قائمة بالهياكل البلورية الجزيئية الكبيرة ذات الأهمية البيوفيزيائية

تُعدّ البنى البلورية لجزيئات البروتين والحمض النووي ومعقداتها أساسيةً في معظم فروع الفيزياء الحيوية ، وقد ساهمت بشكلٍ كبير في فهمنا العلمي على المستوى الذري الدقيق لعلم الأحياء. وتتجلى أهميتها في إعلان الأمم المتحدة عام 2014 عامًا دوليًا لعلم البلورات ، بمناسبة الذكرى المئوية لحصول ماكس فون لاو على جائزة نوبل عام 1914 لاكتشافه حيود الأشعة السينية بواسطة البلورات. تستند هذه القائمة الزمنية للبنى البروتينية والحمض النوويية ذات الأهمية الفيزيائية الحيوية، بشكلٍ عام، إلى مراجعةٍ نُشرت في مجلة الفيزياء الحيوية . ^{[ 1 ]} تشمل القائمة جميع البنى الاثنتي عشرة الأولى المتميزة، وتلك التي فتحت آفاقًا جديدة في الموضوع أو المنهج، وتلك التي أصبحت نماذجَ لأبحاثٍ مستقبلية في مجالات الفيزياء الحيوية.

في عام ١٩٥٨ ، تم الكشف عن البنية البلورية الأولى لجزيء بروتيني، الميوغلوبين . ^{[ ٢ ]} يحتوي الميوغلوبين على مجموعة هيم حديدية ترتبط بشكل عكسي بالأكسجين لتزويد ألياف العضلات بالطاقة . وكانت تلك البلورات الأولى من الميوغلوبين المستخلص من حوت العنبر ، الذي تحتاج عضلاته إلى مخزون وفير من الأكسجين للغوص العميق. تتكون البنية ثلاثية الأبعاد للميوغلوبين من ٨ حلزونات ألفا ، وأظهرت البنية البلورية أن شكلها حلزوني يميني ويتطابق بشكل كبير مع الشكل الهندسي الذي اقترحه لينوس باولينغ ، حيث يحتوي كل لفة على ٣.٦ بقايا، وترتبط الروابط الهيدروجينية في السلسلة الرئيسية من مجموعة NH الببتيدية لبقايا معينة إلى مجموعة CO الببتيدية للبقايا i+4. يُعد الميوغلوبين نظامًا نموذجيًا للعديد من أنواع الدراسات الفيزيائية الحيوية، ^{[ ٣ ]} وخاصة تلك التي تتناول عملية ارتباط الليجاندات الصغيرة مثل الأكسجين وأول أكسيد الكربون . 

في عام 1960 ، كشف التركيب البلوري للهيموجلوبين ^{[ 4 ]} عن وجود رباعي من نوعين متشابهين من السلاسل، وتم حله بدقة أقل بكثير من الميوغلوبين الأحادي، ولكنه احتفظ بوضوح بنفس البنية الأساسية المكونة من 8 حلزونات (والتي تُعرف الآن باسم "طية الغلوبين"). وسرعان ما أظهرت تراكيب بلورية أخرى للهيموجلوبين بدقة أعلى (PDB 1MHB، 1DHB) التغير المتزامن في كل من التكوين الموضعي والرباعي بين حالتي الأكسجين والديوكسي في الهيموجلوبين ^{[ 5 ]} ، مما يفسر التعاونية في ارتباط الأكسجين في الدم والتأثير التآزري لعوامل مثل الرقم الهيدروجيني و DPG . ولعقود، كان الهيموجلوبين المثال التعليمي الرئيسي لمفهوم التآزر، فضلاً عن كونه محورًا مكثفًا للبحث والنقاش حوله. وفي عام 1909، استُخدمت بلورات الهيموجلوبين من أكثر من 100 نوع لربط التصنيف بالخصائص الجزيئية. ^{[ 6 ]} استشهد بيروتز بهذا الكتاب في تقريره الصادر عام 1938 ^{[ 7 ]} حول بلورات هيموجلوبين الخيل، والذي بدأ به رحلته الطويلة لحلّ التركيب البلوري. تتميز بلورات الهيموجلوبين بتعدد الألوان - أحمر داكن في اتجاهين وأحمر باهت في الاتجاه الثالث ^{[ 6 ]} - وذلك بسبب اتجاه الهيمات، ويُستخدم نطاق سوريه الساطع لمجموعات بورفيرين الهيم في التحليل الطيفي لارتباط الهيموجلوبين بالليجاند. 

