Разрешение (структурная биология)

Серия карт плотности для GroEL : слева направо, разрешение 4 Å, 8 Å, 16 Å и 32 Å. Детали размываются по мере снижения разрешения.

Разрешение в контексте структурной биологии — это способность различать наличие или отсутствие атомов или групп атомов в биомолекулярной структуре. Обычно структура возникает с помощью таких методов, как рентгеновская кристаллография , электронная кристаллография или криоэлектронная микроскопия . Разрешение измеряется на «карте» структуры, полученной в результате эксперимента , в которую затем вписывается атомная модель. ^[1] Из-за их различной природы и взаимодействия с веществом в рентгеновских методах создается карта электронной плотности системы (обычно кристалла ), тогда как в электронных методах карта представляет собой электростатический потенциал системы. В обоих случаях положения атомов предполагаются одинаково. ^[2]

Качественные меры

В структурной биологии разрешение можно разбить на 4 группы: (1) субатомное, когда получается информация об электронной плотности и можно изучать квантовые эффекты , (2) атомное, отдельные атомы видны и получаются точные трехмерные изображения. модель может быть построена (3) спиральной, вторичной структуры , такой как альфа-спирали и бета-листы ; Спирали РНК (в рибосомах), (4) домен, вторичная структура неразрешима. ^{[ нужны разъяснения ]}

Качественная интерпретация белковых структур в различных диапазонах разрешения ^[3]^[4]
Разрешение (Å)	Значение
>4,0	Отдельные координаты атомов бессмысленны. Можно определить элементы вторичной структуры.
3.0 - 4.0	Сгиб возможно правильный, но очень вероятны ошибки. Многие сайдчейны размещены с неправильным ротамером.
2.5 - 3.0	Складка, скорее всего, правильная, за исключением того, что некоторые контуры поверхности могут быть смоделированы неправильно. Несколько длинных и тонких боковых цепей (lys, glu, gln и т. д.) и маленьких боковых цепей (ser, val, thr и т. д.), вероятно, имеют неправильные ротамеры.
2.0 - 2.5	Как 2,5 - 3,0, но количество боковых цепей в неправильном ротамере значительно меньше. Обычно можно обнаружить множество мелких ошибок. Складка обычно правильная, а количество ошибок в поверхностных петлях невелико. Молекулы воды и малые лиганды становятся видимыми.
1.5 - 2.0	Несколько остатков имеют неправильный ротамер. Обычно можно обнаружить множество мелких ошибок. Складки редко бывают неправильными, даже в поверхностных петлях.
0.5 - 1.5	В целом при таком разрешении структуры практически не имеют ошибок. Отдельные атомы в структуре могут быть разделены. библиотеки ротамеров На основе этих структур создаются и исследования геометрии.

Рентгеновская кристаллография

По мере того как повторяющаяся единица кристалла, его элементарная ячейка , становится больше и сложнее, картина атомного уровня, полученная с помощью рентгеновской кристаллографии, становится менее четкой (более «размытой») для заданного количества наблюдаемых отражений. Часто выделяют два предельных случая рентгеновской кристаллографии: «маломолекулярную» и «макромолекулярную» кристаллографию. Кристаллография малых молекул обычно включает кристаллы с менее чем 100 атомами в асимметричной единице ; такие кристаллические структуры обычно настолько хорошо разрешены, что их атомы можно различить как изолированные «капли» электронной плотности. Напротив, макромолекулярная кристаллография часто включает десятки тысяч атомов в элементарной ячейке. Такие кристаллические структуры обычно менее хорошо разрешены (более «размыты»); атомы и химические связи выглядят как трубки электронной плотности, а не как изолированные атомы. В общем, небольшие молекулы легче кристаллизовать, чем макромолекулы; однако рентгеновская кристаллография оказалась возможной даже для вирусы с сотнями тысяч атомов. ^[5]

Криоэлектронная микроскопия

В криоэлектронной микроскопии (криоЭМ) разрешение обычно измеряется с помощью оболочечной корреляции Фурье (FSC). ^[6] трехмерное расширение кольцевой корреляции Фурье (FRC), ^[7] которая также известна как пространственно-частотная корреляционная функция. ^[8] FSC представляет собой сравнение преобразований Фурье двух различных построенных карт электростатического потенциала, каждая из которых построена на основе случайной половины исходного набора данных.

