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碘确保成功解决生物分子结构

2018-12-28 11:09:48 • 来源：

包括MIPT研究人员在内的一个国际团队已经证明，碘化物定相 - 结构生物学中一项历史悠久的技术 - 普遍适用于膜蛋白结构测定。了解这些结构可以分子水平地理解视力和嗅觉的运作，以及神经和心血管系统。该研究的作者发表在Science Advances上，将碘化物定相的既定方法应用于代表不同类别的四种膜蛋白，并发现碘化物(一种碘离子)以相同的方式与所有四种相互作用。这意味着该方法可以成功地揭示对药剂学至关重要的新蛋白质结构。因为碘化物定相容易且快速，它可以加速计算机辅助药物开发并使其更便宜。

碘确保成功解决生物分子结构

膜蛋白：细胞的海关服务

众所周知，所有生物都是由细胞组成的。构成任何生物体的细胞具有共同的结构。特别地，所有细胞都被保护性细胞膜包围，所述保护性细胞膜阻断大多数物质的分子通过。通过膜封闭，细胞可以维持复杂生化过程平稳运行所必需的内部条件。然而，细胞的存活还取决于其监测外部环境变化并对其作出反应的能力。这就是为什么每个细胞的基因组编码数百种特殊蛋白质，这些蛋白质负责细胞与周围环境的相互作用。由于这些蛋白质嵌入细胞膜中，因此它们被称为膜蛋白质。它们的另一个功能是允许分子进入被膜细胞阻断的细胞，但仍然是营养或生化反应所必需的。结构生物学的最大突破与沃森和克里克于1953年获得诺贝尔奖获得的DNA双链结构有关。两位科学家创造的优雅模型基于他们的同事罗莎琳德富兰克林进行的先前结构研究。 。DNA分子(又称双螺旋)的双链结构成功地解释了细胞间遗传信息的转移，为现代生物学奠定了基础。

晶体学是结构生物学的主要方法。它使研究人员能够以原子分辨率阐明生物分子(通常是蛋白质)的结构。这种精确性意味着不仅可以在基础水平上研究蛋白质操作，而且可以使用物理定律模拟蛋白质行为。

晶体学很大程度上依赖于衍射的物理现象。收集衍射数据，蛋白质晶体暴露于X射线束。由于晶体中的分子处于高度有序的构型，因此X射线束衍射到多个方向，其强度被放大了许多倍。然后可以拾取这些衍射光束并将其解释为信号，从而测量它们的强度。但是，只有给定方向的平均信号值可用，并且部分信息丢失。这被称为相位问题：使用衍射数据确定分子结构需要丢失的相位，即一个信号相对于另一个信号的延迟。拾取缺乏相位的信号有点像查看彩色图像的黑白副本 - 您可以感知每个点的强度，但颜色不存在，因此大部分信息都丢失了。

相恢复

由于已经解决了许多晶体结构，因此可以使用计算机辅助技术在新分子的研究中恢复丢失的相。这涉及从已知结构推断阶段并手工精炼它们。然而，这种方法通常不会产生令人满意的结果，特别是在膜蛋白典型的低分辨率数据或完全不像任何已解决的任何结构的新结构的情况下。因此，通常优选使用不同的技术来处理这些晶体。它基于异常衍射现象，即由重元素如碘，钆，溴和有时硫磺产生的衍射信号中的某种不对称性。为了使该方法起作用，重元素需要与蛋白质分子强烈结合在水晶中。这确保了它们的原子与蛋白质分子本身一样严格有序，以产生强烈的衍射信号。通过反复试验找到正确的重元素通常需要很长时间，并且许多有价值的蛋白质晶体在此过程中被耗尽。

研究人员表明，如果用溶液中的碘离子处理膜蛋白，异常散射可以保证有效。这可以通过自然界中存在的每种膜蛋白的共同特征来实现：它们都以这样的方式构造，即在膜 - 溶液界面上存在额外的正电荷，补偿膜表面上的负电荷。碘化物与这些电荷强烈相互作用，并被选择性地吸引到称为结合位点的蛋白质上的非常特定的点，确保实验阶段恢复的成功。

“在我们的研究中，我们展示了早期研究中已知的四种蛋白质结构的成功解决方案。来自不同生物体的蛋白质如下：来自海洋细菌Krokinobacter eikastus的光驱钠泵，片段来自大肠杆菌细菌的组氨酸激酶，人腺苷受体和来自海洋放线菌分支的质子泵。从这四种结构中的每一种，可以看出碘离子实际上与那里的带正电荷的氨基酸结合。蛋白质从膜上突出。与有时用于解决相位问题的溴化物相比，碘化物更可靠，在衍射测量中提供更高的精确度，“欧洲同步辐射装置的Igor Melnikov说，该研究的第一作者，MIPT毕业生。

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