X線結晶学とは何ですか？

By Reginald DaveyReviewed by Michael Greenwood,M.Sc。

X線結晶構造解析は、分子に関する構造情報を提供するために使用されるツールです。 この技術は、1912年にウィリアム・ヘンリー・ブラッグとウィリアム・ローレンス・ブラッグ（1915年のノーベル物理学賞を受賞した父と息子のチーム）によって開発され、マックス・フォン・ラウエの初期の研究に基づいていた。

Von Laueは、硫酸銅結晶を介して写真板上にX線を照射することにより、試料の結晶構造に関連する回折スポットが生成されることを発見しました。

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• X線結晶学入門
• 方法論
• X線結晶学の応用
• 概要

Gregory A. Pozhvanov/

X線結晶学入門

x線結晶学は、結晶の分子構造と原子構造を決定するために電磁放射（具体的にはX線）を使用します。 結晶の構造は、X線が特定の方向に回折する原因となります。 これらのビームの強度と角度を解析することにより、結晶構造内の電子の位置と配置を決定することができる。

その後、電子密度の三次元画像を作成することができます。 構造内の原子の平均位置、それらの間の共有結合、およびそれらの結晶学的障害などの情報を決定することができ、これは分子の三次元構造を表す。

このプロセスでX線が使用される理由は、電子の雲がX線の放射波長と同じスケールであるためです。 これは、放射が結晶中の原子の電子によって偏向され、散乱されることを意味する。 偏向されたＸ線ビームは散乱角に比例する散乱分布を生成する。 ブラッグの法則は、これを記述するために使用されます。

多くの種類の構造が結晶を形成することができるので、X線結晶学は多くの研究用途を持つことができます。 この方法によって分析することができる物質は蛋白質、核酸およびビタミンを含む生物的混合物と同様、塩、鉱物、金属、半導体を含んでいます。

サンプルに関する正確な情報を提供するために必要なため、プロセスの最も困難な部分は完全な結晶を成長させることです。 いくつかの高分子、特に膜タンパク質のような高い原子量を有する分子は、結晶化することが困難であり得る。

生物学、化学、地質学を含む多くの異なる研究分野が、この強力でありながら単純な技術の用途を発見しました。

X線結晶構造解析機は、四円回折計を利用して動作します。 これはx線の源とスクリーン間の水晶そして偏向器を回すことによって働く。 画面は、結晶を通過したX線を受信します。

X線結晶学実験は四つのステップに分解されます:

• タンパク質結晶化
• 回折パターンの生成
• 電子密度マップを生成するための回折パターンの分析
• タンパク質構造の決定。

前述したように、プロセスの最も困難な部分は、分析のための完全な結晶構造を達成することです。 電子の位置は正確にマッピングされなければならないので、構造が完璧であることが重要です。

結晶中の原子に吸収されたX線によって回折パターンがスクリーン上に形成され、暗い回折スポットが残されます。 それらの密度は、各点で回折された電子間の干渉の量によって変化する。 これらのスポットは正確に電子密度を表し、マッピングすることができます。

電子密度マップが作成されると、結晶学的データの分析は比較的簡単になります。 しかし、情報を理解するには複雑な数学が必要です。 X線結晶学の初期には、これらの計算は手作業で行われていましたが、現在ではコンピュータがそれらを実行するために使用されています。

使用される計算はフーリエ変換と呼ばれます。 この計算は、サンプル分子または材料の原子または分子構造の三次元表現にデータを変換します。

X線結晶学の応用

X線結晶学は、多くの異なる分子を分析するために使用され、有機および無機化学の分野で多くの有名なプロジェクトで使用 この技術を用いて分解された初期の構造は、石英や塩を含む単純な結晶であった。

これらの中で最もよく知られているものの1つは、1953年のFranklin、Watson、およびCrickによるDNAの二重らせん構造の決定でした。 その構造が同定された他の重要な分子には、ビタミンB12、インスリン、およびペニシリンが含まれる。

有機分子（タンパク質、ビタミン、核酸）や無機分子や構造の解析だけでなく、X線結晶構造解析を用いて、材料科学と生命科学の両方で新しい材料を開発してきました。

概要

X線結晶構造解析は、依然として多くの物質の構造解析のための最良の方法の一つです。 それは世界を渡る実験室によって使用される強力で、簡単な、信頼できる技術に残る。

X線結晶学は、他の方法論ではできないユニークな洞察を提供できるという多くの研究がありますが、これらの他の技術と比較していくつかの欠点があ

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Reginald Davey

Reg Daveyはイギリスのノッティンガムで基づくフリーランスのコピーライターおよび編集者である。 News Medicalの執筆は、微生物学、生物医学、環境科学など、長年にわたって興味を持ち、関わってきた様々な関心と分野が集まっていることを表しています。

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