Исторически сложилось так, что существовало много разногласий по поводу того, какое отсечение в FSC обеспечит хорошую оценку разрешения. ^[1]^[9] но новым золотым стандартом является пороговое значение FSC, равное 0,143. ^[10] Это ограничение получено на основе эквивалентности стандартам определения разрешения рентгеновской кристаллографии. ^[11]

Исторические измерения

Существует множество других критериев определения разрешения с использованием кривой FSC, включая критерий 3-σ, критерий 5-σ и порог 0,5. Однако утверждалось, что пороговые значения фиксированных значений (например, 0,5 или 0,143) основаны на неверных статистических предположениях. ^[12] хотя было показано, что значение 0,143 достаточно строгое, чтобы не переоценивать разрешение. ^[10] Полубитовый критерий указывает, при каком разрешении существует достаточно информации для надежной интерпретации объема, а (модифицированный) критерий 3-σ указывает, где FSC систематически выходит за пределы ожидаемых случайных корреляций фонового шума. ^[12]

В 2007 году был разработан независимый от FSC критерий разрешения, Корреляция соседей Фурье (FNC), использующий корреляцию между соседними вокселами Фурье для различения сигнала от шума. FNC можно использовать для прогнозирования менее смещенного FSC. ^[13]

См. также

Примечания

^ Jump up to: ^а ^б Франк, Иоахим (2006). Трехмерная электронная микроскопия макромолекулярных ансамблей: визуализация биологических молекул в нативном состоянии (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-518218-7 .
^ Саха, Амбарнейл; Ниа, Шервин С.; Родригес, Хосе А. (14 сентября 2022 г.). «Электронная дифракция 3D-молекулярных кристаллов» . Химические обзоры . 122 (17): 13883–13914. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00879 . ISSN 0009-2665 . ПМК 9479085 . ПМИД 35970513 .
^ Хуан, Ю-Фэн (2007). Исследование структурных свойств горного белка и его применение (PDF) (доктор философии). Национальный Тайваньский университет . Проверено 4 ноября 2014 г.
^ Блоу, Дэвид (20 июня 2002 г.). Очерк кристаллографии для биологов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . п. 196. ИСБН 978-0198510512 . Проверено 4 ноября 2014 г.
^ Хоппер, П.; Харрисон, Южная Каролина; Зауэр, RT (1984). «Структура вируса кустистости томата. V. Определение последовательности белка оболочки и ее структурные последствия». Журнал молекулярной биологии . 177 (4). ООО «Эльзевир»: 701–713. дои : 10.1016/0022-2836(84)90045-7 . ПМИД 6481803 .
^ Харауз и ван Хил, 1986 г.
^ ван Хил, 1982
^ Сакстон и Баумайстер, 1982.
^ Бётчер и др., 1997.
^ Jump up to: ^а ^б Шерес, Сьорс Х.В.; Чен, Шаося (29 июля 2012 г.). «Предотвращение переобучения при определении структуры криоЭМ» . Природные методы . 9 (9): 853–854. дои : 10.1038/nmeth.2115 . ISSN 1548-7105 . ПМЦ 4912033 . ПМИД 22842542 .
^ Розенталь, Питер Б.; Хендерсон, Ричард (31 октября 2003 г.). «Оптимальное определение ориентации частиц, абсолютной руки и потери контраста в одночастичной электронной криомикроскопии» . Журнал молекулярной биологии . 333 (4): 721–745. дои : 10.1016/j.jmb.2003.07.013 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 14568533 .
^ Jump up to: ^а ^б ван Хил, Марин; Шац, Майкл (1 сентября 2005 г.). «Пороговые критерии корреляции Фурье-оболочки» . Журнал структурной биологии . 151 (3): 250–262. дои : 10.1016/j.jsb.2005.05.009 . ISSN 1047-8477 . ПМИД 16125414 .
^ Sousa & Grigoreiff, 2007

