Rentgenografia strukturalna - Polski Serwis Naukowy

Rentgenografia strukturalna to technika analityczna stosowana w krystalografii i chemii.

W krystalografii technika ta jest stosowana w celu ustalenia wymiarów i geometrii komórki elementarnej tworzącej daną sieć krystaliczną. W chemii metoda ta umożliwia dokładne ustalenie struktury związków chemicznych tworzących analizowane kryształy.

Zasada działania

Obraz dyfrakcyjny kryształu mioglobiny

Trójwymiarowa struktura mioglobiny, z zaznaczonymi kolorem helisami alfa

W obu przypadkach metoda ta opiera się na rejestracji obrazów dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich, powstających na skutek subtelnych interakcji tego promieniowania z chmurami elektronowymi atomów, tworzących analizowany kryształ. Na podstawie rejestracji obrazów dyfrakcyjnych promieniowania X, przechodzącego przez kryształ pod różnymi kątami, korzystając z prawa Bragga, wyznacza się trójwymiarową mapę gęstości elektronowej w komórce elementarnej kryształu. Dalsza, matematyczna analiza tej mapy umożliwia m.in.:

Elektryczny moment dipolowy jest to wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca dipol elektryczny. Dipol jest układem dwóch ładunków o tych samych wartościach bezwzględnych, ale przeciwnych znakach. Elektryczny moment dipolowy p dwóch punktowych ładunków o jednakowych wartościach q i przeciwnych znakach jest równy iloczynowi odległości między nimi i wartości ładunku dodatniego:

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.

wyznaczenie pozycji i odległości cząsteczek względem siebie w sieci krystalicznej,

wyznaczenie położenia poszczególnych atomów względem siebie,

ustalenie kątów i długości wiązań między atomami,

ustalenie rozkładu gęstości chmur elektronowych wokół poszczególnych atomów, co umożliwia obliczenie momentu dipolowego wiązań i całych cząsteczek oraz precyzyjne ustalenie natury poszczególnych wiązań,

ustalenie konfiguracja absolutnej cząsteczek.

Wykonywanie pomiaru

Do wykonania analizy potrzebny jest monokryształ danego związku chemicznego o możliwie jak najbardziej regularnym kształcie i posiadający jak najmniej defektów. Kryształ ten umieszcza się w dyfraktometrze i niekiedy schładza przy pomocy par ciekłego azotu do temperatury rzędu 100 K (przy użyciu par helu nawet do kilku K), aby zmniejszyć niedokładności wynikające z termicznych drgań atomów. Kryształ naświetla się silną, monochromatyczną wiązką promieni X, zmieniając stopniowo kąt jej padania na kryształ (poprzez jego obrót) i rejestrując zmiany w obrazie dyfrakcyjnym po przejściu promieni przez kryształ. Obecnie do rejestracji obrazów dyfrakcyjnych używa się kamer CCD - są to matryce CCD chłodzone ogniwami Peltiera do temperatury ok. -60 °C w celu zmniejszenia szumów termicznych. Elementem kamery jest też odpowiedni scyntylator, który pochłania energię promieniowania X, a następnie emituje światło rejestrowane przez matrycę CCD. W przeszłości dane dyfrakcyjne były rejestrowane za pomocą detektora punktowego lub metodami fotograficznymi.

Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali. Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,0019%. Stabilnymi izotopami azotu są 14N i 15N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotany oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).

Max Ferdinand Perutz (ur. 19 maja 1914 w Wiedniu, Austria, zm. 6 lutego 2002 w Cambridge, Anglia) - brytyjski biochemik i krystalograf pochodzenia austriackiego, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1962 za ustalenie struktury przestrzennej hemoglobiny.

Oprócz próbek monokrystalicznych w rentgenografii strukturalnej bada się także próbki polikrystaliczne (proszki). Do ich badania stosuje się tzw. metodę proszkową – badana próbka jest rozcierana na proszek, a następnie umieszczana w specjalnej kuwecie, mocowanej w uchwycie goniometru dyfraktometru.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

Chemia organiczna - dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod syntezy tych połączeń. Ponadto związki organiczne zawierać mogą atomy innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka.

