partir de un conjunto de amplitudes de difracción. Al principio, porque el método directo en sí no era perfecto y porque se recopiló en ese momento.
La precisión de los datos de difracción todavía no cumplía los requisitos. Durante los más de diez años transcurridos desde su nacimiento hasta principios de los años 1960, el método directo fue básicamente un ejercicio en papel. Durante toda la década de 1950, al establecer el sistema teórico del método directo, I. L. Karle y J. Karle lograron dos avances importantes en 1963 y 1964: resolvieron dos estructuras cristalinas que no eran fáciles de resolver mediante otros métodos, incluido uno no central. Estructura simétrica Antes de esto, se creía generalmente que el método directo no podía usarse para estructuras no centrosimétricas. Más tarde, M. M. Woofson y otros lograron avances revolucionarios al desarrollar un nuevo algoritmo para el método directo y estandarizarlo. En la década de 1970, el método directo finalmente reemplazó al método de Patterson y tomó la posición dominante en el análisis de estructuras cristalinas de moléculas pequeñas. El éxito del método directo multiplicó por diez la capacidad y la eficiencia del análisis de estructuras cristalinas. química. Desarrolló y contribuyó a la creación del diseño de fármacos. Por este motivo, dos pioneros del método directo, H. Hauptman y J. Karle, ganaron el Premio Nobel de Química en 1985.
Métodos de obtención de imágenes microscópicas. Para el análisis de la estructura cristalina, también ha pasado por un proceso de desarrollo extraordinario. El uso del análisis de difracción para determinar la estructura cristalina es algo así como descifrar códigos. ¿Es el estudio de la estructura cristalina a través de imágenes microscópicas comparable a la lectura de imágenes? A simple vista, se trata de una imagen familiar que magnifica la estructura cristalina. La historia comienza con la búsqueda de dicha imagen. El proceso de obtención de imágenes de microscopios ópticos ordinarios, como los microscopios electrónicos (en condiciones de aproximación paraxial), puede considerarse como dos eventos sucesivos. Es decir, cuando el haz de luz o de electrones incide en el objeto observado, primero produce un patrón de difracción (equivalente a una transformación de Fourier del objeto). produce un "patrón de difracción de patrones de difracción" (es decir, se realiza otra transformación de Fourier sobre la transformación universal de Fourier del objeto), que es la imagen del objeto. En 1942, presidía el trabajo del Laboratorio Cavendish y. El analista W. L. Bragg participó personalmente en la estructura cristalina de las proteínas y tuvo una idea extraña: si se pudiera construir un microscopio de "doble longitud de onda", utilizaría luz de una determinada longitud de onda para la primera difracción y para la segunda difracción cuando se utilizara otra longitud de onda de luz. En un microscopio de este tipo, si no se considera el efecto de aumento de la lente en sí, el factor de aumento dependerá de la relación entre la segunda longitud de onda y la primera longitud de onda. Si la primera luz es de rayos X, el segundo tipo de luz es visible ordinaria. luz, y su aumento es suficiente para permitir a las personas "ver" los átomos a simple vista. Para lograr esta microscopía de doble longitud de onda, primero se debe intentar registrar "completamente" el patrón de difracción generado por la primera longitud de onda. -La llamada integridad significa que no sólo se debe registrar la amplitud de difracción sino también la fase de difracción. Desafortunadamente, Brag nunca resolvió este problema, siete años después, inspirado por la idea de la microscopía de doble longitud de onda, para mejorar la resolución. de los microscopios electrónicos D. Gabor propuso la holografía electrónica que registra la amplitud y la fase de la difracción de electrones juntas. En ese momento, debido a las limitaciones técnicas de la óptica electrónica, Gabor solo utilizó luz visible para realizar experimentos de simulación. Su artículo fue recomendado por Bragg. y publicado en Proceedings of the Royal Society, esto fue en 1949. En ese momento, excepto Bragg, probablemente no mucha gente estaba interesada en el artículo de Gabor. Casi diez años después, aparecieron los láseres en la banda de luz visible. apareció la holografía óptica, que es casi un nombre familiar. Grbor ganó el Premio Nobel de Física en 1971. Este premio parece no tener nada que ver con el análisis de la estructura cristalina, pero en realidad los dos tienen un matrimonio indisoluble. > Una imagen de microscopio electrónico refleja la proyección del objeto observado a lo largo de la dirección de incidencia del electrón. Si la imagen tridimensional del objeto se puede reconstruir a partir de un número limitado de proyecciones, esto cambiará el campo de visión del microscopio electrónico de dos. El espacio tridimensional se extiende al espacio tridimensional. En 1968, A. Klug del Reino Unido aplicó el principio del análisis de la estructura cristalina a la microscopía electrónica y estableció la llamada tecnología de reconstrucción tridimensional.
Creó la "microscopía electrónica de cristal". Es una parte importante de la "cristalografía electrónica" que ha surgido en los últimos años. A A. Klug se le atribuye la creación de la "microscopía electrónica de cristal" y la utilizó para revelar importantes complejos de ácido nucleico y proteína. Esta estructura ganó el Premio Nobel de Química en 1982. Lo interesante es que el conocido instrumento de diagnóstico por tomografía por rayos X médico también está construido basándose en un principio de reconstrucción tridimensional similar. El inventor es A. M. Cormack de los Estados Unidos. Era el año 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 una conclusión? respondió. Veamos primero la experiencia del método directo. Cuando H. Hauptman y J. Karle ganaron el Premio Nobel por el método directo en 1985, algunas personas estaban ansiosas por poner fin al método directo. en 1987 En la Sociedad Cristalográfica Internacional de 2016, se propuso que el método directo debería trascender los campos tradicionales para abrir nuevas áreas, y también señaló las siguientes formas de desarrollar nuevas aplicaciones del método directo:
· Desde muestras monocristalinas hasta muestras de cristales en polvo
· De pequeñas moléculas a macromoléculas biológicas
· De cristales completos a cristales incompletos
· De X-; cristalografía de rayos hasta 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. se utiliza El análisis estructural de muestras de cristales en polvo ha logrado un éxito inicial. Está cambiando la cara del análisis estructural de cristales en polvo, haciéndolo más rápido, más efectivo, más objetivo y confiable. El método directo se ha utilizado para probar la estructura de macromoléculas biológicas. y ha logrado resultados impresionantes. Se espera que los resultados alentadores ayuden a mejorar el nivel de análisis estructural de macromoléculas biológicas en un futuro próximo. El método de composición directa se utiliza para cristales incompletos con defectos periódicos para desarrollar un "método directo en el espacio multidimensional". ". Este método se utiliza para determinar la "estructura cristalina de modulación no proporcional" (estructura cristalina incompleta común en materiales sólidos) sin depender de un modelo "adivinado". Ya se ha utilizado para estudiar la modulación no proporcional de estructuras de materiales superconductores. Desempeña un papel importante en el descubrimiento de algunos detalles estructurales importantes que no se han informado antes. El método directo ingresa a la microscopía electrónica de alta resolución, lo que conduce a un nuevo método de procesamiento de imágenes de microscopía electrónica. Las aplicaciones prácticas preliminares muestran que puede eliminar eficazmente. La interferencia causada por la aberración puede aumentar exponencialmente la resolución de la imagen. Este método se ha utilizado para estudiar la estructura de materiales superconductores. Parece que el método directo todavía está lejos de su "final". método, y todo el análisis estructural cristalino es evidente. 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.