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Publié par
Date de parution
29 août 2024
Nombre de lectures
0
EAN13
9782759835027
Langue
English
Poids de l'ouvrage
22 Mo
In the living world, the mechanisms that make us breathe, digest, grow or move an arm involve molecules made up of thousands of atoms, called macromolecules. These macromolecules are constantly circulating, interacting and deforming. Visualising these macromolecules at the atomic level is a unique tool for understanding their function and for designing drugs, inhibitors or activators. When using the three-dimensional structure of a macromolecule, it is essential to keep a critical eye. To do this, we need to understand how the structure was obtained. X-ray crystallography is a historical method of using X-rays and crystals to determine the three-dimensional atomic structure of molecules. It is also the most widely used.
The main audience for this book is biological scientists, although it will appeal to anyone interested in structural biology. It introduces the different steps involved in biological crystallography, from crystallisation to the determination of the three-dimensional structure of a macromolecule.
Thanks to the videos available through the QR codes at the end of each chapter, sites normally closed to the public are opened up to offer you a unique journey to the heart of life.
Preamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
CHAPTER 1
History of X-Ray Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The Discovery of X-Rays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Nature of X-Rays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The Origins of Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 The Discovery of Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 The First Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Sir William Henry Bragg’s Brilliant Move . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Biology Comes into Play . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.8 Rosalind Franklin and the Mystery of Cliché 51 . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.9 CCP4: Collaborative Computational Project No. 4 . . . . . . . . . . . . . . . 14
Timeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CHAPTER 2
Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Knowing Your Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Prediction of Structured Regions of a Protein. . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Biochemical Approach: Limited Proteolysis . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Cloning, Production, Sample Purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 (Over)production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Purification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
CHAPTER 3
Crystal Features and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 The Crystal Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Crystal Symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 The Bravais Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 The Reciprocal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
CHAPTER 4
X-Rays and Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1 Why X-Rays: The Interaction of Light and Matter . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1 The Choice of X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.2 The Interaction of Molecules with X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.3 How X-Rays Interact with a Crystal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 Diffraction: Bragg’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Anomalous Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
CHAPTER 5
Crystallisation of a Biological Macromolecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 General Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Properties of Proteins in Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.2 General Scheme of Protein Behaviour in Solution . . . . . . . . . . . 53
5.1.3 Crystallisation Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Approaches, Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 Equipment Needed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.2 Crystallisation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.3 Crystallisation Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.4 Optimisation of Crystallisation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
CHAPTER 6
Trip to a Synchrotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1 How to Generate X-Rays? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.1 First X-Ray Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.2 Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2 Radiation Damage and Crystal Freezing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2.1 Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2.2 Flash Freezing of Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.3 Fast Freezing of Crystals with Liquid Nitrogen . . . . . . . . . . . . . 66
6.3 Experimental Hutch: The Crystal Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.1 Example of PROXIMA-1 Beamline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.2 The Control Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3.3 Diffraction Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
CHAPTER 7
Acquisition, Processing and Analysis of Diffraction Data. . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1 Collection Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1.1 Crystal Characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1.2 The Anomalous Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.2 Diffraction Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3 Analysis of Diffraction Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.1 Friedel Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.2 The Choice of the Laue Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.3 Assessment of Data Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
CHAPTER 8
Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.1 Introduction to the Fourier Transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.1.1 Fourier Transform Applied to Music. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.1.2 Fourier Transform Applied to Crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.2 The Fourier Transform and the Phase Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2.1 The Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2.2 The Phase Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
CHAPTER 9
The Patterson Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.1 The Phase Problem and the Patterson Function . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.2 Properties of the Patterson Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.2.1 First Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.2.2 Second Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.2.3 Third Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.3 Applications of the Patterson Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
CHAPTER 10
Molecular Replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.1 Molecular Replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.1.1 Patterson Function and Molecular Replacement . . . . . . . . . . . 102
10.2 Evaluation of the Molecular Replacement Result . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
CHAPTER 11
Experimental Phasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11.1 Isomorphous Replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11.1.1 Natives and Derivatives Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11.1.2 Patterson Function and Harker Sections . . . . . . . . . . . . . . . . 109
11.1.3 Vector Representation of Harker Section . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2 Anomalous Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.2.1 The Anomalous Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.2.2 Breaking Friedel’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
11.2.3 The Use of Anomalous Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
11.3 Phases Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
CHAPTER 12
Phases Improvement and Model Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
12.1 Lack of Closure and Figure of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
12.2 Phases Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
12.2.1 Electron Density Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
12.2.2 Iterative Loop of Phases Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
12.3 Molecular Model Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
CHAPTER 13
Model Refinement and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
13.1 Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
13.1.1 Iterative Process of Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
13.1.2 The 2Fo-Fc and Fo-Fc Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
13.1.3 Refinement Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
13.2 Three-Dimensional Structure Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Related videos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
To Go Further . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
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