Zastosowania

Metoda ta jest podstawowym narzędziem w chemii organicznej, metaloorganicznej i biochemii do ustalania rzeczywistych struktur złożonych związków chemicznych. Metoda ta umożliwiła m.in. wyznaczenie dokładnej struktury mioglobiny przez Maxa Perutza i Johna Cowdery Kendrewa w 1958, za co otrzymali oni Nagrodę Nobla (w roku 1962). Technika ta odegrała też decydującą rolę w ustaleniu struktury podwójnej helisy DNA przez Rosalindę Franklin, Jamesa Watsona i Francisa Cricka.

Reakcja fotochemiczna - reakcja chemiczna zachodząca pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Reakcję taką może wywoływać zarówno światło widzialne, podczerwień, ultrafiolet, a nawet promieniowanie rentgenowskie i radiowe fale ultrakrótkie.

Chiralność (gr. χειρ / cheir - ręka) – cecha cząsteczek chemicznych przejawiająca się w tym, że cząsteczka wyjściowa i jej lustrzane odbicie nie są identyczne i podobnie jak wszystkie inne obiekty chiralne nie można ich nałożyć na siebie na drodze translacji i obrotu w przestrzeni.

Nie można jej stosować dla ustalania struktury cząsteczek w fazie gazowej i ciekłej, która często może być inna od tej, jaką przyjmują te same cząsteczki w fazie krystalicznej.

Dane strukturalne pochodzące z rentgenografii są gromadzone w specjalnych bazach danych, do których dostęp można uzyskać albo poprzez wysłanie do nich określonej liczby własnych danych lub na zasadach komercyjnych. Do najbardziej znanych tego rodzaju baz zalicza się: Protein Databank (makrocząsteczki), Cambridge Structure Database (związki organiczne i metaloorganiczne) oraz ICSD (związki nieorganiczne).

Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

James Dewey Watson (ur. 6 kwietnia 1928 w Chicago, Illinois, USA), genetyk i biochemik amerykański. W marcu 1953, mając 25 lat, wraz z F.H.C. Crickiem i Rosalind Franklin, opracował w Laboratorium Cavendisha model budowy przestrzennej podwójnej helisy DNA, za co, wraz z Crickiem i M.H.F. Wilkinsem, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii za rok 1962. W czerwcu 2008 odwiedził Polskę.

Wady i zalety

Ważną i podstawową zaletą rentgenografii strukturalnej jest fakt, że w przeciwieństwie do wielu innych metod jakościowych i ilościowych stosowanych w chemii próbka zwykle nie ulega zniszczeniu w trakcie badania. Oznacza to, że można ją ponownie wykorzystać do innych badań. Ma to duże znaczenie w badaniu unikatowych materiałów np. archeologicznych, zabytkowych lub medycznych, ale także np. hodowanego długo i pieczołowicie kryształu.

Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny, z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4·10-7% w górnych warstwach atmosfery).

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Ogromną zaletą tej metody jest możliwość dokładnego ustalenia struktury chemicznej związków chemicznych z niemal absolutną pewnością, umożliwiającą zbudowanie ich rzeczywistego modelu przestrzennego. Żadna inna metoda analityczna nie daje takiej pewności i zawsze zostawia możliwość różnej interpretacji wyników. Jest to również jedyna metoda pozwalająca bezpośrednio określić absolutną konfigurację cząsteczek chiralnych.

Helisa alfa - struktura drugorzędowa białka (tak jak i harmonijka beta), stabilizowana przez wiązania wodorowe. Kształtem przypomina cylinder, tworzony przez ciasno, prawoskrętnie skręconą sprężynę. Ściany cylindra tworzy łańcuch polipeptydowy, a łańcuchy boczne (podstawniki) wystają na zewnątrz. Co cztery aminokwasy w łańcuchu polipeptydowym tworzone jest wiązanie wodorowe pomiędzy grupą karboksylową jednego aminokwasu, a grupą aminową drugiego. Skok helisy następuje co 0,54 nm.

Choroba popromienna – ogólna nazwa chorobowych zmian ogólnoustrojowych powodowanych przez promieniowanie jonizujące oddziałujące na całe (lub prawie całe) ciało.