١٩٦٥ - الليزوزيم المستخلص من بياض بيض الدجاج (ملف PDB رقم 1lyz). ^{[ ٨ ]} كان أول بنية بلورية لإنزيم (يقوم بتحليل الكربوهيدرات الصغيرة إلى سكريات بسيطة)، وقد استُخدم في الدراسات المبكرة لآلية عمل الإنزيم. ^{[ ٩ ]} احتوت هذه البنية على صفائح بيتا (متضادة التوازي) بالإضافة إلى حلزونات، وكانت أيضًا أول بنية جزيئية ضخمة يتم تحسين إحداثياتها الذرية (في الفضاء الحقيقي). ^{[ ١٠ ]} يمكن شراء المادة الأولية للتحضير من متاجر البقالة، ويتبلور الليزوزيم المستخلص من بيض الدجاج بسهولة بالغة في العديد من المجموعات الفراغية المختلفة ؛ وهو الحالة الاختبارية المفضلة للتجارب والأجهزة البلورية الجديدة. من الأمثلة الحديثة على ذلك البلورات النانوية لليزوزيم لجمع بيانات ليزر الإلكترون الحر ^{[ ١١ ]} والبلورات الدقيقة لحيود الإلكترون الدقيق. ^{[ ١٢ ]} 

1967 - إنزيم الريبونيوكلياز A (ملف PDB رقم 2RSA) ^{[ 13 ]} هو إنزيم قاطع للحمض النووي الريبي (RNA) مُثبَّت بأربع روابط ثنائية الكبريتيد. استُخدم هذا الإنزيم في بحث أنفينسن الرائد حول طي البروتين، والذي أدى إلى ظهور مفهوم أن البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين تُحدَّد بتسلسل الأحماض الأمينية . كما أن إنزيم الريبونيوكلياز S ، وهو الشكل المقطوع ثنائي المكونات الذي درسه فريد ريتشاردز ، كان نشطًا إنزيميًا، وله بنية بلورية متطابقة تقريبًا (ملف PDB رقم 1RNS) ^{[ 14 ]} ، وقد ثبت أنه نشط تحفيزيًا حتى في البلورة ^{[ 15 ]} ، مما ساعد في تبديد الشكوك حول أهمية البنى البلورية للبروتينات في الوظائف البيولوجية. 

١٩٦٧ - تُعدّ بروتيازات السيرين مجموعةً بالغة الأهمية تاريخيًا من تراكيب الإنزيمات، إذ ساهمت مجتمعةً في توضيح آلية التحفيز (في حالتها، من خلال "الثالوث التحفيزي" سيرين-هيستيدين-أسبارتات)، وأساس اختلاف خصوصية الركائز، وآلية التنشيط التي من خلالها يُخفي الانقسام الإنزيمي المُتحكّم به نهاية السلسلة الجديدة لإعادة ترتيب الموقع النشط بشكلٍ صحيح. ^{[ ١٦ ]} شملت التراكيب البلورية المبكرة الكيموتريبسين (ملف PDB رقم ٢CHA)، ^{[ ١٧ ]} والكيموتريبسينوجين (ملف PDB رقم ١CHG)، ^{[ ١٨ ]} والتريبسين (ملف PDB رقم ١PTN)، ^{[ ١٩ ]} والإيلاستاز (ملف PDB رقم ١EST). ^{[ ٢٠ ]} كما كانت هذه أول تراكيب بروتينية تُظهر نطاقين متطابقين تقريبًا، يُفترض أنهما مرتبطان بتضاعف الجينات . أحد أسباب استخدامها الواسع كأمثلة في الكتب المدرسية والفصول الدراسية هو نظام ترقيم رمز الإدخال، مما جعل Ser195 و His57 متسقين ولا يُنسى على الرغم من الاختلافات في التسلسل الخاص بالبروتين. 

