解像度（構造生物学）

構造生物学における分解能とは、生体分子構造における原子または原子群の有無を区別する能力のことである。通常、構造は、X線結晶構造解析、電子結晶構造解析、またはクライオ電子顕微鏡などの方法から得られる。分解能は、実験から生成された構造の「マップ」に対して測定され、そこに原子モデルが当てはめられる。^[1]性質と物質との相互作用が異なるため、X線法ではシステム（通常は結晶）の電子密度のマップが生成され、電子法ではシステムの静電ポテンシャルのマップが生成される。どちらの場合も、原子の位置は同様に想定される。^[2]

構造生物学では、解像度は4つのグループに分類できます。(1) 原子以下、電子密度に関する情報が得られ、量子効果を研究できる場合、(2) 原子、個々の原子が可視化され、正確な3次元モデルを構築できる場合、(3) らせん、二次構造、アルファヘリックスやベータシート、RNAヘリックス（リボソーム内）、(4) ドメイン、二次構造は解析できません。^{[説明が必要]}

結晶の繰り返し単位である単位胞が大きくなり複雑になるにつれ、観測される反射の一定数に対して、X 線結晶構造解析によって得られる原子レベルの像は解像度が低くなり (より「ぼやけた」ものになり) ます。X 線結晶構造解析の 2 つの限定的なケースとして、「小分子」結晶構造解析と「高分子」結晶構造解析がよく知られています。 小分子結晶構造解析では、通常、非対称単位に 100 個未満の原子を含む結晶が対象となります。このような結晶構造は通常、非常に解像度が高いため、原子は電子密度の孤立した「塊」として識別できます。対照的に、高分子結晶構造解析では、単位胞に数万個の原子が含まれることがよくあります。このような結晶構造は、一般に解像度が低く (より「ぼやけた」)、原子と化学結合は、孤立した原子としてではなく、電子密度の管として現れます。一般に、小分子は高分子よりも結晶化しやすいです。しかし、X線結晶構造解析は数十万個の原子を持つウイルスでも可能であることが証明されている。 ^[5]

クライオ電子顕微鏡（cryoEM）では、解像度は通常、フーリエ殻相関（FSC）^[6]によって測定されます。これは、フーリエ環相関（FRC）^[7]の3次元拡張であり、空間周波数相関関数^[8 ]としても知られています。FSCは、元のデータセットの半分をランダムに抽出して構築された2つの異なる静電ポテンシャルマップの フーリエ変換を比較したものです。

歴史的には、FSCのどのカットオフが分解能の良い推定値を提供するかについて多くの意見の相違がありましたが^{[1] [9]} 、 FSCのカットオフ0.143が新たなゴールドスタンダードとなっています。 ^[10]このカットオフは、分解能の定義に関するX線結晶構造解析の標準との同等性から導き出されています。^[11]

FSC 曲線を使用して解像度を決定するための他の多くの基準が存在し、3-σ 基準、5-σ 基準、および 0.5 しきい値が含まれます。ただし、固定値のしきい値 (0.5 や 0.143 など) は誤った統計的仮定に基づいていると主張されています^[12]。ただし、0.143 は解像度を過大評価しないほど十分に厳密であることが示されています^[10] 。ハーフビット基準は、音量を信頼性を持って解釈するのに十分な情報が存在する解像度を示し、(修正された) 3-σ 基準は、FSC がバックグラウンドノイズの予想されるランダム相関を超えて体系的に出現する場所を示します^{[12] 。}

2007年には、FSCとは独立した解像度基準であるフーリエ近傍相関（FNC）が開発され、隣接するフーリエボクセル間の相関を利用して信号とノイズを区別するようになりました。FNCは、バイアスの少ないFSCを予測するために使用できます。^[13]

• 構造生物学
• X線結晶構造解析
• 極低温電子顕微鏡
• 画像解像度

• Harauz, G.; M. van Heel (1986). 「一般幾何学の 3 次元再構成のための正確なフィルタ」。Optik . 73 : 146–156。
• ヴァン・ヒール、M.キーグストラ、W.シュッター、W.ファン・ブリュッヘンEFJ (1982)。画像解析による節足動物ヘモシアニンの研究、無脊椎動物呼吸タンパク質の構造と機能、EMBO ワークショップ 1982、EJ Wood に掲載されています。ライフサイエンスレポート。 Vol.補足1. 69 ～ 73 ページ。ISBN 97837186​​01554。
• Saxton, WO; W. Baumeister (1982). 「規則的に配列した細菌細胞エンベロープタンパク質の相関平均化」。Journal of Microscopy . 127 (2): 127–138. doi :10.1111/j.1365-2818.1982.tb00405.x. PMID  7120365. S2CID  27206060.
• Böttcher, B.; Wynne, SA; Crowther, RA (1997). 「電子顕微鏡による B 型肝炎ウイルスのコアタンパク質のフォールドの決定」. Nature . 386 (6620): 88–91. Bibcode :1997Natur.386...88B. doi :10.1038/386088a0. PMID  9052786. S2CID  275192.
• van Heel, M.; Schatz, M. (2005). 「フーリエ殻相関閾値基準」.構造生物学ジャーナル. 151 (3): 250–262. doi :10.1016/j.jsb.2005.05.009. PMID  16125414.
• フランク、ヨアキム（2006）。『高分子集合体の3次元電子顕微鏡法』ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-518218-9。
• Sousa, Duncan; Nikolaus Grigorieff (2007). 「単一粒子構造のAb initio解像度測定」J Struct Biol . 157 (1): 201–210. doi :10.1016/j.jsb.2006.08.003. PMID  17029845.

• PDB 101 構造を見る: 解像度
• EMstats EMデータバンク（EMDB）の地図の傾向と分布（解像度の傾向など）
• 構造分解能と電子密度
• 結晶学を学ぶ