Μία μη μαθηματική εισαγωγή στην κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών

Abstract

Η τεράστια πλειοψηφία των γνωστών δομών πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων - εικόνες των οποίων έχουν κατακλύσει τα περισσότερα συγγράμματα βιοχημείας, κυτταρικής και μοριακής βιολογίας- έχουν παραχθεί με τη μέθοδο της κρυσταλλογραφίας ακτινών-Χ. Εξαιτίας του πλούσιου μαθηματικού υπόβαθρου της μεθόδου, τα περισσότερα συγγράμματα αποφεύγουν την παρουσίαση της μεθόδου, ή όταν το κάνουν (για παράδειγμα, το τελευταίο κεφάλαιο από το βιβλίο των Branden & Tooze), η παρουσίαση είναι κάπως αποσπασματική και επιφανειακή. Αποτέλεσμα αυτών είναι ότι οι φοιτητές μένουν με μια μάλλον μυστικιστική αίσθηση - αντίληψη για μια μέθοδο που είναι το θεμέλιο της σύγχρονης μοριακής βιολογίας, κάτι που θα μπορούσαν να το συνοψίσουν ως εξής : "... και όλη αυτή -η ατομικής διακριτικότητας- πληροφορία για τη δομή και λειτουργία των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών έχει προκύψει από κάτι που λέγεται 'κρυσταλλογραφία' το οποίο είναι τόσο μπερδεμένο και δύσκολο που καλύτερα να το αφήσουμε εδώ το θέμα". Στόχος αυτού του βιβλίου - βοηθήματος είναι -αποφεύγοντας επιμελώς τα μαθηματικά- να δείξει τις βασικές αρχές της κρυσταλλογραφίας πρωτεϊνών, δηλαδή το φυσικό νόημα του κρυσταλλογραφικού πειράματος. Τα μοναδικά προαπαιτούμενα των πρώτων κεφαλαίων του βιβλίου είναι να έχουν οι φοιτητές κάποιες αναμνήσεις από τη φυσική του λυκείου και σχεδόν τίποτα άλλο. Στα υστερότερα κεφάλαια του βιβλίου γίνεται αναφορά σε λίγα μαθηματικά, αλλά και αυτό τόσο προσεκτικά και αργά ώστε ένας αποφασισμένος φοιτητής βιολογικού τμήματος να μπορεί να τα παρακολουθήσει. Το βοήθημα αυτό δεν στοχεύει να είναι ένα σύγγραμμα κρυσταλλογραφίας πρωτεϊνών, και δεν προσπαθεί να καλύψει τα πάντα από direct methods, μέχρι solvent flattening και real space averaging. Μοναδική φιλοδοξία του βιβλίου είναι να αφαιρέσει το μυστικισμό που καλύπτει τη μέθοδο και να δείξει με απλό τρόπο την ουσία του κρυσταλλογραφικού περάματος χωρίς να τρομοκρατήσει με την μαθηματική κρυσταλλογραφία.

The vast majority of known protein and nucleic acid structures –images of which have flooded most biochemistry, cell and molecular biology textbooks– have been produced using the method of X-ray crystallography. Due to the rich mathematical background of the method, most textbooks avoid presenting details of the method, or when they do (for example, in the last chapter of Branden & Tooze's book), the presentation is somewhat fragmented and superficial. As a result, students are left with a rather mystical feeling/perception which could be summarized as follows: "... and all this information about the structure and function of proteins and nucleic acids has come from something called 'crystallography' which is so confusing and difficult that we’d better leave it here". This booklet aims to present the basic principles of protein crystallography, i.e. the physical meaning of the crystallographic experiment, while carefully avoiding mathematics that biology students may not be familiar with. The only prerequisites of the first chapters of the book are that students have some vague recollections from high school physics and almost nothing else. In the later chapters of the book, a few mathematical topics are mentioned, but this is done so carefully and slowly that a determined biology student will be able to follow through with them. This booklet is not intended to be a textbook on protein crystallography and does not attempt to cover everything from direct methods to solvent flattening and real space averaging. The sole ambition of the book is to remove the mysticism that covers the method and to show simply the essence and physical meaning of the crystallographic experiment.