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El reemplazo molecular (MR) [1] es un método para resolver el problema de fase en la cristalografía de rayos X. El MR se basa en la existencia de una estructura proteica previamente resuelta que sea similar a nuestra estructura desconocida de la que se derivan los datos de difracción. Esta podría provenir de una proteína homóloga o de la estructura de RMN de proteína de menor resolución de la misma proteína. [2]
El primer objetivo del cristalógrafo es obtener un mapa de densidad electrónica, relacionándose la densidad con la onda difractada de la siguiente manera:
Con los detectores habituales se mide la intensidad y se pierde toda la información sobre la fase ( ). Entonces, en ausencia de fases (Φ), no podemos completar la transformada de Fourier mostrada que relaciona los datos experimentales de la cristalografía de rayos X (en el espacio recíproco ) con la densidad electrónica en el espacio real, en la que se construye el modelo atómico. MR intenta encontrar el modelo que mejor se ajusta a las intensidades experimentales entre las estructuras conocidas.
Podemos derivar un mapa de Patterson para las intensidades, que es un mapa vectorial interatómico creado elevando al cuadrado las amplitudes del factor de estructura y fijando todas las fases a cero. Este mapa vectorial contiene un pico para cada átomo relacionado con cada uno de los otros átomos, con un pico grande en 0,0,0, donde los vectores que relacionan los átomos entre sí se "apilan". Un mapa de este tipo es demasiado ruidoso para derivar información estructural de alta resolución; sin embargo, si generamos mapas de Patterson para los datos derivados de nuestra estructura desconocida y de la estructura de un homólogo previamente resuelto, en la orientación y posición correctas dentro de la celda unitaria , los dos mapas de Patterson deberían estar estrechamente correlacionados. Este principio se encuentra en el corazón de la RM y puede permitirnos inferir información sobre la orientación y ubicación de una molécula desconocida con su celda unitaria.
Debido a las limitaciones históricas en el poder de cómputo, una búsqueda de RM generalmente se divide en dos pasos: rotación y traslación .
En la función de rotación, nuestro mapa de Patterson desconocido se compara con los mapas de Patterson derivados de nuestra estructura homóloga conocida en diferentes orientaciones. Históricamente, se utilizaban factores r y/o coeficientes de correlación para puntuar la función de rotación; sin embargo, los programas modernos utilizan algoritmos basados en máxima verosimilitud . La correlación más alta (y, por lo tanto, las puntuaciones) se obtienen cuando las dos estructuras (conocida y desconocida) están en orientaciones similares; estas pueden entonces expresarse en ángulos de Euler o ángulos polares esféricos .
En la función de traducción, el modelo conocido ahora correctamente orientado se puede posicionar correctamente al traducirlo a las coordenadas correctas dentro de la unidad asimétrica. Esto se logra moviendo el modelo, calculando un nuevo mapa de Patterson y comparándolo con el mapa de Patterson derivado de lo desconocido. Esta búsqueda de fuerza bruta es computacionalmente costosa y ahora se usan más comúnmente funciones de traducción rápidas. Las posiciones con altas correlaciones se muestran en coordenadas cartesianas .
Con la mejora de la predicción de la estructura de proteínas de novo , muchos protocolos, incluidos MR-Rosetta, QUARK, AWSEM-Suite e I-TASSER-MR, pueden generar una gran cantidad de estructuras señuelo similares a las nativas que son útiles para resolver el problema de fase mediante reemplazo molecular. [3]
Después de esto, deberíamos tener modelos de fases correctamente orientados y traducidos, a partir de los cuales podemos derivar fases que sean (con suerte) lo suficientemente precisas como para derivar mapas de densidad electrónica. Estos pueden usarse para construir y refinar un modelo atómico de nuestra estructura desconocida.