Wadą rentgenografii jest konieczność uzyskania czystego monokryształu analizowanego związku chemicznego o wymiarach liniowych rzędu 0,1–1 mm. W przypadku niektórych związków chemicznych wyhodowanie takiego kryształu jest z wielu względów bardzo trudne, a czasem wręcz niemożliwe. Niektóre kryształy mogą być nietrwałe w temperaturze pokojowej, bądź ulegać rozkładowi pod wpływem promieniowania X, co również stwarza pewne ograniczenia.

Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg.

Krystalografia (od greckich słów κρύσταλλος krystallos – „lód”, które później zaczęło oznaczać także kryształ górski i inne kryształy, oraz γράφω grapho – „piszę”) – dział nauki zajmujący się opisem, klasyfikacją i badaniem kryształów, krystalitów oraz substancji o strukturze częściowo uporządkowanej. Jej zakres pokrywa się częściowo z mineralogią, fizyką ciała stałego, chemią i materiałoznawstwem.

Inną wadą rentgenografii jest stosunkowo wysoki koszt i czasochłonność wykonywania takiej analizy. Nowoczesny monokrystaliczny dyfraktometr rentgenowski kosztuje w granicach 100–500 tys. €. Pomiar danych dla przeciętnego związku organicznego lub metaloorganicznego zabiera w zależności od urządzenia od kilku godzin do ok. dwóch tygodni. Analiza otrzymanych danych (rozwiązanie struktury związku), jeśli jego struktura jest w miarę prosta, jest dość szybka, natomiast w przypadku bardzo złożonych struktur, np. kryształów białek, czas ten może wynosić nawet kilka tygodni.

Francis Harry Compton Crick (ur. 8 czerwca 1916 roku w Northampton, Anglia, Wielka Brytania, zm. 28 lipca 2004, w San Diego, Kalifornia, Stany Zjednoczone) – angielski biochemik, genetyk i biolog molekularny, który wraz z Jamesem D. Watsonem i Rosalindą Franklin odkrył strukturę molekularną kwasu deoksyrybonukleinowego DNA. Pracownik naukowy Laboratorium Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Cambridge, członek Towarzystwa Królewskiego w Londynie.

Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.

W początkowym okresie rozwoju rentgenografii jej najistotniejszą wadą był sam fakt używania silnego promieniowania X, na które narażone były osoby obsługujące dyfraktometry, co mogło u nich wywoływać chorobę popromienną. Aparaty te wymagały stałej obecności operatora, co wielu z nich przypłaciło życiem (m.in. Rosalind Franklin). Współcześnie jednak aparaty te umieszcza się w obudowach tak skonstruowanych, aby nie przepuszczały promieniowania rentgenowskiego i są one obsługiwane zdalnie za pomocą komputera. Jednym z podstawowych zabezpieczeń nowoczesnego dyfraktometru rentgenowskiego jest zestaw czujników uniemożliwiających rozpoczęcie pomiaru w przypadku, gdy jego obudowa jest otwarta.

Sir John Cowdery Kendrew (ur. 24 marca 1917 roku, zm. 23 sierpnia 1997) – angielski biochemik, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1962 za badanie struktury białek globularnych (kłębuszkowych).

Związki metaloorganiczne – organiczne związki chemiczne zawierające przynajmniej jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej. Do związków metaloorganicznych nie zalicza się związków zawierających wyłącznie ligandy nieorganiczne (np. CO i CN), ani związków, w których nie występuje wyraźne wiązanie metal-węgiel. Np. tetraetyloołów Pb(C2H5)4 i dimetylortęć Hg(CH3)2 są związkami metaloorganicznymi, natomiast nie są nimi np. etanolan sodu C2H5ONa (brak wiązania Na-C), hem (zawiera wiązanie Fe-N, a nie Fe-C) i pentakarbonylek żelaza Fe(CO)5 (brak grupy organicznej). Do pierwiastków tworzących związki metaloorganiczne zalicza się oprócz typowych metali, także półmetale i niemetale o niskiej elektroujemności (np. bor, krzem, arsen itp.).

Bibliografia

P. Luger: Rentgenografia strukturalna monokryształów. PWN, 1989.

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Rentgenografia strukturalna