Was ist Röntgenkristallographie?

Von Reginald DaveyBewertet durch Michael Greenwood, M.Sc .

Die Röntgenkristallographie ist ein Werkzeug zur Bereitstellung struktureller Informationen über Moleküle. Die Technik wurde 1912 von William Henry Bragg und William Lawrence Bragg (einem Vater-Sohn-Team, das 1915 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit auf diesem Gebiet gewann) entwickelt, die auf früheren Arbeiten von Max von Laue aufbauten.

Von Laue entdeckte, dass durch Röntgenstrahlen durch einen Kupfersulfatkristall auf eine fotografische Platte Beugungsflecken erzeugt wurden, die sich auf die kristalline Struktur der Probe bezogen.

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• Eine Einführung in die Röntgenkristallographie
• Methodik
• Anwendungen der Röntgenkristallographie
• Zusammenfassung

Gregory A. Pozhvanov /

Eine Einführung in die Röntgenkristallographie

Die Röntgenkristallographie verwendet elektromagnetische Strahlung (insbesondere Röntgenstrahlen), um die molekulare und atomare Struktur eines Kristalls zu bestimmen. Die Struktur des Kristalls bewirkt, dass die Röntgenstrahlen in bestimmte Richtungen gebeugt werden. Durch die Analyse der Intensitäten und Winkel dieser Strahlen kann die Position und Anordnung der Elektronen innerhalb der kristallinen Struktur bestimmt werden.

Ein dreidimensionales Bild der Elektronendichten kann dann erzeugt werden. Informationen wie die mittlere Position von Atomen innerhalb der Struktur, die kovalente Bindung zwischen ihnen und ihre kristallographische Unordnung können dann bestimmt werden, was die dreidimensionale Struktur eines Moleküls darstellt.

Der Grund, warum Röntgenstrahlen in diesem Prozess verwendet werden, ist, dass die Elektronenwolken den gleichen Maßstab wie die Röntgenstrahlungswellenlänge haben. Dies bedeutet, dass die Strahlung von den Elektronen der Atome im Kristall abgelenkt und gestreut wird. Die abgelenkten Röntgenstrahlen erzeugen eine Streuverteilung, die proportional zum Streuwinkel ist. Bragg’s Gesetz wird verwendet, um dies zu beschreiben.

Da viele verschiedene Arten von Strukturen Kristalle bilden können, kann die Röntgenkristallographie viele Forschungsanwendungen haben. Zu den Substanzen, die mit dieser Methode analysiert werden können, gehören Salze, Mineralien, Metalle, Halbleiter sowie biologische Verbindungen wie Proteine, Nukleinsäuren und Vitamine.

Der schwierigste Teil des Prozesses ist das Züchten eines perfekten Kristalls, da dies erforderlich ist, um genaue Informationen über die Probe zu liefern. Einige Makromoleküle, insbesondere solche mit einem hohen Atomgewicht wie Membranproteine, können schwierig zu kristallisieren sein.

Viele verschiedene Studienrichtungen, darunter Biologie, Chemie und Geologie, haben Anwendungen für diese leistungsstarke und dennoch einfache Technik gefunden.

Methodik

Ein Röntgenkristallographiegerät arbeitet mit einem Vierkreisdiffraktometer. Dies funktioniert durch Drehen des Kristalls und des Deflektors zwischen der Röntgenquelle und dem Bildschirm. Der Bildschirm empfängt die Röntgenstrahlen, die durch den Kristall gegangen sind.

Röntgenkristallographische Experimente sind in vier Schritte unterteilt:

• Proteinkristallisation
• Herstellung eines Beugungsmusters
• Analyse des Beugungsmusters zur Herstellung einer Elektronendichtekarte
• Bestimmung der Proteinstruktur.

Wie bereits erwähnt, besteht der schwierigste Teil des Prozesses darin, eine perfekte Kristallstruktur für die Analyse zu erreichen. Da die Position der Elektronen genau abgebildet werden muss, ist es wichtig, dass die Struktur einwandfrei ist.

Durch die von den Atomen im Kristall absorbierten Röntgenstrahlen entsteht auf dem Schirm ein Beugungsmuster, das dunkle Beugungsflecken hinterlässt. Ihre Dichte variiert mit der Interferenz zwischen den gebeugten Elektronen an jedem Punkt. Diese Stellen stellen genau die Elektronendichte dar, die abgebildet werden kann.

Sobald die Elektronendichtekarte erstellt wurde, ist die Analyse der kristallographischen Daten relativ einfach. Es erfordert jedoch komplexe Mathematik, um die Informationen zu verstehen. In den frühen Tagen der Röntgenkristallographie wurden diese Berechnungen von Hand durchgeführt, aber jetzt werden Computer verwendet, um sie durchzuführen.

Die verwendete Berechnung wird als Fourier-Transformation bezeichnet. Diese Berechnung wandelt die Daten in eine dreidimensionale Darstellung der atomaren oder molekularen Struktur des Probenmoleküls oder -materials um.

Anwendungen der Röntgenkristallographie

Die Röntgenkristallographie wird zur Analyse vieler verschiedener Moleküle verwendet und wurde in vielen bekannten Projekten auf dem Gebiet der organischen und anorganischen Chemie eingesetzt. Frühe Strukturen, die mit der Technik aufgelöst wurden, waren einfache Kristalle, einschließlich Quarz und Salz.

Eine der bekanntesten davon war die Bestimmung der doppelhelikalen Struktur der DNA durch Franklin, Watson und Crick im Jahr 1953. Andere wichtige Moleküle, deren Strukturen identifiziert wurden, umfassen Vitamin B12, Insulin und Penicillin.

Neben der Analyse organischer Moleküle (Proteine, Vitamine, Nukleinsäuren) und anorganischer Moleküle und Strukturen wurde die Röntgenkristallographie zur Entwicklung neuartiger Materialien in den Material- und Lebenswissenschaften eingesetzt.

Zusammenfassung

Die Röntgenkristallographie ist nach wie vor eine der besten Methoden zur Strukturanalyse vieler Substanzen. Es bleibt eine leistungsstarke, einfache und zuverlässige Technik, die von Labors auf der ganzen Welt verwendet wird.

Es gibt zahlreiche Studien, in denen die Röntgenkristallographie einzigartige Erkenntnisse liefern kann, die andere Methoden nicht liefern können, aber sie hat einige Nachteile im Vergleich zu diesen anderen Techniken, weshalb sie immer als Teil einer Reihe von Analysemethoden verwendet werden sollte.

Weiterführende Literatur

• Alle kristallographischen Inhalte
• Proteinkristallisation
• Röntgenkristallographie
• Proteinstrukturbestimmung
• Mikroseeding erklärt

Geschrieben von

Reginald Davey

Reg Davey ist ein freiberuflicher Texter und Redakteur mit Sitz in Nottingham in Großbritannien. Das Schreiben für News Medical repräsentiert das Zusammentreffen verschiedener Interessen und Bereiche, an denen er im Laufe der Jahre interessiert und beteiligt war, einschließlich Mikrobiologie, Biomedizinische Wissenschaften, und Umweltwissenschaften.

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