Qu’est-ce que la cristallographie aux rayons X?

Par Reginald Daveyvu par Michael Greenwood, M.Sc .

La cristallographie aux rayons X est un outil utilisé pour fournir des informations structurelles sur les molécules. La technique a été développée en 1912 par William Henry Bragg et William Lawrence Bragg (une équipe père et fils qui a remporté le prix Nobel de physique en 1915 pour leurs travaux dans le domaine), qui se sont inspirés des travaux antérieurs de Max von Laue.

Von Laue a découvert qu’en faisant briller des rayons X à travers un cristal de sulfate de cuivre sur une plaque photographique, des taches de diffraction liées à la structure cristalline de l’échantillon étaient produites.

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• Une introduction à la cristallographie aux rayons X
• Méthodologie
• Applications de la cristallographie aux rayons X
• Résumé

Gregory A. Pozhvanov /

Une introduction à la cristallographie aux rayons X

La cristallographie aux rayons X utilise le rayonnement électromagnétique (en particulier les rayons X) pour déterminer la structure moléculaire et atomique d’un cristal. La structure du cristal fait diffracter les rayons X dans des directions spécifiques. Grâce à l’analyse des intensités et des angles de ces faisceaux, la position et la disposition des électrons dans la structure cristalline peuvent être déterminées.

Une image tridimensionnelle des densités d’électrons peut alors être produite. Des informations telles que la position moyenne des atomes dans la structure, la liaison covalente entre eux et leur désordre cristallographique peuvent ensuite être déterminées, ce qui représente la structure tridimensionnelle d’une molécule.

La raison pour laquelle les rayons X sont utilisés dans ce processus est que les nuages d’électrons sont à la même échelle que la longueur d’onde du rayonnement X. Cela signifie que le rayonnement est dévié et diffusé par les électrons des atomes dans le cristal. Les faisceaux de rayons X déviés produisent une distribution de diffusion proportionnelle à l’angle de diffusion. La loi de Bragg est utilisée pour décrire cela.

Étant donné que de nombreux types de structure peuvent former des cristaux, la cristallographie aux rayons X peut avoir de nombreuses applications de recherche. Les substances qui peuvent être analysées par cette méthode comprennent des sels, des minéraux, des métaux, des semi-conducteurs ainsi que des composés biologiques, notamment des protéines, des acides nucléiques et des vitamines.

La partie la plus difficile du processus est la croissance d’un cristal parfait, car cela est nécessaire pour fournir des informations précises sur l’échantillon. Certaines macromolécules, en particulier celles à poids atomique élevé telles que les protéines membranaires, peuvent être difficiles à cristalliser.

De nombreux domaines d’études, y compris la biologie, la chimie et la géologie, ont trouvé des utilisations pour cette technique puissante mais simple.

Méthodologie

Une machine de cristallographie aux rayons X fonctionne en utilisant un diffractomètre à quatre cercles. Cela fonctionne en faisant tourner le cristal et le déflecteur entre la source de rayons X et l’écran. L’écran reçoit les rayons X qui ont traversé le cristal.

Les expériences de cristallographie aux rayons X se décomposent en quatre étapes:

• Cristallisation de protéines
• Production d’un motif de diffraction
• Analyse du motif de diffraction pour produire une carte de densité électronique
• Détermination de la structure protéique.

Comme cela a été mentionné, la partie la plus difficile du processus consiste à obtenir une structure cristalline parfaite pour l’analyse. Comme la position des électrons doit être cartographiée avec précision, il est important que la structure soit impeccable.

Un motif de diffraction est formé sur l’écran par les rayons X qui ont été absorbés par les atomes du cristal, qui laissent derrière eux des taches de diffraction sombres. Leur densité varie avec la quantité d’interférence entre les électrons diffractés en chaque point. Ces taches représentent avec précision la densité électronique, qui peut être cartographiée.

Une fois la carte de densité électronique réalisée, l’analyse des données cristallographiques est relativement simple. Cela nécessite cependant des mathématiques complexes pour donner un sens à l’information. Dans les premiers jours de la cristallographie aux rayons X, ces calculs étaient effectués à la main, mais maintenant des ordinateurs sont utilisés pour les effectuer.

Le calcul utilisé s’appelle la transformation de Fourier. Ce calcul transforme les données en une représentation tridimensionnelle de la structure atomique ou moléculaire de la molécule ou du matériau de l’échantillon.

Applications de la cristallographie aux rayons X

La cristallographie aux rayons X est utilisée pour analyser de nombreuses molécules différentes et a été utilisée dans de nombreux projets célèbres dans les domaines de la chimie organique et inorganique. Les premières structures qui ont été résolues à l’aide de la technique étaient de simples cristaux, y compris du quartz et du sel.

L’une des plus connues d’entre elles est la détermination de la structure à double hélice de l’ADN par Franklin, Watson et Crick en 1953. D’autres molécules importantes dont les structures ont été identifiées comprennent la vitamine B12, l’insuline et la pénicilline.

En plus de l’analyse de molécules organiques (protéines, vitamines, acides nucléiques) et de molécules et structures inorganiques, la cristallographie aux rayons X a été utilisée pour développer de nouveaux matériaux dans les sciences des matériaux et de la vie.

Résumé

La cristallographie aux rayons X reste l’une des meilleures méthodes pour l’analyse structurale de nombreuses substances. Il reste une technique puissante, simple et fiable utilisée par les laboratoires du monde entier.

Il existe de nombreuses études selon lesquelles la cristallographie aux rayons X peut fournir des informations uniques que d’autres méthodologies ne peuvent pas, mais elle présente certains inconvénients par rapport à ces autres techniques, c’est pourquoi elle devrait toujours être utilisée dans le cadre d’une suite de méthodes analytiques.

Pour en savoir plus

• Tout le contenu de la cristallographie
• Cristallisation des protéines
• Cristallographie aux rayons X
• Détermination de la Structure des protéines
• Explication du Microseeding

Écrit par

Reginald Davey

Reg Davey est un rédacteur et éditeur indépendant basé à Nottingham au Royaume-Uni. Écrire pour News Medical représente la rencontre de divers intérêts et domaines dans lesquels il s’est intéressé et impliqué au fil des ans, notamment la microbiologie, les Sciences biomédicales et les sciences de l’environnement.

Citations