Ссылки

Харауз, Г.; М. ван Хил (1986). «Точные фильтры для трехмерной реконструкции общей геометрии». Оптик . 73 : 146–156.
ван Хил, М.; Кигстра, В.; Шуттер, В.; ван Брюгген EFJ (1982). Исследования гемоцианина членистоногих с помощью анализа изображений, в: Структура и функция респираторных белков беспозвоночных, Семинар EMBO, 1982, Э. Дж. Вуд . Отчеты о науках о жизни. Полный. Доп. 1. стр. 69–73. ISBN 9783718601554 .
Сакстон, Висконсин; В. Баумайстер (1982). «Корреляционное усреднение регулярно расположенного белка оболочки бактериальных клеток». Журнал микроскопии . 127 (2): 127–138. дои : 10.1111/j.1365-2818.1982.tb00405.x . ПМИД 7120365 . S2CID 27206060 .
Бетчер, Б.; Винн, ЮАР; Кроутер, Р.А. (1997). «Определение складки корового белка вируса гепатита В методом электронной микроскопии». Природа . 386 (6620): 88–91. Бибкод : 1997Natur.386...88B . дои : 10.1038/386088a0 . ПМИД 9052786 . S2CID 275192 .
ван Хил, М.; Шац, М. (2005). «Пороговые критерии корреляции Фурье-оболочки». Журнал структурной биологии . 151 (3): 250–262. дои : 10.1016/j.jsb.2005.05.009 . ПМИД 16125414 .
Франк, Иоахим (2006). Трехмерная электронная микроскопия макромолекулярных ансамблей . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-518218-9 .
Соуза, Дункан; Николаус Григорьев (2007). « Измерение разрешения ab initio для одночастичных структур». J Структур Биол . 157 (1): 201–210. дои : 10.1016/j.jsb.2006.08.003 . ПМИД 17029845 .

Внешние ссылки

PDB 101 Взгляд на структуры: решение
EMstats Тенденции и распределение карт в банке данных EM (EMDB), например тенденции разрешения
Структурное разрешение и плотность электронов
Изучение кристаллографии

[Frank2006-1] Jump up to: ^а ^б Франк, Иоахим (2006). Трехмерная электронная микроскопия макромолекулярных ансамблей: визуализация биологических молекул в нативном состоянии (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-518218-7 .

[2] Саха, Амбарнейл; Ниа, Шервин С.; Родригес, Хосе А. (14 сентября 2022 г.). «Электронная дифракция 3D-молекулярных кристаллов» . Химические обзоры . 122 (17): 13883–13914. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00879 . ISSN 0009-2665 . ПМК 9479085 . ПМИД 35970513 .

[3] Хуан, Ю-Фэн (2007). Исследование структурных свойств горного белка и его применение (PDF) (доктор философии). Национальный Тайваньский университет . Проверено 4 ноября 2014 г.

[4] Блоу, Дэвид (20 июня 2002 г.). Очерк кристаллографии для биологов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . п. 196. ИСБН 978-0198510512 . Проверено 4 ноября 2014 г.

[5] Хоппер, П.; Харрисон, Южная Каролина; Зауэр, RT (1984). «Структура вируса кустистости томата. V. Определение последовательности белка оболочки и ее структурные последствия». Журнал молекулярной биологии . 177 (4). ООО «Эльзевир»: 701–713. дои : 10.1016/0022-2836(84)90045-7 . ПМИД 6481803 .

[Harauz1986-6] Харауз и ван Хил, 1986 г.

[vanHeel1982-7] ван Хил, 1982

[Saxton1982-8] Сакстон и Баумайстер, 1982.

[Bottcher1997-9] Бётчер и др., 1997.

[:0-10] Jump up to: ^а ^б Шерес, Сьорс Х.В.; Чен, Шаося (29 июля 2012 г.). «Предотвращение переобучения при определении структуры криоЭМ» . Природные методы . 9 (9): 853–854. дои : 10.1038/nmeth.2115 . ISSN 1548-7105 . ПМЦ 4912033 . ПМИД 22842542 .

[11] Розенталь, Питер Б.; Хендерсон, Ричард (31 октября 2003 г.). «Оптимальное определение ориентации частиц, абсолютной руки и потери контраста в одночастичной электронной криомикроскопии» . Журнал молекулярной биологии . 333 (4): 721–745. дои : 10.1016/j.jmb.2003.07.013 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 14568533 .

[vanHeel2005-12] Jump up to: ^а ^б ван Хил, Марин; Шац, Майкл (1 сентября 2005 г.). «Пороговые критерии корреляции Фурье-оболочки» . Журнал структурной биологии . 151 (3): 250–262. дои : 10.1016/j.jsb.2005.05.009 . ISSN 1047-8477 . ПМИД 16125414 .

[Sousa2007-13] Sousa & Grigoreiff, 2007

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]