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Il formato immagine PDB (Protein Data Bank) non è un formato "immagine" tradizionale come JPEG o PNG, ma piuttosto un formato dati che memorizza informazioni strutturali tridimensionali su proteine, acidi nucleici e complessi assemblaggi. Il formato PDB è un pilastro della bioinformatica e della biologia strutturale, poiché consente agli scienziati di visualizzare, condividere e analizzare le strutture molecolari delle macromolecole biologiche. L'archivio PDB è gestito dal Worldwide Protein Data Bank (wwPDB), che garantisce che i dati PDB siano liberamente e pubblicamente disponibili alla comunità globale.

Il formato PDB è stato sviluppato per la prima volta all'inizio degli anni '70 per soddisfare la crescente necessità di un metodo standardizzato di rappresentazione delle strutture molecolari. Da allora, si è evoluto per ospitare un'ampia gamma di dati molecolari. Il formato è basato su testo e può essere letto dagli esseri umani e anche elaborato dai computer. Consiste in una serie di record, ognuno dei quali inizia con un identificatore di riga di sei caratteri che specifica il tipo di informazioni contenute in quel record. I record forniscono una descrizione dettagliata della struttura, comprese le coordinate atomiche, la connettività e i dati sperimentali.

Un tipico file PDB inizia con una sezione di intestazione, che include metadati sulla struttura della proteina o dell'acido nucleico. Questa sezione contiene record come TITLE, che fornisce una breve descrizione della struttura; COMPND, che elenca i componenti chimici; e SOURCE, che descrive l'origine della molecola biologica. L'intestazione include anche il record AUTHOR, che elenca i nomi delle persone che hanno determinato la struttura, e il record JOURNAL, che fornisce una citazione alla letteratura in cui la struttura è stata descritta per la prima volta.

Dopo l'intestazione, il file PDB contiene le informazioni sulla sequenza primaria della macromolecola nei record SEQRES. Questi record elencano la sequenza di residui (amminoacidi per le proteine, nucleotidi per gli acidi nucleici) così come appaiono nella catena. Queste informazioni sono cruciali per comprendere la relazione tra la sequenza di una molecola e la sua struttura tridimensionale.

I record ATOM sono probabilmente la parte più importante di un file PDB, poiché contengono le coordinate per ciascun atomo nella molecola. Ogni record ATOM include il numero di serie dell'atomo, il nome dell'atomo, il nome del residuo, l'identificatore della catena, il numero di sequenza del residuo e le coordinate cartesiane x, y e z dell'atomo in angstrom. I record ATOM consentono la ricostruzione della struttura tridimensionale della molecola, che può essere visualizzata utilizzando software specializzati come PyMOL, Chimera o VMD.

Oltre ai record ATOM, ci sono record HETATM per gli atomi che fanno parte di residui o ligandi non standard, come ioni metallici, molecole d'acqua o altre piccole molecole legate alla proteina o all'acido nucleico. Questi record sono formattati in modo simile ai record ATOM ma sono distinti per facilitare l'identificazione dei componenti non macromolecolari all'interno della struttura.

Le informazioni sulla connettività sono fornite nei record CONECT, che elencano i legami tra gli atomi. Questi record non sono obbligatori, poiché la maggior parte dei software di visualizzazione e analisi molecolare può dedurre la connettività in base alle distanze tra gli atomi. Tuttavia, sono cruciali per definire legami insoliti o per strutture con complessi di coordinazione metallica, dove il legame potrebbe non essere ovvio dalle sole coordinate atomiche.

Il formato PDB include anche record per specificare elementi di struttura secondaria, come eliche alfa e fogli beta. I record HELIX e SHEET identificano queste strutture e forniscono informazioni sulla loro posizione all'interno della sequenza. Queste informazioni aiutano a comprendere i modelli di piegatura della macromolecola e sono essenziali per studi comparativi e modellazione.

Anche i dati sperimentali e i metodi utilizzati per determinare la struttura sono documentati nel file PDB. Record come EXPDTA descrivono la tecnica sperimentale (ad esempio, cristallografia a raggi X, spettroscopia NMR), mentre i record REMARK possono contenere un'ampia varietà di commenti e annotazioni sulla struttura, inclusi dettagli sulla raccolta dei dati, sulla risoluzione e sulle statistiche di affinamento.

Il record END indica la fine del file PDB. È importante notare che mentre il formato PDB è ampiamente utilizzato, presenta alcune limitazioni dovute alla sua età e al formato a larghezza di colonna fissa, che può portare a problemi con strutture moderne che hanno un gran numero di atomi o richiedono maggiore precisione. Per affrontare queste limitazioni, è stato sviluppato un formato aggiornato chiamato mmCIF (macromolecular Crystallographic Information File), che offre un framework più flessibile ed estensibile per rappresentare le strutture macromolecolari.

Nonostante lo sviluppo del formato mmCIF, il formato PDB rimane popolare grazie alla sua semplicità e al vasto numero di strumenti software che lo supportano. I ricercatori spesso convertono tra i formati PDB e mmCIF a seconda delle loro esigenze e degli strumenti che stanno utilizzando. La longevità del formato PDB è una testimonianza del suo ruolo fondamentale nel campo della biologia strutturale e della sua efficacia nel trasmettere informazioni strutturali complesse in modo relativamente semplice.

Per lavorare con i file PDB, gli scienziati utilizzano una varietà di strumenti computazionali. Il software di visualizzazione molecolare consente agli utenti di caricare file PDB e visualizzare le strutture in tre dimensioni, ruotarle, ingrandire e rimpicciolire e applicare diversi stili di rendering per comprendere meglio la disposizione spaziale degli atomi. Questi strumenti spesso forniscono funzionalità aggiuntive, come la misurazione di distanze, angoli e diedri, la simulazione della dinamica molecolare e l'analisi delle interazioni all'interno della struttura o con potenziali ligandi.

Il formato PDB svolge anche un ruolo cruciale nella biologia computazionale e nella scoperta di farmaci. Le informazioni strutturali dai file PDB vengono utilizzate nella modellazione dell'omologia, dove la struttura nota di una proteina correlata viene utilizzata per prevedere la struttura di una proteina di interesse. Nella progettazione di farmaci basata sulla struttura, i file PDB delle proteine bersaglio vengono utilizzati per selezionare e ottimizzare potenziali composti farmaceutici, che possono quindi essere sintetizzati e testati in laboratorio.

L'impatto del formato PDB si estende oltre i singoli progetti di ricerca. La Protein Data Bank stessa è un archivio che attualmente contiene oltre 150.000 strutture e continua a crescere man mano che vengono determinate e depositate nuove strutture. Questo database è una risorsa preziosa per l'istruzione, consentendo agli studenti di esplorare e conoscere le strutture delle macromolecole biologiche. Serve anche come registro storico dei progressi della biologia strutturale negli ultimi decenni.

In conclusione, il formato immagine PDB è uno strumento critico nel campo della biologia strutturale, che fornisce un mezzo per memorizzare, condividere e analizzare le strutture tridimensionali delle macromolecole biologiche. Sebbene presenti alcune limitazioni, la sua ampia adozione e lo sviluppo di un ricco ecosistema di strumenti per il suo utilizzo garantiscono che rimarrà un formato chiave nel prossimo futuro. Man mano che il campo della biologia strutturale continua a evolversi, il formato PDB sarà probabilmente integrato da formati più avanzati come mmCIF, ma la sua eredità resisterà come la base su cui si basa la biologia strutturale moderna.