¿Qué es la cristalografía de rayos X?

De Reginald Daveyrepresentado por Michael Greenwood, M.Sc.

La cristalografía de rayos X es una herramienta utilizada para proporcionar información estructural sobre moléculas. La técnica fue desarrollada en 1912 por William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (un equipo de padre e hijo que ganó el Premio Nobel de Física en 1915 por su trabajo en el campo), que se basó en trabajos anteriores de Max von Laue.

Von Laue descubrió que al brillar rayos X a través de un cristal de sulfato de cobre sobre una placa fotográfica, se producían puntos de difracción relacionados con la estructura cristalina de la muestra.

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• Introducción a la Cristalografía de rayos X
• Metodología
• Aplicaciones de la cristalografía de rayos X
• Resumen

Gregory A. Pozhvanov /

Una introducción a la cristalografía de rayos X

La cristalografía de rayos X utiliza radiación electromagnética (específicamente, rayos X) para determinar la estructura molecular y atómica de un cristal. La estructura del cristal hace que los rayos X difracten en direcciones específicas. A través del análisis de las intensidades y ángulos de estos haces, se puede determinar la posición y disposición de los electrones dentro de la estructura cristalina.

Se puede producir una imagen tridimensional de las densidades de electrones. Se puede determinar información como la posición media de los átomos dentro de la estructura, la unión covalente entre ellos y su desorden cristalográfico, que representa la estructura tridimensional de una molécula.

La razón por la que se utilizan rayos X en este proceso es porque las nubes de electrones están a la misma escala que la longitud de onda de radiación de rayos X. Esto significa que la radiación es desviada y dispersada por los electrones de los átomos en el cristal. Los haces de rayos X desviados producen una distribución de dispersión proporcional al ángulo de dispersión. La ley de Bragg se usa para describir esto.

Dado que muchos tipos diversos de estructuras pueden formar cristales, la cristalografía de rayos X puede tener muchas aplicaciones de investigación. Las sustancias que se pueden analizar por este método incluyen sales, minerales, metales, semiconductores, así como compuestos biológicos, incluidas proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas.

La parte más difícil del proceso es cultivar un cristal perfecto, ya que es necesario para proporcionar información precisa sobre la muestra. Algunas macromoléculas, especialmente aquellas con un alto peso atómico, como las proteínas de membrana, pueden ser difíciles de cristalizar.

Muchos campos de estudio diferentes, incluida la biología, la química y la geología, han encontrado usos para esta técnica poderosa pero simple.

Metodología

Una máquina de cristalografía de rayos X funciona utilizando un difractómetro de cuatro círculos. Esto funciona girando el cristal y el deflector entre la fuente de rayos X y la pantalla. La pantalla recibe los rayos X que han pasado a través del cristal.

Los experimentos de cristalografía de rayos X se dividen en cuatro pasos:

• Cristalización de proteínas
• Producción de un patrón de difracción
• Análisis del patrón de difracción para producir un mapa de densidad electrónica
• Determinación de la estructura de la proteína.

Como se ha mencionado, la parte más difícil del proceso es lograr una estructura cristalina perfecta para el análisis. Como la posición de los electrones debe mapearse con precisión, es importante que la estructura sea impecable.

Un patrón de difracción se forma en la pantalla por los rayos X que han sido absorbidos por los átomos en el cristal, que dejan manchas oscuras de difracción. Su densidad varía con la cantidad de interferencia entre los electrones difractados en cada punto. Estos puntos representan con precisión la densidad electrónica, que se puede mapear.

Una vez realizado el mapa de densidad electrónica, el análisis de los datos cristalográficos es relativamente sencillo. Sin embargo, requiere matemáticas complejas para dar sentido a la información. En los primeros días de la cristalografía de rayos X, estos cálculos se hacían a mano, pero ahora se utilizan computadoras para realizarlos.

El cálculo utilizado se denomina transformación de Fourier. Este cálculo transforma los datos en una representación tridimensional de la estructura atómica o molecular de la molécula o material de muestra.

Aplicaciones de cristalografía de rayos X

La cristalografía de rayos X se utiliza para analizar muchas moléculas diferentes y se ha utilizado en muchos proyectos famosos en los campos de la química orgánica e inorgánica. Las primeras estructuras que se resolvieron usando la técnica eran cristales simples, incluyendo cuarzo y sal.

Una de las más conocidas fue la determinación de la estructura de doble hélice del ADN por Franklin, Watson y Crick en 1953. Otras moléculas importantes cuyas estructuras se identificaron incluyen la vitamina B12, la insulina y la penicilina.

Además del análisis de moléculas orgánicas (proteínas, vitaminas, ácidos nucleicos) y moléculas y estructuras inorgánicas, la cristalografía de rayos X se ha utilizado para desarrollar materiales novedosos tanto en ciencias de los materiales como en ciencias de la vida.

Resumen

La cristalografía de rayos X sigue siendo uno de los mejores métodos para el análisis estructural de muchas sustancias. Sigue siendo una técnica poderosa, simple y confiable que es utilizada por laboratorios de todo el mundo.

Hay numerosos estudios en los que la cristalografía de rayos X puede proporcionar información única para que otras metodologías no puedan, pero tiene algunas desventajas en comparación con estas otras técnicas, por lo que siempre debe usarse como parte de un conjunto de métodos analíticos.

Lectura adicional

• Todo el Contenido de Cristalografía
• Cristalización de proteínas
• Cristalografía de Rayos X
• Determinación de la Estructura de Proteínas
• Explicación de la Microsiembra

Escrito por

Reginald Davey

Reg Davey es un redactor y editor independiente con sede en Nottingham, Reino Unido. Escribir para News Medical representa la unión de varios intereses y campos en los que ha estado interesado e involucrado a lo largo de los años, incluida la Microbiología, las Ciencias Biomédicas y las Ciencias Ambientales.

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