1968 – باباين 

١٩٦٩ - كاربوكسي ببتيداز A هو بروتين معدني يحتوي على الزنك . أظهر تركيبه البلوري (ملف PDB رقم 1CPA) ^{[ ٢١ ]} أول بنية بيتا متوازية: صفيحة مركزية كبيرة ملتوية مكونة من ٨ خيوط، حيث يقع موقع الزنك النشط عند الطرف الكربوكسيلي للخيوط الوسطى، وتحيط بالصفيحة من الجانبين حلزونات ألفا. وهو إنزيم خارجي يقطع الببتيدات أو البروتينات من الطرف الكربوكسيلي بدلاً من داخل التسلسل. لاحقاً، تم تحديد مثبط بروتيني صغير للكاربوكسي ببتيداز (ملف PDB رقم 4CPA) ^{[ ٢٢ ]} ، والذي يوقف التحفيز ميكانيكياً عن طريق إظهار طرفه الكربوكسيلي بارزاً من بين حلقة من روابط ثنائية الكبريتيد ذات بنية محكمة خلفه، مما يمنع الإنزيم من سحب السلسلة بعد أول حمض أميني. 

١٩٦٩ - كان السبتيليزين (ملف PDB رقم 1sbt ^{[ ٢٣ ]} ) نوعًا ثانيًا من بروتيازات السيرين، يتميز بموقع نشط مطابق تقريبًا لموقع عائلة إنزيمات التربسين، ولكنه يختلف عنه تمامًا في بنيته العامة. وقد أتاح هذا أول نظرة على التطور التقاربي على المستوى الذري. لاحقًا، وثّقت دراسة طفرية مكثفة على السبتيليزين تأثيرات جميع الأحماض الأمينية التسعة عشر الأخرى في كل موقع على حدة. ^{[ ٢٤ ]} 

1970 – نازعة هيدروجين اللاكتات 

1970 - مثبط التربسين البنكرياسي الأساسي ، أو BPTI (ملف PDB 2pti ^{[ 25 ]} )، هو بروتين صغير شديد الاستقرار، وقد شكّل نموذجًا فعالًا لدراسة الارتباط فائق القوة، وتكوين روابط ثنائي الكبريتيد ، وطَيّ البروتين ، والاستقرار الجزيئي الناتج عن طفرات الأحماض الأمينية أو تبادل الهيدروجين-الديوتيريوم، والديناميكيات الموضعية السريعة باستخدام الرنين المغناطيسي النووي . بيولوجيًا، يرتبط BPTI بالتربسين ويُثبّطه أثناء تخزينه في البنكرياس ، مما يسمح بتنشيط هضم البروتين فقط بعد إطلاق التربسين في المعدة. 

في عام 1970 ، تم تحديد بنية بروتين روبيريدوكسين (ملف PDB رقم 2rxn ^{[ 26 ]} )، وهو أول بروتين مُختزل مُحدد التركيب، ويتكون من بروتين بسيط يرتبط فيه الحديد بأربع سلاسل جانبية من السيستين من حلقتين في قمة دبابيس بيتا. وقد انحرفت الأشعة السينية إلى 1.2 أنغستروم، مما أتاح أول تحسين لبنية بروتين في الفضاء المتبادل (4، 5rxn ^{[ 27 ]} ). (ملاحظة: تم إجراء 4rxn دون قيود هندسية). تُشكل روبيريدوكسينات العتائق العديد من البنى الصغيرة ذات الدقة العالية في قاعدة بيانات البروتينات (PDB). 

1971 - الأنسولين (ملف PDB رقم 1INS) [28] هو هرمون أساسي في استقلاب السكر وتخزين الدهون، وله أهمية في أمراض بشرية مثل السمنة والسكري ^{. يتميز الأنسولين} بخصائصه الفيزيائية الحيوية ، لارتباطه بالزنك ، وتوازنه بين حالات المونومر والدايمر والهيكسامر، وقدرته على تكوين بلورات داخل الجسم الحي، وتخليقه كشكل "أولي" أطول يُفصل لاحقًا ليُشكّل المونومر النشط ثنائي السلسلة المرتبط بروابط SS. وقد حقق الأنسولين نجاحًا كبيرًا في برنامج ناسا لتنمية البلورات على متن مكوك الفضاء ، حيث تم إنتاج كميات كبيرة من بلورات صغيرة متجانسة للغاية لجرعات مضبوطة. 

