Ce este cristalografia cu raze X?

de Reginald Daveyrevizuit de Michael Greenwood, M.Sc.

cristalografia cu raze X este un instrument utilizat pentru a furniza informații structurale despre molecule. Tehnica a fost dezvoltată în 1912 de William Henry Bragg și William Lawrence Bragg (o echipă tată și fiu care a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică din 1915 pentru munca lor în domeniu), care s-a bazat pe lucrările anterioare ale lui Max von Laue.

Von Laue a descoperit că prin strălucirea razelor X printr-un cristal de sulfat de cupru pe o placă fotografică, s-au produs pete de difracție legate de structura cristalină a probei.

Treci la:

• o introducere în cristalografia cu raze X
• metodologie
• aplicații ale cristalografiei cu raze X
• rezumat

Gregory A. Pozhvanov /

o introducere în cristalografia cu raze X

cristalografia cu raze X utilizează radiații electromagnetice (în mod specific, raze X) pentru a determina structura moleculară și atomică a unui cristal. Structura cristalului face ca razele X să difracteze în direcții specifice. Prin analiza intensităților și unghiurilor acestor fascicule, se poate determina poziția și dispunerea electronilor în structura cristalină.

se poate produce apoi o imagine tridimensională a densităților electronilor. Informații precum poziția medie a atomilor în cadrul structurii, legătura covalentă dintre ei și tulburarea lor cristalografică pot fi apoi determinate, ceea ce reprezintă structura tridimensională a unei molecule.

motivul pentru care razele X sunt utilizate în acest proces se datorează faptului că norii de electroni sunt la aceeași scară ca lungimea de undă a radiației cu raze X. Aceasta înseamnă că radiația este deviată și împrăștiată de electronii atomilor din cristal. Fasciculele de raze X deviate produc o distribuție de împrăștiere care este proporțională cu unghiul de împrăștiere. Legea lui Bragg este folosită pentru a descrie acest lucru.

deoarece multe tipuri diverse de structuri pot forma cristale, cristalografia cu raze X poate avea multe aplicații de cercetare. Substanțele care pot fi analizate prin această metodă includ săruri, minerale, metale, semiconductori, precum și compuși biologici, inclusiv proteine, acizi nucleici și vitamine.

cea mai dificilă parte a procesului este creșterea unui cristal perfect, deoarece acest lucru este necesar pentru a furniza informații exacte despre eșantion. Unele macromolecule, în special cele cu o greutate atomică ridicată, cum ar fi proteinele membranare, pot fi dificil de cristalizat.

multe domenii diferite de studiu, inclusiv biologia, chimia și geologia, au găsit utilizări pentru această tehnică puternică, dar simplă.

metodologie

o mașină de cristalografie cu raze X funcționează prin utilizarea unui difractometru cu patru cercuri. Aceasta funcționează prin rotirea cristalului și a deflectorului între sursa de raze X și ecran. Ecranul primește razele X care au trecut prin cristal.

experimentele de cristalografie cu raze X sunt împărțite în patru etape:

• cristalizarea proteinelor
• producerea unui model de difracție
• analiza modelului de difracție pentru a produce o hartă a densității electronilor
• determinarea structurii proteinei.

după cum s-a menționat, cea mai dificilă parte a procesului este realizarea unei structuri cristaline perfecte pentru analiză. Deoarece poziția electronilor trebuie mapată cu exactitate, este important ca structura să fie impecabilă.

un model de difracție este format pe ecran de razele X care au fost absorbite de atomii din cristal, care lasă în urmă pete de difracție întunecate. Densitatea lor variază în funcție de cantitatea de interferență dintre electronii difractați în fiecare punct. Aceste pete reprezintă cu exactitate densitatea electronilor, care poate fi mapată.

odată ce harta densității electronilor a fost făcută, analiza datelor cristalografice este relativ simplă. Cu toate acestea, necesită matematică complexă pentru a da sens informațiilor. În primele zile ale cristalografiei cu raze X, aceste calcule au fost făcute manual, dar acum computerele sunt folosite pentru a le efectua.

calculul folosit se numește transformarea Fourier. Acest calcul transformă datele într-o reprezentare tridimensională a structurii atomice sau moleculare a moleculei sau materialului probei.

aplicații ale cristalografiei cu raze X

cristalografia cu raze X este utilizată pentru a analiza multe molecule diferite și a fost utilizată în multe proiecte celebre în domeniile chimiei organice și anorganice. Structurile timpurii care au fost rezolvate folosind tehnica au fost cristale simple, inclusiv cuarț și sare.

una dintre cele mai cunoscute dintre acestea a fost determinarea structurii dublu-elicoidale a ADN-ului de către Franklin, Watson și Crick în 1953. Alte molecule importante ale căror structuri au fost identificate includ vitamina B12, insulina și penicilina.

pe lângă analiza moleculelor organice (proteine, vitamine, acizi nucleici) și a moleculelor și structurilor anorganice, cristalografia cu raze X a fost utilizată pentru a dezvolta materiale noi atât în științele materialelor, cât și în științele vieții.

rezumat

cristalografia cu raze X este încă una dintre cele mai bune metode pentru analiza structurală a multor substanțe. Rămâne o tehnică puternică, simplă și fiabilă, utilizată de laboratoarele din întreaga lume.

există numeroase studii conform cărora cristalografia cu raze X poate oferi informații unice pentru că alte metodologii nu pot, dar are unele dezavantaje în comparație cu aceste alte tehnici, motiv pentru care ar trebui să fie întotdeauna utilizată ca parte a unei suite de metode analitice.

Lectură suplimentară

• tot conținutul de Cristalografie
• cristalizarea proteinelor
• cristalografie cu raze X
• determinarea structurii proteinelor
• Microseeding explicat

scris de

Reginald Davey

Reg Davey este redactor și redactor independent cu sediul în Nottingham, Regatul Unit. Scrierea pentru News Medical reprezintă reunirea diferitelor interese și domenii în care a fost interesat și implicat de-a lungul anilor, inclusiv Microbiologie, științe biomedicale și știința Mediului.

Citate