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Cristallographie de Rayon X

La cristallographie de RAYON X indique la structure tridimensionnelle dans le détail atomique

La structure et la fonction de protéine a été enrichie par la cristallographie de rayon X, une technique qui peut indiquer les positions tridimensionnelles précises de la plupart des atomes dans une molécule de protéine.
Les cristaux de la protéine d'intérêt sont nécessaires parce que la technique exige que toutes les molécules soient avec précision orientées.  Des cristaux peuvent souvent être obtenus en ajoutant un sulfate d'ammonium ou un sel différent à une solution concentrée de protéine pour réduire sa solubilité.
L'exemple, myoglobine se cristallise dans un sulfate d'ammonium de 3M.  Le salage lent favorise la formation des cristaux fortement commandés au lieu des précipités amorphes.  Quelques protéines se cristallisent aisément, tandis que d'autres font ainsi seulement après que beaucoup d'effort a été déployé en trouvant les bonnes conditions.  Crystalliztion est un art ; les meilleurs praticiens ont la grandes persévérance et patience, aussi bien qu'un contact d'or.  Des protéines de plus en plus grandes et complexes sont cristallisées.
Les trois composants dans une analyse cristallographique de rayon X sont une source des rayons X, un cristal de protéine, et un détecteur.  Un faisceau des rayons X de la longueur d'onde A 1.54 est produit en accélérant des électrons contre une cible de cuivre.  Un faisceau étroit des rayons X heurte le cristal de protéine.  Une partie d'elle passe directement par le cristal ; le repos est dispersé dans diverses directions.  (ou diffracté) les faisceaux dispersés peuvent être détectés par le film radiographique, le noircissement de l'émulsion étant proportionnelle à l'intensité du faisceau de rayons X dispersé, ou par un détecteur électronique semi-conducteur. Les principes physiques de base sous-tendants la technique sont

1. Rayons X d'éparpillement d'électrons.  L'amplitude de la vague dispersée par un atome est proportionnelle à son nombre d'électrons.  Ainsi un atome de carbone disperse six fois plus fortement comme atome d'hydrogène.
2. Les vagues dispersées recombinent.  Chaque atome contribue à chaque faisceau dispersé.  Les vagues dispersées renforce un un autre au film ou au détecteur si elles sont dans la phase (dans l'étape) là, et elles annulent un un autre si elles ont lieu hors de phase.
3. La voie dont les vagues dispersées recombinent dépend seulement de l'agencement atomique.

Le cristal de protéine est monté dans un capillaire et placé dans une orientation précise en ce qui concerne le faisceau de rayons X et le film.  Le mouvement processionnel du cristal a comme conséquence une photographie de rayon X se composant d'un alignement régulier de taches appelées les réflexions.  L'intensité de chaque tache est mesurée.  Ces intensités sont les données expérimentales de base d'une analyse cristallographique de rayon X.  La prochaine étape est de reconstruire une image de la protéine des intensités observées.  Dans la photomicroscopie ou la microscopie électronique, les faisceaux diffractés sont focalisés par des objectifs pour former directement une image.  Cependant, les objectifs pour les rayons X se focalisants n'existent pas.  Au lieu de cela, l'image est constituée en appliquant une relation mathématique appelée une transformée de Fourier.  Pour chaque tache, cette exécution rapporte une vague de la densité d'électron, dont l'amplitude est proportionnelle à la racine carrée de l'intensité observée de la tache.  Chaque vague a également une phase c'est-à-dire, la synchronisation de ses crêtes et cuvettes relativement à ceux d'autres vagues.  La phase de chaque vague détermine si elle renforce ou annule les vagues contribuées par d'autres taches.  Ces phases peuvent être déduites des diagrammes diffraction bien-compris produits par des repères de référence de lourd-atome tels comme uranium ou mercure aux sites spécifiques dans la protéine.

L'étape est alors placée pour le calcul d'une carte d'électron-densité, qui donne la densité des électrons à un grand nombre de points régulièrement espacés dans le cristal.  Cette distribution tridimensionnelle d'électron-densité est représentée par une série de sections parallèles empilées sur l'un l'autre.  Chaque section est une feuille en plastique transparente (ou une couche dans une image d'ordinateur) sur laquelle la distribution d'électron-densité est représentée par des lignes de découpe.
La prochaine étape est d'interpréter la carte d'électron-densité.  Un facteur critique est la résolution de l'analyse de rayon X, qui est déterminée par le nombre d'intensités dispersées utilisées dans la synthèse de Fourier.  Une résolution de 6 A indique le cours de la chaîne de polypeptide mais de peu d'autres détails structuraux.  La raison est que les chaînes de polypeptide emballent ensemble de sorte que leurs centres soient entre 5 et 10 A à part.  Les cartes à une résolution plus élevée sont nécessaires pour tracer des groupes d'atomes, qui se trouvent de 2.8 à 4.0 A à part, et de différents atomes, qui sont entre 1.0 et 1.5 A à part.  La résolution finale d'une analyse de rayon X est déterminée par le degré de perfection du cristal.  Pour des protéines, ce qui limite la résolution est habituellement environ 2 A.
Les structures de plus de 300 protéines ont été élucidées à la résolution atomique.  La connaissance de leur architecture moléculaire détaillée a fourni l'perspicacité dans la façon dont les protéines identifient et lient d'autres molécules, la façon dont elles fonctionnent comme enzymes, comment elles se plient, et comment elles ont évolué.