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

Categories
Stiinta

Wilhelm Röntgen: omul ce a descoperit razele X

Wilhelm Röntgen este descoperitorul razelor X, unde electromagnetice cu lungime de undă între 1pm și 10 nm și cu energii foarte mari (frecvențe de 300 000 de THz și energii de 100 eV – 100 KeV). În 1895 el făcea experimente cu fașcicole de electroni într-un tub vidat când a descoperit acest nou tip de radiație.

Wilhelm Rontgen a acoperit tubul vidat cu o cutie de carton și, la aplicarea unui curent electric, a descoperit că o placă fotosensibilă situată pe aceeași masă de experimente a început să lumineze. El a presupus că luminarea plăcii este datorată unui nou tip de radiație, necunoscut, tocmai de aceea l-a numit radiație X.

Experimentele făcute de el i-au arătat că radiația trece prin materialele moi, pe cum este țesutul uman, dar nu trece de materialele tari, pe cum sunt oasele sau metalul. Dat fiind că obiectele tari nu permit radiației să treacă, o hârtie fotografică poate arăta conturul oaselor. Astfel s-a născut radiologia și tot astfel avem azi binecunoscutele radiografii cu ajutorul cărora doctorii pot oferi tratamente.

Categories
Stiinta Tehnologie

Cristalografia cu raze X: cum aflăm structura 3D a moleculelor


Cei de la The Royal Institution au mici documentare interesante despre lumea științei și tehnologiei. În filmul de mai sus profesorul Stephen Curry ne explică metoda prin care putem afla structura 3D a moleculelor. De ce am dori șă știm structura 3D sau geometria moleculară a unor substanțe ca proteinele? Avem nevoie să știm cum sunt aranjale moleculele în sațiu pentru a pregăti substanțe care interacționează mai bine cu acele molecule și pentru a afla, mai bine, modul lor de funcționare.

Pentru construirea modelului 3D al moleculelor se folosesc raze X, care au lungimi de undă între 0,001 și 10 nanometri, adică suficient de mici încât să înteracționeze cu atomii individuali din moleculă. Un atom poate avea și 0,5 nanometri în diametru, pe cum este cel de fosfor.

Razele X se obțin în acceleratorul Diamond Light Source, din Marea Britanie, loc unde electroni sunt accelerați aproape de viteza luminii și, pe alocuri, pe unde sunt ondulatoarele, electronii sunt obligați să oscileze, lucru ce determină apariția undelor electromagnetice în spectrul rezelor X. Aceste raze X sunt de 10 ori mai strălucitoare decât Soarele.

Odată ce acele raze sunt create ele sunt dirijate către laboratoarele situate în interiorul inelului acceleratorului. În acele laboratoare molecule cristalizare sunt ținute în vârful unui ac sub curenți de azot lichid. Din lateral vin raxele X care se reflectă la întâlnirea cu atomii din moleculă. Razele reflectate ajung la un ecran în partea opusă unde lasă urme.

Acele urme sunt analizate prin computer și apoi calculatorul generează o imagine 3D cât se poate de exactă a moleculei. Prin procedeul acesta pot fi analizate numai moleculele care pot fi cristalizate, adică ordonate într-un mod foarte precis.

Via Tehgeektive.

Categories
Tehnologie

Hai să înțelegem lumina. Pe bune!

lumina-radiatia-electromagnetica-imagineMolly, de la Rocketboom ne face din nou o mică lecție despre Universul în care trăim. Mai precis, drăguța prezentatoare ne explică foarte clar ce este radiația electromagnetică și ce este lumina.

Ca și idee, lumina este doar o parte mică din radiația electromagnetică. La stânga spectrului electromagnetic (ce complicat sună un lucru atât de simplu) se afla microundele și undele radio. Ambele știm ce fac. La dreapta se află razele X și Gamma. Stelele neutronice (găurile negre) sunt detectate datorită radiației Gamma emisă de obiectele care se distrug la contactul cu steaua. Mi-nu-nat!

Iată o imagine mai jos legată de mândrul spectru:
reprezentare-spectru-electromagnetic-lungimi-unda-energii

Urmărește un mini-documetar foarte interesant.

Cum ți se pare acum lumina?