Vad är röntgenkristallografi?

av Reginald Daveygranskad av Michael Greenwood,M.Sc.

röntgenkristallografi är ett verktyg som används för att ge strukturell information om molekyler. Tekniken utvecklades 1912 av William Henry Bragg och William Lawrence Bragg (ett far-och sonlag som vann Nobelpriset i fysik 1915 för sitt arbete på fältet), som byggde på tidigare arbete av Max von Laue.

Von Laue upptäckte att genom att skina röntgenstrålar genom en kopparsulfatkristall på en fotografisk platta producerades diffraktionsfläckar som relaterade till provets kristallina struktur.

Hoppa till:

• en introduktion till röntgenkristallografi
• metodik
• tillämpningar av röntgenkristallografi
• sammanfattning

Gregory A. Pozhvanov /

en introduktion till röntgenkristallografi

röntgenkristallografi använder elektromagnetisk strålning (specifikt röntgenstrålar) för att bestämma molekylär och atomstruktur av en kristall. Kristallens struktur gör att röntgenstrålarna diffrakterar i specifika riktningar. Genom analys av intensiteten och vinklarna hos dessa strålar kan positionen och arrangemanget av elektroner i den kristallina strukturen bestämmas.

en tredimensionell bild av elektrondensiteterna kan sedan produceras. Information såsom den genomsnittliga positionen för atomer i strukturen, kovalent bindning mellan dem och deras kristallografiska störning kan sedan bestämmas, vilket representerar en molekyls tredimensionella struktur.

anledningen till att röntgenstrålar används i denna process är att elektronmolnen är i samma skala som Röntgenstrålningsvåglängden. Detta innebär att strålningen avböjs och sprids av elektronerna hos atomerna i kristallen. De avböjda röntgenstrålarna producerar en spridningsfördelning som är proportionell mot Spridningsvinkeln. Braggs lag används för att beskriva detta.

eftersom många olika typer av struktur kan bilda kristaller kan röntgenkristallografi ha många forskningsapplikationer. De ämnen som kan analyseras med denna metod innefattar salter, mineraler, metaller, halvledare såväl som biologiska föreningar inklusive proteiner, nukleinsyror och vitaminer.

den svåraste delen av processen växer en perfekt kristall, eftersom detta behövs för att ge korrekt information om provet. Vissa makromolekyler, särskilt de med hög atomvikt, såsom membranproteiner, kan vara svåra att kristallisera.

många olika studieområden inklusive biologi, kemi och geologi har funnit användningsområden för denna kraftfulla men ändå enkla teknik.

metodik

en röntgenkristallografimaskin fungerar genom att använda en fyrcirkeldiffraktometer. Detta fungerar genom att rotera kristallen och deflektorn mellan Röntgenkällan och skärmen. Skärmen tar emot röntgenstrålarna som har passerat genom kristallen.

röntgenkristallografiexperiment är uppdelade i fyra steg:

• Proteinkristallisation
• produktion av ett diffraktionsmönster
• analys av diffraktionsmönstret för att producera en elektrondensitetskarta
• bestämning av proteinstrukturen.

som nämnts är den svåraste delen av processen att uppnå en perfekt kristallstruktur för analys. Eftersom elektronernas position måste kartläggas exakt är det viktigt att strukturen är felfri.

ett diffraktionsmönster bildas på skärmen av röntgenstrålarna som har absorberats av atomerna i kristallen, som lämnar mörka diffraktionsfläckar. Deras densitet varierar med mängden interferens mellan de diffrakterade elektronerna vid varje punkt. Dessa fläckar representerar exakt elektrondensiteten, som kan kartläggas.

när elektrondensitetskartan har gjorts är analysen av kristallografiska data relativt enkel. Det kräver dock komplex matematik för att förstå informationen. I de tidiga dagarna av röntgenkristallografi gjordes dessa beräkningar för hand, men nu används datorer för att utföra dem.

beräkningen som används kallas Fouriertransformationen. Denna beräkning omvandlar data till en tredimensionell representation av atom-eller molekylstrukturen hos provmolekylen eller materialet.

tillämpningar av röntgenkristallografi

röntgenkristallografi används för att analysera många olika molekyler och har använts i många kända projekt inom organisk och oorganisk kemi. Tidiga strukturer som löstes med hjälp av tekniken var enkla kristaller, inklusive kvarts och salt.

en av de mest kända av dessa var bestämningen av den dubbla spiralformade strukturen av DNA av Franklin, Watson och Crick 1953. Andra viktiga molekyler vars strukturer identifierades inkluderar Vitamin B12, insulin och penicillin.

förutom analys av organiska molekyler (proteiner, vitaminer, nukleinsyror) och oorganiska molekyler och strukturer har röntgenkristallografi använts för att utveckla nya material inom både material-och biovetenskap.

sammanfattning

röntgenkristallografi är fortfarande en av de bästa metoderna för strukturell analys av många ämnen. Det är fortfarande en kraftfull, enkel och pålitlig teknik som används av laboratorier över hela världen.

det finns många studier som röntgenkristallografi kan ge unika insikter för att andra metoder inte kan, men det har vissa nackdelar jämfört med dessa andra tekniker, varför det alltid bör användas som en del av en serie analysmetoder.

Vidare läsning

• allt Kristallografiinnehåll
• proteinkristallisering
• röntgenkristallografi
• bestämning av proteinstruktur
• Mikroseeding förklaras

skriven av

Reginald Davey

Reg Davey är en frilansande copywriter och redaktör baserad i Nottingham i Storbritannien. Att skriva för News Medical representerar sammankomsten av olika intressen och områden som han har varit intresserad och involverad i genom åren, inklusive mikrobiologi, biomedicinska vetenskaper och miljövetenskap.

citat