Cum funcţionează cristalografia cu raze X?

Cristalografia cu raze X este o metodă de determinare a aranjamentului atomilor într-un cristal, care poate fi şi o moleculă biologică - proteină, ribozom ori acid nucleic. Laureaţii din acest an ai Premiului Nobel pentru Chimie au descifrat structura ribozomului folosind această tehnică, pe care v-o prezentăm în continuare.

CONŢINUTUL ARTICOLULUI

Ce este cristalografia cu raze X ?
Cristalografia cu raze X - scurt istoric şi descrierea tehnicii (video)
Descoperiri majore realizate folosind cristalografia cu raze X
Cristalografia cu raze X şi premiul Nobel pentru chimie 2009
Bibliografie

CE ESTE CRISTALOGRAFIA CU RAZE X ?

Prin cristalografia cu raze X se determină aranjamentul atomilor dintr-o structură cristalină. În esenţă avem de-a face cu un fascicul de raze X care loveşte cristalul studiat, iar pe baza unghiurilor de difracţie şi a intensităţilor razelor împrăştiate se obţine o imagine tridimensională a densităţii electronilor din interiorul cristalului. Pe baza valorilor asociate acestei densităţi de electroni pot fi determinate poziţiile atomilor în cristal, precum şi legăturile chimice dintre aceştia.

CUM FUNCŢIONEAZĂ CRISTALOGRAFIA CU RAZE X ?

DESCOPERIRI MAJORE REALIZATE FOLOSIND CRISTALOGRAFIA CU RAZE X - SCURT ISTORIC

La începuturile sale ca metodă de cercetare ştiinţifică, cristalografia cu raze X a fost folosită pentru determinarea dimensiunii atomilor, lungimii şi tipurilor legăturilor chimice ori a diferenţelor la scară atomică între diferite materiale, în mod special minereuri şi aliaje. Metoda a fost folosită şi pentru descifrarea structurii şi modului de funcţionare a multor molecule biologice, inclusiv vitamine, proteine şi alte macromolecule biologice.

Aşa cum se poate vedea şi în materialul video de mai sus, istoria cristalografiei cu raze X începe odată cu cercetările privind difracţia razelor X pe cristale efectuate de savantul neamţ Max von Laue, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în anul 1912 pentru descoperirea acestui fenomen. Studiile lui von Laue s-au orientat către lămurirea unor aspecte legate de proprietăţile radiaţiilor electromagnetice, astfel că a fost nevoie de interesul lui William Lawrence Bragg care, după ce în 1912 a luat contact cu munca de pionierat a lui Max von Laue, a reuşit în 1914 alături de tatăl său, William Henry Bragg, descifrarea structurii sării geme. Au urmat diamantul, pirita şi spinelul.

Prima structură a unui compus organic, hexametilentetramina, o substanţă chimică folosită ca antiseptic în infecţiile renale şi intestinale şi în industria răşinilor sintetice şi cunoscută mai ales sub denumirea de urotropină, a fost descifrată în anul 1923. Cercetarea s-a mutat şi în zona moleculelor biologice odată cu realizările lui Dorothy Hodgkin, care a descoperit structura colesterolului (1937), pe cea a vitaminei B12 (1945) şi pe cea a penicilinei (1954), primind Premiul Nobel pentru Chimie în 1964. În 1969, a reuşit după o muncă de 30 de ani să descifreze şi structura insulinei.

Structura tridimensională a penicilinei, pentru care
Dorothy Hodgkin a primit în 1964 Premiul Nobel pentru Chimie
Credit: wikimedia.org

Structurile macromoleculelor biologice ale proteinelor, unele neregulate şi de sute de ori mai mari decât colesterolul, au reprezentat următorul obiectiv. La finele anilor '50, în 1958, un model tridimensional al mioglobinei era pus la punct de către Max Perutz şi Sir John Cowdery Kendrew, iar în 1959 Max Perutz determina structura moleculară a hemoglobinei, după 22 de ani de cercetări. În 1962, Max Perutz şi Sir J.C. Kendrew primeau Premiul Nobel pentru Chimie.

CRISTALOGRAFIA CU RAZE X ŞI PREMIUL NOBEL PENTRU CHIMIE 2009

De asemenea, cei trei laureaţi ai Premiului Nobel pentru Chimie din acest an, Ada E. Yonath, Venkatraman Ramakrishna şi Thomas A. Steit, premiaţi pentru descifrarea structurii şi funcţionării ribozomului, "fabrica de proteine" a fiecărei celule, nu ar fi reuşit în cercetările lor fără a folosi tehnica cristalografiei cu raze X.

În prezent, cercetătorii creează fascicule foarte intense de raze X folosind acceleratoare de particule numite sincrotroane - tuneluri circulare de-a lungul cărora electronii sunt acceleraţi până la viteze apropiate de viteza luminii. Când radiaţia X ia contact cu structura cristalină studiată, undele electromagnetice sunt împrăştiate în diferite direcţii în urma fenomenului de difracţie, generând milioane de "puncte" la nivelul unui senzor digital de imagine de tip CCD.  În trecut, aşa cum se poate vedea şi în clipul prezentat anterior, acest lucru se realiza folosind un film fotografic care se înnegrea sub acţiunea razelor X. Prin analiza tiparului de difracţie oamenii de ştiinţă pot determina poziţia fiecărui atom din componenţa cristalului studiat. În final, programe software specializate sunt utilizate pentru a genera o imagine a structurii studiate (de pildă, imaginea de mai jos este cea a ribozomului).

Imaginea ribozomului obţinută prin tehnici moderne de cristalografie cu raze X

Bibliografie:

en.wikipedia.org/wiki/X-ray_crystallographyhttp://nobelprize.org/ nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/info_publ_che_09_en.pdf
www.wellcomecollection.org/exhibitionsandevents/pastexhibitionsandevents /fromatomstopatterns/
video/WTD039524.htm