|
В настоящее время рентгеноструктурный анализ (РСА) является основным методом определения пространственной структуры биологических макромолекул (белков, вирусов, нуклеиновых кислот) и их комплексов при атомном разрешении.
Процедура расшифровки структуры этим методом является сложным и дорогостоящим процессом, включающим в себя:
а) выделение и очистку белка;
б) кристаллизацию очищенного белка;
в) рентгеноструктурный эксперимент;
г) компьютерную расшифровку структуры белка.  Рис. 1. Молекула белка состоит из длинной полипептидной цепи, сложным образом закрученной в пространстве. Компьютерная часть является необходимой составляющей процесса расшифровки структуры, поскольку данные, полученные в рентгеновском эксперименте, содержат только часть информации, необходимой для реконструкции распределения плотности в молекуле белка (Рис.5). Эксперимент позволяет определить лишь интенсивности лучей, рассеянных под различными углами по отношению к исследуемому образцу. Как правило, это десятки и сотни тысяч измерений. Однако для восстановления структуры необходимо знать также и значения сдвигов фаз рассеянных лучей. Эти сдвиги фаз не могут быть зарегистрированы экспериментально. Существующие в настоящее время в макромолекулярной кристаллографии подходы к решению этой проблемы основаны либо на получении химическим путем изоморфных модификаций исследуемого белка и проведения с ними дополнительных рентгеновских экспериментов, либо на наличии в белке аномально рассеивающих атомов, либо на известной структуре белка, гомологичного исследуемому. Такая дополнительная информация позволяет получить приближенные значения фаз рассеянных лучей и затем приближенные значения координат атомов в исследуемом объекте. Полученные координаты подвергаются уточнению, которое представляет собой сложную вычислительную задачу и сводится к поиску локального минимума в пространстве 104-106 переменных. Понятно, что такая задача предъявляет серьезнейшие требования к мощности используемых компьютеров. Применение указанных выше подходов сталкивается с особенно большими сложностями при работе с большими макромолекулярными комплексами, представляющими особый интерес для биологии и медицины В последние десять лет значительный интерес в мировой кристаллографии проявляется к попытке снять ограничения, налагаемые существующими подходами к решению фазовой проблемы, и уменьшить объем экспериментальной работы за счет использования более сложного математического аппарата и высокопроизводительных компьютеров. Однако применимость таких методов все еще ограничена структурами, содержащими не более, чем несколько сотен атомов. Задача определения ультраструктур становится более посильной, если ставить вопрос не о детальном виде с определением координат каждого атома, а об общем виде структуры комплекса. С точки зрения рентгеноструктурного анализа, речь идет о решении фазовой проблемы для данных рассеяния в ограниченном диапазоне углов рассеяния. Структуры, определенные при "низком" разрешении, могут в дальнейшем использоваться как стартовые при их последующей детальной расшифровке и могут представлять, кроме того, самостоятельный интерес для медицины. Разрабатывается новый подход к определению структуры таких комплексов, основанный на рассмотрении большого набора ансамблей фаз и последующей фильтрации (Рис.6) получаемых наборов структур с применением дополнительных математических критериев. Такой подход требует, с одной стороны, значительных компьютерных мощностей, но допускает, с другой стороны, эффективное распараллеливание вычислений.
 Рис. 6. Фильтры основаны на математических свойствах распределений электронной плотности в белках (топологические свойства, статистическое правдоподобие и т.д.) Для выяснения механизмов биологического действия белков и их целенаправленной модификации необходимо определение их пространственного строения и динамических конформационных характеристик в условиях максимального приближения к физиологической среде. Наиболее эффективным методом решения этих задач является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В отличие от рентгеноструктурного анализа в случае ЯМР спектроскопии отсутствуют этапы а) и б). Читайте также: |
