Categories
Stiinta Tehnologie

Cum afli structura 3D a moleculelor? Un veac de cristalografie cu raze X


Așa cum am scris și în primul articol despre cristalografia cu raze X, trebuie să cunoaștem structura 3D a moleculelor ca să știm ce substanțe pregătim să interacționeze cu respectivele molecule. Una este să ai formula chimică a unei substanțe, dar alta este să ai în față structura tridimensională.

Cristalografia, termen ce s-ar traduce prin “desene cu ajutorul cristalelor”, este exact acest lucru: se obțin anumite puncte pe plăci fotografice, puncte care, după o procesare îndelungă, relevă structura cristalului.

Cristalografia se folosește de faptul că anumite substanțe, pe cum sunt proteinele, pot fi transformate în cristale. Acele cristale sunt apoi puse în calea unui fascicul de raze X care este reflectat în mod precis la contactul cu atomii din cristal. Cristalul este rotit pe toate părțile și pus în calea fasciculului de raze X astfel că se obțin sute de imagini cu punctele în care razele X au atins placa fotografică.

De vreme ce acele puncte sunt clar determinate de pozițiile atomilor în cristal se poate calcula, pe baza unor tabele complexe, structura moleculei din care provine cristalul. Pe la începuturi cercetătorii petreceau ani grei ca să calculeze structurile moleculelor și erau luați în râs mai ales de chimiști. De exemplu, pentru aflarea structurii lisozinei, proteină din cadrul albușului de ou, cercetătorii din anii 60 au lucrat timp de 5 ani. Molecula respectivă are mii de atomi în componență. Pentru aflarea structurii insulinei Dorothy Crowfoot Hodgkin a petrecut mai bine de 30 de ani calculând pozițiile pe baza fotografiilor iar structura hemoglobinei a fost calculată într-un răstimp de 20 de ani.

Cei 5 ani petrecuți pentru aflarea structurii lisozinei reprezintă o veșnicie față de cele 5 minute în care se poate face același lucru astăzi. Avansul în domeniul calculatoarelor și al acceleratoarelor de particule a dus cristalografia în noul mileniu. Sursele de raze X de azi sunt de miliarde de ori mai puternice iar calculele care luau zeci de ani întrecut iau acum numai câteva minute.

Importanța cristalografiei nu trebuie subestimată tocmai pentru faptul că, știind structura, știm cum reacționează substanța respectivă și știm cu ce substanțe reacționează. Astfel evităm ani întregi de bâjbâială cu o mulțime de teste și combinări de substanțe. Datorită cristalografiei cu raze x putem crea azi medicamente mult mai eficiente.

Cui îi putem mulțumi pentru acest domeniu fașcinant? Unui duo, tată și fiu, William Henry Bragg și William Lawrence Bragg, primii care și-au dat seama că reflexiile razelor X ne pot da indicii despre structura moleculelor. De asemenea, azi avem o tehnologie mult mai puternică decât ce aveau ei atunci și aici este vorba de acceleratorul de particule, sincrotronul Diamond Light Source, din Anglia.

Diamond Light Source accelerează electroni la viteze aproape de viteza luminii în cadrul acceleratorului cu circumferința de 450 de metri și, în zone speciale unde sunt plasați ondulatori, electronii sunt excitați astfel că eliberează raze X foarte puternice în exact acele zone.

Vezi, mai jos, și alte două filme despre cristalografia cu raze X.
Partea I

Partea II