Rentgenstaru kristalogrāfija: molekulu trīsdimensiju struktūras noteikšana

Rentgenstaru kristalogrāfija ir veids, kā apskatīt molekulas trīsdimensiju struktūru. Atoma elektronu mākonis nedaudz izliek rentgena starus. Tādējādi tiek izveidota molekulas "bilde", ko var redzēt uz ekrāna. To var izmantot gan organiskām, gan neorganiskām molekulām. Šajā procesā paraugs netiek iznīcināts.

Šo metodi kopīgi izgudroja sers Viljams Bregs (1862-1942) un viņa dēls sers Lorenss Bregs (1890-1971). Viņi 1915. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. Lorenss Bregs ir jaunākais Nobela prēmijas laureāts. Viņš bija Kembridžas Universitātes Kavendiša laboratorijas direktors, kad 1953. gada februārī Džeimss D. Vatsons , Frānsiss Kriks , Moriss Vilkinss un Rozalinda Franklina atklāja DNS struktūru.

Senākā rentgenstaru kristalogrāfijas metode ir rentgenstaru difrakcija (XRD). Rentgena stari tiek raidīti uz monokristālu, un, ņemot vērā to izkliedi, tiek iegūts zīmējums. Šos modeļus izmanto, lai noteiktu atomu izvietojumu kristāla iekšienē.

Kā tas darbojas vienkāršiem vārdiem

Rentgena starojums mijiedarbojas galvenokārt ar atomu elektronu mākoņiem. Kad rentgena stari nokrīt uz kārtīgu atomu režģi (kristālu), daļa stari tiek izkliedēti un atstaroti. Šo atstaroto staru kopējā amplitūda un fāze rada difrakcijas rakstu – punktu vai svītru attēlu uz detektora. No tā raksta, izmantojot matemātiskas metodes, tiek aprēķināta elektronu blīvuma (elektronu mākoņa) trīsdimensionāla karte, un pēc tās tiek uzbūvēts atomu modelis.

Galvenie soļi laboratorijā

• Kristālu iegūšana: parasti nepieciešams monokristāls — kārtīgs, regulārs kristāla gabals, kur atomi atkārtojas. Bioloģisku molekulu (piem., proteīnu) kristalizācija var prasīt daudz laika un optimizācijas.
• Rentgena avots: izmanto laboratorijas rentgena lampas vai spēcīgākus avotus — sinhrotronus un XFEL (rentgena brāzmas lāzeri), kas dod intensīvāku un īsāku starojumu.
• Mērījums: kristālu pakāpeniski pagriež un ieraksta difrakcijas modeļus uz detektora.
• Datu apstrāde: difrakcijas intensitātes normalizē, sadala pēc simetrijas un iegūst frekvenču (spoguļattēlu) kompleksos skaitļus.
• Fāžu problēma: detektors mērī intensitāti, bet ne fāzi; tāpēc izmanto metodes (piem., molekulārā aizvietošana, anomalā dispersija vai izmaiņas kristālos), lai fāzes atjaunotu.
• Elektronu blīvuma karte un modelēšana: no kombinācijas intensitātes un fāžu datiem aprēķina elektronu blīvuma karti, pēc kuras būvē atomu modeli un to precizē (refinē).

Bragga likums un mērogi

Parasti labi saprotama formula ir Bragga likums: nλ = 2d sin θ, kur λ ir rentgena viļņa garums, d — attālums starp atomu slāņiem, θ — iekritšanas/leņķis, un n — interferences kārtas skaitlis. No mērītajām difrakcijas leņķiem var aprēķināt atomu distances un tādējādi atjaunot struktūru.

Ierīces un tehnoloģiju loma

Modernā kristalogrāfija balstās uz jaudīgiem detektoriem, datoriem un avotiem. Sinhrotroni nodrošina ļoti intensīvus un labi kolimatētus starus, kas ļauj mērīt mazas un vājāk difraktējošas kristālus. XFEL tehnoloģija ar ļoti īsiem impulsu viļņiem ļauj iegūt datus no mikro‑kristāliem pirms notiek būtiskas radiācijas bojāšanās (t.s. "difraktē pirms sabojāšanās").

Ierobežojumi un praktiskas grūtības

• Kristālu iegūšana: daudzas molekulas, it īpaši lielas un elastīgas bioloģiskas molekulas, ir grūti kristalizējamas.
• Radiācijas bojājums: ilgstoša starojuma iedarbība var bojāt paraugu; to samazina, dzesējot kristālus ar šķidru slāpekli.
• Fāžu problēma: prakse no fāzēm iegūt precīzu elektronu karti var būt sarežģīta un prasa papildmetodes.
• Izšķirtspēja: struktūru precizitāte ir atkarīga no mērījumu izšķirtspējas (bieži norādīta angstrēmos, Å). Labas struktūras parasti ir 1–3 Å izšķirtspējā; lielākas vērtības dod mazāk detalizētu informāciju.

Pielietojumi

Rentgenstaru kristalogrāfija ir balsts daudzām zinātnes un rūpniecības nozarēm:

• Biomolekulas: proteīnu, enzīmu, receptoru un zāļu mērķu struktūru noteikšana — būtiski farmācijas izstrādē.
• Ķīmija: organisku un neorganisku savienojumu struktūru apstiprināšana.
• Materiālzinātne: kristālu režģu un jaunu materiālu īpašību izpēte.
• Arheometrija un paleontoloģija: minerālu un fosiliju analīze pie maziem paraugiem.

