Cristalografía de rayos X
La cristalografía de rayos X es la ciencia experimental que determina la estructura atómica y molecular de un cristal , en la que la estructura cristalina hace que un haz de rayos X incidentes se difracte en muchas direcciones específicas. Al medir los ángulos y las intensidades de estos rayos difractados, un cristalógrafo puede producir una imagen tridimensional de la densidad de electrones dentro del cristal. A partir de esta densidad electrónica , se pueden determinar las posiciones medias de los átomos en el cristal, así como sus enlaces químicos , su desorden cristalográfico y otra información diversa.
Dado que muchos materiales pueden formar cristales, como sales , metales , minerales , semiconductores , así como diversas moléculas inorgánicas, orgánicas y biológicas, la cristalografía de rayos X ha sido fundamental en el desarrollo de muchos campos científicos. En sus primeras décadas de uso, este método determinó el tamaño de los átomos, las longitudes y tipos de enlaces químicos y las diferencias de escala atómica entre varios materiales, especialmente minerales y aleaciones . El método también reveló la estructura y función de muchas moléculas biológicas, incluidas vitaminas , fármacos, proteínas y ácidos nucleicos como el ADN .. La cristalografía de rayos X sigue siendo el método principal para caracterizar la estructura atómica de nuevos materiales y discernir materiales que parecen similares en otros experimentos . Las estructuras cristalinas de rayos X también pueden dar cuenta de propiedades electrónicas o elásticas inusuales de un material, arrojar luz sobre interacciones y procesos químicos, o servir como base para diseñar productos farmacéuticos contra enfermedades .
En una medición de difracción de rayos X de un solo cristal, se monta un cristal en un goniómetro . El goniómetro se utiliza para colocar el cristal en orientaciones seleccionadas. El cristal se ilumina con un haz monocromático de rayos X finamente enfocado, lo que produce un patrón de difracción de puntos espaciados regularmente conocidos como reflejos . Las imágenes bidimensionales tomadas en diferentes orientaciones se convierten en un modelo tridimensional de la densidad de electrones dentro del cristal utilizando el método matemático de transformadas de Fourier , combinado con datos químicos conocidos de la muestra. Una mala resolución (borrosidad) o incluso errores pueden resultar si los cristales son demasiado pequeños o no lo suficientemente uniformes en su composición interna.
La cristalografía de rayos X está relacionada con varios otros métodos para determinar estructuras atómicas. Se pueden producir patrones de difracción similares mediante la dispersión de electrones o neutrones , que también se interpretan mediante la transformación de Fourier . Si no se pueden obtener monocristales de tamaño suficiente, se pueden aplicar otros métodos de rayos X para obtener información menos detallada; tales métodos incluyen difracción de fibra, difracción de polvo y (si la muestra no está cristalizada) dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS). Si el material bajo investigación solo está disponible en forma de polvos nanocristalinos o sufre de mala cristalinidad, los métodos de cristalografía electrónica Se puede aplicar para determinar la estructura atómica.
Para todos los métodos de difracción de rayos X mencionados anteriormente, la dispersión es elástica ; los rayos X dispersados tienen la misma longitud de onda que los rayos X entrantes. Por el contrario, los métodos de dispersión de rayos X inelásticos son útiles para estudiar las excitaciones de la muestra, como plasmones , campos de cristal y excitaciones orbitales, magnones y fonones , en lugar de la distribución de sus átomos. [1]
Los cristales, aunque admirados durante mucho tiempo por su regularidad y simetría, no fueron investigados científicamente hasta el siglo XVII. Johannes Kepler planteó la hipótesis en su trabajo Strena seu de Nive Sexangula (Un regalo de año nuevo de nieve hexagonal) (1611) que la simetría hexagonal de los cristales de copos de nieve se debía a un empaquetamiento regular de partículas de agua esféricas. [2]
Dibujo de empaquetadura cuadrada (Figura A, arriba) y hexagonal (Figura B, abajo) de la obra de
Kepler , Strena seu de Nive Sexangula .
Como lo muestra la cristalografía de rayos X, la simetría hexagonal de los copos de nieve resulta de la disposición tetraédrica de los enlaces de hidrógeno alrededor de cada molécula de agua. Las moléculas de agua están dispuestas de manera similar a los átomos de silicio en el polimorfo tridimita de SiO
2 . La estructura cristalina resultante tiene simetría hexagonal cuando se ve a lo largo de un eje principal.
