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4 · 第2學期結構生物學結構解析方法

小角X射線散射

Small-Angle X-Ray Scattering

難度 4 · 專業structural-biologytechniques

SAXS 的現代發展聚焦於時間解析實驗、動態系統建模和整合結構方法。

ab initio 形狀重構
DAMMIF/DAMMIN(Svergun, 1999)使用模擬退火將 dummy atom 模型擬合 I(q),獲得低解析度(~15-25 Å)分子包絡。GASBOR 使用 dummy residues 增加化學合理性。DENSS(Grant, 2018)直接重構電子密度。重複運行 > 20 次取平均(DAMAVER)估算可靠區域。χ² 過擬合和 ambiguity score(AMBIMETER)用於評估解的唯一性。

柔性系統的 SAXS 建模
完全折疊的蛋白質適合剛體建模,但生物體中大量蛋白質含有無序區段或多域柔性。EOM(Bernadó et al., 2007)從隨機構象池中以基因演算法選擇子集合,使加權平均 I(q) 擬合實驗數據。MES(Minimal Ensemble Search, Pelikan et al., 2009)則尋找最小構象數的集合。最新的 BioXTAS RAW 整合了完整的 SAXS 分析流程。

Time-Resolved SAXS (TR-SAXS)
利用同步輻射的高亮度和快混合裝置(stopped-flow, continuous-flow),可在 ms 時間解析度研究蛋白質折疊、組裝和別構轉變。混合死時間 ~1 ms。XFEL(X-ray Free Electron Laser)SAXS 可達 fs 時間解析度,觀察超快結構重排。Levinthal 的蛋白質折疊悖論——蛋白質如何在微秒到秒的時間尺度完成折疊——TR-SAXS 結合 TR-WAXS 提供了折疊路徑的直接結構證據(Plaxco & Dobson, 1996)。

SAXS 在藥物開發中的角色
SAXS 可高通量篩選蛋白質-配體結合誘導的構象變化和寡聚態改變(如二聚化抑制劑的效果)。生物藥物(mAb, ADC)的高級結構表徵使用 SEC-SAXS 確認溶液態構象與設計一致。FDA 已開始接受 SAXS 數據作為生物藥物比較性研究的一部分。

與其他結構方法的整合
SAXS 提供溶液態全局形狀約束,與 Cryo-EM(粒子形狀初始模型)、NMR(局部結構和動態)、XL-MS(亞基間距離)和計算建模(MD simulation 驗證)互補。IMP(Integrative Modeling Platform, Sali 實驗室)和 HADDOCK 可整合 SAXS 曲線作為打分函數。

文獻參考:Svergun, D.I. (1999). Biophys. J., 76, 2879-2886. / Bernadó, P. et al. (2007). JACS, 129, 5656-5664. / Graewert, M.A. & Svergun, D.I. (2013). Curr. Opin. Struct. Biol., 23, 748-754.

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