Salīdzinājums ar citām metodēm

Pastāv vairākas metodes molekulārajām struktūrām noteikt:

• NMR: ļauj noteikt struktūru šķīdumos un redzēt molekulu dinamiku, bet parasti darbojas ar mazākiem objektiem.
• Cryo‑EM: labi piemērota lielām un sarežģītām olbaltumvielu kompleksu struktūrām bez nepieciešamības pēc kristalizācijas; pēdējos gados tās izšķirtspēja strauji uzlabojusies.
• Rentgenkristalogrāfija bieži dod augstāko izšķirtspēju un detalizētāku atomu pozīciju informāciju, ja iespējams iegūt labus kristālus.

Nobeigums

Rentgenstaru kristalogrāfija ir spēcīga un plaši izmantota metode molekulu trīsdimensiju struktūru noteikšanai. Tā ir būtiski veicinājusi mūsu izpratni par biomolekulām, ķīmiskajām reakcijām un materiālu īpašībām. Lai gan metodes praktiska lietošana dažreiz ir sarežģīta (īpaši kristālu iegūšana un radiācijas bojājuma mazināšana), tehnoloģiju attīstība — sinhrotroni, XFEL, uzlaboti detektori un programmatūra — turpina paplašināt tās iespējas.

Kristālu rentgenoloģiskā analīze

Kristāli ir regulāri atomu masīvi, kas nozīmē, ka atomi atkārtojas atkal un atkal visās trīs dimensijās. Rentgena stari ir elektromagnētiskā starojuma viļņi. Kad rentgena stari sastopas ar atomiem, atomos esošie elektroni izraisa rentgena staru izkliedi visos virzienos. Tā kā rentgena stari tiek izstaroti visos virzienos, rentgena starojums, kas ietriecas elektronā, rada sekundārus sfēriskus viļņus, kas izstaro elektronu. Elektronu sauc par izkliedētāju. Regulārs izkliedētāju masīvs (šajā gadījumā - atkārtots atomu raksts kristālā) rada regulāru sfērisko viļņu masīvu. Lai gan lielākajā daļā virzienu šie viļņi cits citu izdzēš, tie summējas dažos konkrētos virzienos, ko nosaka Bregga likums:

2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }

Šeit d ir attālums starp difraģējošajām plaknēm, θ {\displaystyle \theta } ir krītošais leņķis, n ir jebkurš vesels skaitlis un λ ir stara viļņa garums. Šie īpašie virzieni parādās kā plankumi difrakcijas rakstā, ko sauc par atstarojumiem. Tādējādi rentgena staru difrakcija rodas, elektromagnētiskajam vilnim (rentgena starojumam) triecoties pret regulāru izkliedētāju masīvu (atkārtotu atomu izkārtojumu kristālā).

Ienākošais staru kūlis (no kreisās puses augšā) liek katram izkliedētājam (piemēram, elektronam) izstarot daļu savas enerģijas sfēriska viļņa veidā. Ja atomi ir izvietoti simetriski ar atstatumu d, šie sfēriskie viļņi saskaitīsies tikai tad, ja to ceļa garuma starpība 2d sin θ ir vienāda ar viļņa garuma λ reizinājumu. Šādā gadījumā difrakcijas rakstā rodas atstarošanas punkts

Kristālu rentgenoloģiskā analīze

Kristāli ir regulāri atomu masīvi, kas nozīmē, ka atomi atkārtojas atkal un atkal visās trīs dimensijās. Rentgena stari ir elektromagnētiskā starojuma viļņi. Kad rentgena stari sastopas ar atomiem, atomos esošie elektroni izraisa rentgena staru izkliedi visos virzienos. Tā kā rentgena stari tiek izstaroti visos virzienos, rentgena starojums, kas ietriecas elektronā, rada sekundārus sfēriskus viļņus, kas izstaro elektronu. Elektronu sauc par izkliedētāju. Regulārs izkliedētāju masīvs (šajā gadījumā - atkārtots atomu raksts kristālā) rada regulāru sfērisko viļņu masīvu. Lai gan lielākajā daļā virzienu šie viļņi cits citu izdzēš, tie summējas dažos konkrētos virzienos, ko nosaka Bregga likums:

2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }

Šeit d ir attālums starp difraģējošajām plaknēm, θ {\displaystyle \theta } ir krītošais leņķis, n ir jebkurš vesels skaitlis un λ ir stara viļņa garums. Šie īpašie virzieni parādās kā plankumi difrakcijas rakstā, ko sauc par atstarojumiem. Tādējādi rentgena staru difrakcija rodas, elektromagnētiskajam vilnim (rentgena starojumam) triecoties pret regulāru izkliedētāju masīvu (atkārtotu atomu izkārtojumu kristālā).

Ienākošais staru kūlis (no kreisās puses augšā) liek katram izkliedētājam (piemēram, elektronam) izstarot daļu savas enerģijas sfēriska viļņa veidā. Ja atomi ir izvietoti simetriski ar atstatumu d, šie sfēriskie viļņi saskaitīsies tikai tad, ja to ceļa garuma starpība 2d sin θ ir vienāda ar viļņa garuma λ reizinājumu. Šādā gadījumā difrakcijas rakstā rodas atstarošanas punkts

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir rentgena kristalogrāfija?

Vai rentgenstaru kristalogrāfiju var izmantot gan organiskām, gan neorganiskām molekulām?

J: Kas ir rentgenstaru kristalogrāfijas izgudrotāji?

Kāda ir senākā rentgenstaru kristalogrāfijas metode?

Vai rentgenkristalogrāfijas procesa laikā paraugs tika iznīcināts?

J: Kas bija Kavendiša laboratorijas direktors, kad tika atklāta DNS struktūra?

J: Kurš ir jaunākais Nobela prēmijas laureāts fizikā?

Meklēt pēc burta