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Resolución (biología estructural)

Serie de mapas de densidad para GroEL : de izquierda a derecha, resolución de 4 Å, 8 Å, 16 Å y 32 Å. Los detalles se borran a medida que la resolución disminuye.

La resolución en el contexto de la biología estructural es la capacidad de distinguir la presencia o ausencia de átomos o grupos de átomos en una estructura biomolecular . Por lo general, la estructura se origina a partir de métodos como la cristalografía de rayos X , la cristalografía electrónica o la criomicroscopía electrónica . Se mide la resolución del "mapa" de la estructura resultante del experimento , donde luego se encajaría un modelo atómico. [1] Debido a sus diferentes naturalezas e interacciones con la materia, en los métodos de rayos X el mapa producido es de la densidad electrónica del sistema (generalmente un cristal ), mientras que en los métodos electrónicos el mapa es del potencial electrostático del sistema. En ambos casos, las posiciones atómicas se suponen de manera similar. [2]

Medidas cualitativas

En biología estructural , la resolución se puede dividir en 4 grupos: (1) subatómica, cuando se obtiene información sobre la densidad electrónica y se pueden estudiar los efectos cuánticos , (2) atómica, los átomos individuales son visibles y una imagen tridimensional precisa se puede construir el modelo, (3) estructura secundaria helicoidal , como hélices alfa y láminas beta ; Hélices de ARN (en ribosomas), dominio (4), ninguna estructura secundaria se puede resolver. [ se necesita aclaración ]

Cristalografía de rayos X

A medida que la unidad repetitiva del cristal, su celda unitaria , se vuelve más grande y más compleja, la imagen a nivel atómico proporcionada por la cristalografía de rayos X se vuelve menos resuelta (más "borrosa") para un número determinado de reflexiones observadas. A menudo se distinguen dos casos limitantes de la cristalografía de rayos X: la cristalografía de "molécula pequeña" y la cristalografía "macromolecular". La cristalografía de moléculas pequeñas normalmente involucra cristales con menos de 100 átomos en su unidad asimétrica ; Estas estructuras cristalinas suelen estar tan bien resueltas que sus átomos pueden discernirse como "manchas" aisladas de densidad electrónica. Por el contrario, la cristalografía macromolecular suele implicar decenas de miles de átomos en la celda unitaria. Estas estructuras cristalinas generalmente están menos resueltas (más "borrosas"); los átomos y los enlaces químicos aparecen como tubos de densidad electrónica, en lugar de átomos aislados. En general, las moléculas pequeñas también son más fáciles de cristalizar que las macromoléculas; sin embargo, la cristalografía de rayos X ha demostrado ser posible incluso para virus con cientos de miles de átomos. [5]

Microscopía crioelectrónica

En microscopía crioelectrónica (cryoEM), la resolución generalmente se mide mediante la correlación de capa de Fourier (FSC), [6] una extensión tridimensional de la correlación de anillo de Fourier (FRC), [7] que también se conoce como frecuencia espacial. función de correlación. [8] El FSC es una comparación de las transformadas de Fourier de dos mapas de potencial electrostático construidos diferentes, cada mapa construido a partir de una mitad aleatoria del conjunto de datos original.

Históricamente, hubo mucho desacuerdo sobre qué límite del FSC proporcionaría una buena estimación de la resolución, [1] [9] pero el estándar oro emergente es el límite del FSC de 0,143. [10] Este límite se deriva de equivalencias con los estándares de definición de resolución de cristalografía de rayos X. [11]

Mediciones históricas

Existen muchos otros criterios para determinar la resolución utilizando la curva FSC, incluido el criterio de 3-σ, el criterio de 5-σ y el umbral de 0,5. Sin embargo, se argumentó que los umbrales de valor fijo (como 0,5 o 0,143) se basaban en suposiciones estadísticas incorrectas, [12] aunque se ha demostrado que 0,143 es lo suficientemente estricto como para probablemente no sobreestimar la resolución. [10] El criterio de medio bit indica a qué resolución existe suficiente información para interpretar de manera confiable el volumen, y el criterio 3-σ (modificado) indica dónde el FSC emerge sistemáticamente por encima de las correlaciones aleatorias esperadas del ruido de fondo. [12]

En 2007, se desarrolló un criterio de resolución independiente del FSC, la correlación de vecinos de Fourier (FNC), utilizando la correlación entre vóxeles de Fourier vecinos para distinguir la señal del ruido. El FNC se puede utilizar para predecir un FSC menos sesgado. [13]

Ver también

Notas

  1. ^ ab Frank, Joaquín (2006). Microscopía electrónica tridimensional de conjuntos macromoleculares: visualización de moléculas biológicas en su estado nativo (2ª ed.). Oxford: Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-518218-7.
  2. ^ Saha, Ambarneil; Nia, Shervin S.; Rodríguez, José A. (2022-09-14). "Difracción de electrones de cristales moleculares 3D". Reseñas químicas . 122 (17): 13883–13914. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00879. ISSN  0009-2665. PMC 9479085 . PMID  35970513. 
  3. ^ Huang, Yu-Feng (2007). Estudio de las propiedades estructurales de las proteínas mineras y su aplicación (PDF) (Ph.D.). Universidad Nacional de Taiwán . Consultado el 4 de noviembre de 2014 .
  4. ^ Golpe, David (20 de junio de 2002). Esquema de cristalografía para biólogos. Nueva York: Oxford University Press . pag. 196.ISBN 978-0198510512. Consultado el 4 de noviembre de 2014 .
  5. ^ Tolva, P.; Harrison, Carolina del Sur; Sauer, RT (1984). "Estructura del virus del achaparramiento del tomate. V. Determinación de la secuencia de la proteína de la capa y sus implicaciones estructurales". Revista de biología molecular . 177 (4). Elsevier Ltd.: 701–713. doi :10.1016/0022-2836(84)90045-7. PMID  6481803.
  6. ^ Harauz y van Heel, 1986
  7. ^ van Heel, 1982
  8. ^ Saxton y Baumeister, 1982
  9. ^ Böttcher y otros, 1997
  10. ^ ab Scheres, Sjors HW; Chen, Shaoxia (29 de julio de 2012). "Prevención del sobreajuste en la determinación de la estructura crio-EM". Métodos de la naturaleza . 9 (9): 853–854. doi :10.1038/nmeth.2115. ISSN  1548-7105. PMC 4912033 . PMID  22842542. 
  11. ^ Rosenthal, Peter B.; Henderson, Richard (31 de octubre de 2003). "Determinación óptima de la orientación de las partículas, la mano absoluta y la pérdida de contraste en criomicroscopía electrónica de una sola partícula". Revista de biología molecular . 333 (4): 721–745. doi :10.1016/j.jmb.2003.07.013. ISSN  0022-2836. PMID  14568533.
  12. ^ ab van Heel, Marin; Schatz, Michael (1 de septiembre de 2005). "Criterios de umbral de correlación de capa de Fourier". Revista de biología estructural . 151 (3): 250–262. doi :10.1016/j.jsb.2005.05.009. ISSN  1047-8477. PMID  16125414.
  13. ^ Sousa y Grigoreiff, 2007

Referencias

enlaces externos