Cos’è la cristallografia a raggi X?

Di Reginald DaveyReviewed di Michael Greenwood, M.Sc.

La cristallografia a raggi X è uno strumento utilizzato per fornire informazioni strutturali sulle molecole. La tecnica fu sviluppata nel 1912 da William Henry Bragg e William Lawrence Bragg (un team di padre e figlio che vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 1915 per il loro lavoro sul campo), che si basarono su precedenti lavori di Max von Laue.

Von Laue scoprì che facendo brillare i raggi X attraverso un cristallo di solfato di rame su una lastra fotografica, venivano prodotti punti di diffrazione correlati alla struttura cristallina del campione.

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• Introduzione alla cristallografia a raggi X
• Metodologia
• Applicazioni della cristallografia a raggi X
• Sommario

Gregory A. Pozhvanov |

Introduzione alla cristallografia a raggi X

La cristallografia a raggi X utilizza la radiazione elettromagnetica (in particolare i raggi X) per determinare la struttura molecolare e atomica di un cristallo. La struttura del cristallo fa sì che i raggi X diffrattino in direzioni specifiche. Attraverso l’analisi delle intensità e degli angoli di questi fasci, è possibile determinare la posizione e la disposizione degli elettroni all’interno della struttura cristallina.

È quindi possibile produrre un’immagine tridimensionale delle densità degli elettroni. Informazioni come la posizione media degli atomi all’interno della struttura, il legame covalente tra di loro e il loro disturbo cristallografico possono quindi essere determinate, che rappresenta la struttura tridimensionale di una molecola.

La ragione per cui i raggi X vengono utilizzati in questo processo è perché le nuvole di elettroni sono alla stessa scala della lunghezza d’onda della radiazione dei raggi X. Ciò significa che la radiazione viene deviata e dispersa dagli elettroni degli atomi nel cristallo. I raggi X deviati producono una distribuzione di dispersione che è proporzionale all’angolo di dispersione. La legge di Bragg è usata per descrivere questo.

Poiché molti diversi tipi di struttura possono formare cristalli, la cristallografia a raggi X può avere molte applicazioni di ricerca. Le sostanze che possono essere analizzate con questo metodo includono sali, minerali, metalli, semiconduttori e composti biologici tra cui proteine, acidi nucleici e vitamine.

La parte più difficile del processo è la crescita di un cristallo perfetto, in quanto ciò è necessario per fornire informazioni accurate sul campione. Alcune macromolecole, specialmente quelle con un alto peso atomico come le proteine di membrana, possono essere difficili da cristallizzare.

Molti diversi campi di studio tra cui biologia, chimica e geologia hanno trovato usi per questa tecnica potente ma semplice.

Metodologia

Una macchina per cristallografia a raggi X funziona utilizzando un diffrattometro a quattro cerchi. Questo funziona ruotando il cristallo e il deflettore tra la sorgente di raggi X e lo schermo. Lo schermo riceve i raggi X che sono passati attraverso il cristallo.

Gli esperimenti di cristallografia a raggi X sono suddivisi in quattro fasi:

• Cristallizzazione delle proteine
• Produzione di un pattern di diffrazione
• Analisi del pattern di diffrazione per produrre una mappa di densità elettronica
• Determinazione della struttura proteica.

Come è stato detto, la parte più difficile del processo è ottenere una struttura cristallina perfetta per l’analisi. Poiché la posizione degli elettroni deve essere mappata con precisione, è importante che la struttura sia impeccabile.

Uno schema di diffrazione è formato sullo schermo dai raggi X che sono stati assorbiti dagli atomi nel cristallo, che lasciano dietro macchie scure di diffrazione. La loro densità varia con la quantità di interferenza tra gli elettroni diffratti in ogni punto. Questi punti rappresentano con precisione la densità elettronica, che può essere mappata.

Una volta realizzata la mappa della densità elettronica, l’analisi dei dati cristallografici è relativamente semplice. Tuttavia, richiede una matematica complessa per dare un senso alle informazioni. Nei primi giorni della cristallografia a raggi X, questi calcoli sono stati fatti a mano, ma ora i computer sono utilizzati per eseguirli.

Il calcolo utilizzato è chiamato trasformazione di Fourier. Questo calcolo trasforma i dati in una rappresentazione tridimensionale della struttura atomica o molecolare della molecola o del materiale campione.

Applicazioni della cristallografia a raggi X

La cristallografia a raggi X viene utilizzata per analizzare molte molecole diverse ed è stata utilizzata in molti famosi progetti nei campi della chimica organica e inorganica. Le prime strutture che sono state risolte usando la tecnica erano semplici cristalli, tra cui quarzo e sale.

Uno dei più noti di questi fu la determinazione della struttura a doppia elica del DNA da parte di Franklin, Watson e Crick nel 1953. Altre molecole importanti le cui strutture sono state identificate includono vitamina B12, insulina e penicillina.

Oltre all’analisi di molecole organiche (proteine, vitamine, acidi nucleici) e molecole e strutture inorganiche, la cristallografia a raggi X è stata utilizzata per sviluppare nuovi materiali sia nelle scienze materiali che nella vita.

Sommario

La cristallografia a raggi X è ancora uno dei migliori metodi per l’analisi strutturale di molte sostanze. Rimane una tecnica potente, semplice e affidabile che viene utilizzata dai laboratori di tutto il mondo.

Ci sono numerosi studi che la cristallografia a raggi X può fornire intuizioni uniche per altre metodologie, ma ha alcuni svantaggi rispetto a queste altre tecniche, motivo per cui dovrebbe sempre essere usato come parte di una suite di metodi analitici.

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Scritto da

Reginald Davey

Reg Davey è un freelance copywriter ed editor in base a Nottingham nel Regno Unito. Scrivere per News Medical rappresenta l’incontro di vari interessi e campi in cui è stato interessato e coinvolto nel corso degli anni, tra cui Microbiologia, Scienze biomediche e Scienze ambientali.

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