¿Se puede determinar la estructura de la proteína por difracción de rayos X en una sola imagen?

Estoy leyendo sobre el uso de la cristalografía de rayos X para determinar la estructura de las proteínas. Según mi libro, los datos se recopilan en ángulos de 30-360 (dependiendo de la simetría de la proteína). Se proporciona una ilustración con anillos concéntricos etiquetados con distancias: cuanto más lejos estén los puntos, mayor será la resolución.

¿La imagen es un compuesto (donde el ángulo del punto desde el centro es equivalente al ángulo de la lectura) o se toma una imagen separada en cada ángulo? ¿Hay alguna otra razón por la que se necesitarían más imágenes?

Gracias.

No puedo responder sobre los detalles, pero según tengo entendido, toman varias imágenes mientras cambian el ángulo.
Así es. Me preguntaba si las imágenes podrían superponerse de alguna manera, ya que eso no me quedó muy claro.
De lo que escribe no queda claro si está familiarizado con el proceso de análisis de la difracción de rayos X. ¿Está claro para usted que el patrón de difracción debe analizarse matemáticamente para obtener la "imagen 3D" final del cristal?
Estoy de acuerdo con las respuestas a continuación, es mejor recolectar la difracción de la luz del cristal en múltiples exposiciones dentro del rango de 0 a 180 grados.

Respuestas (4)

No puedes resolver una estructura con un solo marco, incluso con difracción perfecta.

La razón por la que necesita imágenes en una gran franja de ángulos es porque el patrón de difracción también está en tres dimensiones, en el llamado "espacio recíproco". Como mínimo, se necesita una rotación de 180 ° del cristal para barrer toda la esfera del espacio recíproco con el plano de detección, aunque la simetría en la estructura del cristal puede reducir esto aún más (algunas de mis proteínas solo requieren 90 °, creo que las células unitarias hexagonales con simetría de 6 veces puede vivir con 30°). Debido a que los cristales son cosas reales (léase: no ideales, doblemente para los cristales de proteínas), el barrido se extiende para ganar algo de redundancia.

Probablemente no. Si bien se pueden obtener excelentes datos de difracción de un cristal de alta calidad, sería extremadamente difícil resolver el problema de la fase. Los ángulos adicionales ayudarán a restringir las soluciones.

No analizando una sola proteína. Hay trabajo con láseres de rayos X.

Tienes que tomar una imagen simultánea de millones de proteínas y usarla para obtener una estructura. No es el horario de máxima audiencia. La gente también está haciendo esto con haces de electrones en microscopios electrónicos.

Estos métodos reconstruirán modelos 3D de las moléculas, a veces en estados que no se pueden obtener de la cristalografía. Los ejemplos son la estructura del complejo de poros nucleares de muchos megadalton y la fibra de actina f. El estudio clásico es el modelo 3d de la bacteriorrodopsina, la primera estructura de proteína de membrana que tenía una resolución molecular (aunque esta era una muestra cristalina).

Si bien, en principio, suena mucho más simple: obtener una muestra pura de su proteína, o compleja, congelarla y eliminarla con un haz de rayos X o de electrones, es mucho más trabajo reconstruir la imagen y puede llevar tanto tiempo o más que obteniendo una estructura de rayos x. La resolución también suele ser pobre ya que el cristal reforzará la coherencia, es decir, todas las proteínas están alineadas de la misma manera y tienen casi la misma forma 3D en un cristal.

Gracias por tu respuesta. No lo mencioné en mi pregunta, pero mi libro dice que se requiere una gran cantidad de proteínas cristalizadas y que la difracción simultánea amplifica la señal. Lo que estaba tratando de preguntar es si se puede determinar un tipo de conformación de proteína cristalizada a partir de una sola imagen o si se necesitarían producir muchas imágenes diferentes para cada ángulo de rotación. Según su respuesta, parece que toda la información requerida está almacenada en una imagen, ¿es correcto?
Estoy confundido por su respuesta, ¿qué quiere decir con "no es el horario de máxima audiencia"? Las imágenes microscópicas electrónicas tampoco proporcionan la resolución que se puede lograr con la cristalografía de rayos X.
@MadScientist Creo que la implicación es que las imágenes superpuestas también se usan en EM para reconstruir la estructura. El caso es algo diferente, por supuesto, ya que EM en general no usa estructuras cristalizadas, por lo que las proteínas en la imagen no tienen todas la misma orientación, lo cual es crucial.
CryoEM tampoco utiliza ningún haz de rayos X.
Creo que si bien están trabajando muy duro, la reconstrucción con láser de rayos X y crio EM no produce un conjunto de resultados tan consistente como la cristalografía. cuando las proteínas simplemente se encuentran en una superficie, pueden distorsionarse y, por lo tanto, la recombinación de las imágenes puede ser difícil de interpretar.
El comentario de @Mad Scientist comenzó a ser largo, la respuesta editada ...