1971 – نوكلياز المكورات العنقودية 

1971 – السيتوكروم سي 

1974 – الليزوزيم لفيروس T4 

1974 – الغلوبولينات المناعية 

1975 – ديسموتاز النحاس والزنك الفائق 

1976 – الحمض النووي الريبوزي الناقل 

1976 – إيزوميراز فوسفات ثلاثي الكربون 

• 1976 – ريزوبوسبيبسين 
• 1976 – إندوثيابيبسين 
• 1976 – البنسيلوبيبسين 

• 1978 – فيروس ذو عشرين وجهاً 
• 1981 – ديكرسون - الحمض النووي من النوع B المكون من اثني عشر وحدة 
• 1981 – كرامبين 
• 1985 – الكالمودولين 
• 1985 – بوليميراز الحمض النووي 

• ١٩٨٥ - مركز التفاعل الضوئي : تقوم أزواج من البكتيريوكلوروفيل (باللون الأخضر) داخل الغشاء بالتقاط الطاقة من ضوء الشمس، ثم تنتقل عبر عدة مراحل لتصبح متاحة لمجموعات الهيم (باللون الأحمر) في وحدة السيتوكروم سي في الأعلى. كان هذا أول تركيب بلوري تم حله لبروتين غشائي، وهو إنجاز بارز تُوّج بمنح جائزة نوبل لكل من هارتموت ميشيل، وهانز دايزنهوفر، وروبرت هوبر. 

• 1986 – تفاعلات الكابت/الحمض النووي 
• 1987 – معقد التوافق النسيجي الرئيسي 
• 1987 – يوبيكويتين 
• 1987 – بروتين ROP 
• 1989 – بروتياز فيروس نقص المناعة البشرية من النوع الأول 
• 1990 – بكتيريورودوبسين 
• 1991 – ملف لولبي GCN4 
• 1991 – إنزيم النسخ العكسي لفيروس نقص المناعة البشرية من النوع الأول 
• 1993 – الحلزون بيتا لإنزيم بكتات لياز 
• 1994 – الكولاجين 
• 1994 - مجمع بارناس / بارستار 
• 1994 – إنزيم ATPase من نوع F1 
• 1995 – بروتينات G غير المتجانسة ثلاثية الوحدات 
• 1996 – البروتين الفلوري الأخضر 
• 1996 – مركب CDK / سيكلين 

• 1996 – بروتين كينيسين الحركي 
• 1997 – مرافق GroEL /ES 
• 1997 – النيوكليوسوم 
• 1998 – إنترون المجموعة الأولى ذاتي التضفير 

• 1998 - تقوم إنزيمات توبويزوميراز الحمض النووي بوظيفة مهمة وضرورية بيولوجيًا تتمثل في فك تشابك خيوط أو حلزونات الحمض النووي التي تتشابك مع بعضها البعض أو تلتف بإحكام شديد أثناء العمليات الخلوية الطبيعية مثل نسخ المعلومات الوراثية. 
• 1998 – ثنائي ألفا/بيتا من التوبولين 
• 1998 – قناة البوتاسيوم 
• 1998 – مفترق طرق هوليداي 
• 2000 - تعتبر الريبوسومات جزءًا أساسيًا من علم الأحياء والفيزياء الحيوية، والتي أصبحت متاحة هيكليًا لأول مرة في عام 2000. 

• 2000 – إنزيم AAA+ ATPase 
• 2002 – تكرارات أنكيرين 
• 2003 – تصميم البروتين TOP7 
• 2004 – بروتينات الساعة البيولوجية للبكتيريا الزرقاء 
• 2004 – مفتاح الريبو 
• 2006 - الإكسوسوم البشري 

• 2007 – مستقبل مقترن بالبروتين G 

• 2009 - يُعدّ جسيم القبو اكتشافًا جديدًا مثيرًا للاهتمام، وهو عبارة عن جسيم مجوّف كبير شائع في الخلايا، مع وجود العديد من الاقتراحات المختلفة لوظيفته البيولوجية المحتملة. تُظهر البنى البلورية (ملفات PDB: 2zuo، 2zv4، 2zv5 ^{[ 29 ]} ، و4hl8 ^{[ 30 ]} ) أن كل نصف من القبو يتكون من 39 نسخة من بروتين طويل ذي 12 نطاقًا، تتداخل معًا لتشكيل الغلاف. يشير عدم الانتظام في الطرفين العلوي والسفلي إلى وجود فتحات للوصول المحتمل إلى داخل القبو.