La cristalografía de rayos X muestra la disposición de las moléculas de agua en el hielo, revelando los enlaces de hidrógeno (1) que mantienen unido el sólido. Pocos otros métodos pueden determinar la estructura de la materia con tanta precisión (
resolución ).
El haz entrante (que viene de la parte superior izquierda) hace que cada dispersor vuelva a irradiar una pequeña porción de su intensidad como una onda esférica. Si los dispersores están dispuestos simétricamente con una separación
d , estas ondas esféricas estarán sincronizadas (se suman constructivamente) solo en direcciones donde su diferencia de longitud de camino 2
d sin θ es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λ. En ese caso, parte del haz entrante se desvía un ángulo de 2θ, lo que produce un punto de
reflexión en el patrón de difracción .
Aunque los diamantes (arriba a la izquierda) y el grafito (arriba a la derecha) son idénticos en composición química, ya que ambos son de carbono puro , la cristalografía de rayos X reveló que la disposición de sus átomos (abajo) explica sus diferentes propiedades. En el diamante, los átomos de carbono están dispuestos tetraédricamente y se mantienen unidos por enlaces covalentes simples , lo que lo hace fuerte en todas las direcciones. Por el contrario, el grafito se compone de láminas apiladas. Dentro de la hoja, el enlace es covalente y tiene simetría hexagonal, pero no hay enlaces covalentes entre las hojas, lo que hace que el grafito se divida fácilmente en escamas.
Primera vista de difracción de rayos X del suelo marciano : el análisis CheMin revela feldespato , piroxenos , olivino y más ( rover Curiosity en " Rocknest ", 17 de octubre de 2012).
[72] La estructura tridimensional de la penicilina , resuelta por Dorothy Crowfoot Hodgkin en 1945. Las esferas verde, roja, amarilla y azul representan átomos de carbono , oxígeno , azufre y nitrógeno , respectivamente. Las esferas blancas representan hidrógeno , que se determinaron matemáticamente en lugar de mediante el análisis de rayos X.
Diagrama de cinta de la estructura de la mioglobina , que muestra hélices alfa coloreadas . Estas proteínas son moléculas largas y lineales con miles de átomos; sin embargo, la posición relativa de cada átomo se ha determinado con resolución subatómica mediante cristalografía de rayos X. Dado que es difícil visualizar todos los átomos a la vez, la cinta muestra el camino aproximado de la columna vertebral de la proteína desde su extremo N (azul) hasta su extremo C (rojo).
Flujo de trabajo para resolver la estructura de una molécula mediante cristalografía de rayos X.
Un cristal de proteína visto bajo un microscopio . Los cristales utilizados en la cristalografía de rayos X pueden tener menos de un milímetro de diámetro.
Tres métodos de preparación de cristales, A: Gota colgante. B: Caída sentada. C: Microdiálisis
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Animación que muestra los cinco movimientos posibles con un goniómetro kappa de cuatro círculos. Las rotaciones sobre cada uno de los cuatro ángulos φ, κ, ω y 2θ dejan el cristal dentro del haz de rayos X, pero cambian la orientación del cristal. El detector (recuadro rojo) puede deslizarse más cerca o más lejos del cristal, lo que permite tomar datos de mayor resolución (si está más cerca) o un mejor discernimiento de los picos de Bragg (si está más lejos).
Un patrón de difracción de rayos X de una enzima cristalizada. El patrón de puntos (
reflejos ) y la fuerza relativa de cada punto (
intensidades ) se pueden utilizar para determinar la estructura de la enzima.
Estructura de una hélice alfa de proteína, con figuras lineales para el enlace covalente dentro de la densidad de electrones para la estructura cristalina en ultra alta resolución (0,91 Å). Los contornos de densidad están en gris, la columna vertebral de la hélice en blanco, las cadenas laterales en cian, los átomos de O en rojo, los átomos de N en azul y los enlaces de hidrógeno como líneas de puntos verdes.
[134] Representación 3D de la densidad electrónica (azul) de un ligando (naranja) unido a un sitio de unión en una proteína (amarillo).
[135] La densidad electrónica se obtiene a partir de datos experimentales y el ligando se modela en esta densidad electrónica.
