Hvad er røntgenkrystallografi?

af Reginald Daveyanmeldt af Michael Green, M.Sc.

røntgenkrystallografi er et værktøj, der bruges til at give strukturel information om molekyler. Teknikken blev udviklet i 1912 af Vilhelm Henry Bragg og Vilhelm Bragg (en far og søn hold, der vandt 1915 Nobelprisen i fysik for deres arbejde i marken), der byggede på tidligere arbejde af maks von Laue.

Von Laue opdagede, at ved at skinne røntgenstråler gennem en kobbersulfatkrystal på en fotografisk plade blev diffraktionspletter, der relaterede til den krystallinske struktur af prøven, produceret.

Spring til:

• en introduktion til røntgenkrystallografi
• metodologi
• anvendelser af røntgenkrystallografi
• Resume

Gregory A. En introduktion til røntgenkrystallografi

røntgenkrystallografi bruger elektromagnetisk stråling (specifikt røntgenstråler) til at bestemme molekylær og atomstruktur af en krystal. Krystalstrukturen får røntgenstrålerne til at diffraktere i specifikke retninger. Gennem analyse af intensiteten og vinklerne af disse bjælker kan positionen og arrangementet af elektroner inden for den krystallinske struktur bestemmes.

et tredimensionelt billede af elektrontæthederne kan derefter produceres. Information såsom Den gennemsnitlige position af atomer i strukturen, kovalent binding mellem dem og deres krystallografiske lidelse kan derefter bestemmes, hvilket repræsenterer den tredimensionelle struktur af et molekyle.

årsagen til, at røntgenstråler anvendes i denne proces, er fordi elektronernes skyer er i samme skala som Røntgenstrålingsbølgelængden. Dette betyder, at strålingen afbøjes og spredes af elektronerne af atomerne i krystallen. De afbøjede røntgenstråler frembringer en spredningsfordeling, der er proportional med spredningsvinklen. Braggs lov bruges til at beskrive dette.

da mange forskellige typer struktur kan danne krystaller, kan røntgenkrystallografi have mange forskningsapplikationer. De stoffer, der kan analyseres ved denne metode, inkluderer salte, mineraler, metaller, halvledere såvel som biologiske forbindelser inklusive proteiner, nukleinsyrer og vitaminer.

den sværeste del af processen vokser en perfekt krystal, da dette er nødvendigt for at give nøjagtige oplysninger om prøven. Nogle makromolekyler, især dem med en høj atomvægt, såsom membranproteiner, kan være vanskelige at krystallisere.

mange forskellige fagområder, herunder biologi, kemi og geologi, har fundet anvendelser til denne kraftfulde, men enkle teknik.

metodologi

en Røntgenkrystallografimaskine fungerer ved hjælp af et firecirklet diffraktometer. Dette virker ved at dreje krystallen og deflektoren mellem Røntgenkilden og skærmen. Skærmen modtager røntgenstrålerne, der er passeret gennem krystallen.

røntgenkrystallografieksperimenter er opdelt i fire trin:

• Proteinkrystallisation
• produktion af et diffraktionsmønster
• analyse af diffraktionsmønsteret til fremstilling af et elektrondensitetskort
• bestemmelse af proteinstrukturen.

som nævnt er den sværeste del af processen at opnå en perfekt krystalstruktur til analyse. Da elektronernes position skal kortlægges nøjagtigt, er det vigtigt, at strukturen er fejlfri.

et diffraktionsmønster dannes på skærmen af røntgenstrålerne, der er blevet absorberet af atomerne i krystallen, som efterlader mørke diffraktionspletter. Deres tæthed varierer med mængden af interferens mellem de diffrakterede elektroner på hvert punkt. Disse pletter repræsenterer nøjagtigt elektrondensiteten, som kan kortlægges.

når elektrondensitetskortet er lavet, er analysen af de krystallografiske data relativt ligetil. Det kræver dog kompleks matematik for at give mening om informationen. I de tidlige dage af røntgenkrystallografi blev disse beregninger udført manuelt, men nu bruges computere til at udføre dem.

den anvendte beregning kaldes Fourier-transformationen. Denne beregning omdanner dataene til en tredimensionel repræsentation af den atomære eller molekylære struktur af prøvemolekylet eller materialet.

anvendelser af røntgenkrystallografi

røntgenkrystallografi bruges til at analysere mange forskellige molekyler og er blevet brugt i mange berømte projekter inden for organisk og uorganisk kemi. Tidlige strukturer, der blev løst ved hjælp af teknikken, var enkle krystaller, herunder kvarts og salt.

en af de mest kendte af disse var bestemmelsen af den dobbelt-spiralformede struktur af DNA af Franklin, Vandsonog Crick i 1953. Andre vigtige molekyler, hvis strukturer blev identificeret, inkluderer Vitamin B12, insulin og penicillin.

ud over analysen af organiske molekyler (proteiner, vitaminer, nukleinsyrer) og uorganiske molekyler og strukturer er røntgenkrystallografi blevet brugt til at udvikle nye materialer inden for både materiale-og biovidenskab.

Resume

røntgenkrystallografi er stadig en af de bedste metoder til strukturanalyse af mange stoffer. Det forbliver en kraftfuld, enkel og pålidelig teknik, der bruges af laboratorier over hele verden.

der er adskillige undersøgelser, som røntgenkrystallografi kan give unik indsigt for, at andre metoder ikke kan, men det har nogle ulemper sammenlignet med disse andre teknikker, hvorfor det altid skal bruges som en del af en række analysemetoder.

yderligere læsning

• alt Krystallografiindhold
• Proteinkrystallisering
• røntgenkrystallografi
• bestemmelse af proteinstruktur
• Mikrosåning forklaret

skrevet af

Reginald Davey

Reg Davey er freelance tekstforfatter og redaktør med base i Nottingham i Storbritannien. Skrivning til nyheder medicinsk repræsenterer samlingen af forskellige interesser og områder, han har været interesseret og involveret i gennem årene, herunder Mikrobiologi, Biomedicinske Videnskaber, og Miljøvidenskab.

citater