¿Se puede determinar la estructura de la proteína por difracción de rayos X en una sola imagen?

Sí. Usando una técnica llamada difracción de Laue, es posible obtener suficientes datos de una sola imagen para resolver una estructura cristalina de proteína. Un ejemplo es el estudio de resolución temporal de la disociación de la monoximioglobina de carbono por fotólisis (DOI: 10.1107/S090904959501661X). Esta no es la técnica estándar de longitud de onda única que se usa generalmente, pero usa rayos X "blancos" con un rango de longitudes de onda disponibles solo en haces de sincrotrón. Por ejemplo, la instalación de usuario de BioCARS proporciona infraestructura para la cristalografía de resolución temporal. También se utiliza en "difracción antes de la destrucción" cuando se trabaja con láseres de electrones libres; véase, por ejemplo, Nature Methods 8, página 283 (2011).

El resto de la respuesta es sobre la cristalografía convencional de longitud de onda única.

¿La imagen es un compuesto (donde el ángulo del punto desde el centro es equivalente al ángulo de la lectura) o es una imagen separada tomada en cada ángulo?

La información estructural deseada (densidad de electrones 3D en el espacio real) es una transformada de Fourier de los datos de difracción (espacio recíproco 3D). La palabra "imagen" es jerga para una sola imagen de difracción, es decir, los puntos de difracción que observa cuando apunta un haz de rayos X a un cristal en una cierta orientación. Usando una orientación diferente, obtiene más datos (y también mide algunos puntos varias veces).

¿Hay alguna otra razón por la que se necesitarían más imágenes?

Cuantas más imágenes de difracción se recopilen, mayor será la integridad y la redundancia de los datos. La integridad se refiere a haber medido cada punto de difracción al menos una vez. La redundancia se refiere a la frecuencia promedio con la que se midió un punto, y el aumento de la redundancia aumenta la calidad de la medición a través del promedio.

Acepto que esto responde a la pregunta específica "¿Es posible?", Pero esto fue más bien una prueba de concepto. ¿Sabe si esto se ha adoptado hasta cierto punto, se ha encontrado uso en circunstancias en las que no era posible obtener más imágenes? Además, ¿podría citar la referencia original? Researchgate no es una revista.
Esto se usa de forma rutinaria en cristalografía de resolución temporal y en "difracción antes de la destrucción" cuando se trabaja con láseres de electrones libres XFEL, Nature Methods 8, página 283 (2011)
Gracias. Deberías agregar esto a tu respuesta y lo votaré. Desafortunadamente, esta lista está dominada por lo que yo llamo biólogos de "animales peludos". Supongo que no tiene nada de malo, pero el esfuerzo puesto en respuestas científicas fácticas y objetivas rara vez se ve recompensado con puntos Brownie.
@David Sí, estaba de visita desde StackExchange Chemistry. Hay preguntas en bioquímica que podrían ir en cualquier dirección, al igual que hay preguntas que encajan en física o química, pero obtendrán un tipo diferente de respuesta (o ninguna). No es que haya nada malo con la biología de los organismos.
Siempre que se haya recopilado una cantidad suficiente del espacio recíproco, entonces, por supuesto, es posible. ¿Cómo se maneja el problema de la fase cuando se hace la difracción de Laue? Simplemente no lo sé, pero supongo que se pueden usar el reemplazo molecular o las fases experimentales.
@JeppeNielsen A menudo, la estructura se resuelve mediante la diferencia de Fourier, es decir, la mayor parte de la celda unitaria es idéntica a una estructura conocida, excepto por los cambios en el sitio de unión del ligando. Con los láseres de electrones libres, en principio se podría construir un detector sensible a la fase y medir las fases directamente.
@KarstenTheis, lo que llamas diferencia de Fourier es equivalente a la fase de reemplazo molecular. No sé cómo se podría crear un detector sensible a la fase para un láser de electrones libres de rayos X (XFEL) cuando no se puede hacer para rayos X basados ​​en sincrotrón. La principal diferencia entre las dos fuentes de luz es el flujo máximo de fotones y la duración del pulso. ¿Sabe que los electrones se separan de los rayos X antes del experimento de difracción, por lo que debe determinar tanto la fase como la intensidad de los rayos X difractados, no los electrones cargados?
@JeppeNielsen El reemplazo molecular requiere una búsqueda de rotación y traducción, a menudo con métodos Patterson. Una vez que se conoce la orientación de las moléculas en la estructura desconocida, se utilizan métodos de diferencias de Fourier para ajustar el modelo.
@JeppeNielsen La diferencia entre XFEL y la radiación de sincrotrón es, según tengo entendido, que XFEL es coherente (toda la misma fase) y la radiación de sincrotrón no lo es (múltiples electrones que se suman para crear los rayos X, no coherente).