Cristalografía de rayos X: usos y ejemplos

Cristales

¿Qué tienen en común el azúcar, la sal, los copos de nieve y los rubíes? Son todos ejemplos de cristales, materiales sólidos cuyos componentes están dispuestos en un patrón regular organizado. Durante mucho tiempo se pensó que los cristales tenían propiedades místicas además de belleza natural. Sin embargo, en esta lección, estamos más interesados ​​en sus propiedades científicas. En el siglo XIX, se determinó que los cristales no solo tienen una estructura macroscópica regular, sino también microscópica, lo que significa que los átomos y moléculas individuales también están dispuestos en un patrón regular, llamado red cristalina . Pero, ¿cómo podemos detectar la disposición regular de los átomos en un cristal? Aquí es donde entra en juego la cristalografía de rayos X.

¿Qué es la cristalografía de rayos X?

La cristalografía de rayos X es una técnica de química analítica que utilizan los cristalógrafos para averiguar la estructura atómica y molecular de sus muestras. Esta técnica solo se puede utilizar en cristales . Un potente haz monocromático de rayos X, a menudo producido por un sincrotrón , se dispara a un cristal y el haz difracta en muchas direcciones. Los sensores miden las intensidades y ángulos de los rayos X difractados. El cristalógrafo utiliza un software de computadora especial para convertir cientos de patrones de difracción de rayos X bidimensionales en un mapa tridimensional de densidad electrónica.. Finalmente, el cristalógrafo encaja cada átomo en el mapa de densidad electrónica tridimensional como si estuviera haciendo un rompecabezas.

Una imagen de cristal de cuarzo, mostrando su estructura regular.

Estructura de celosía cristalina de cloruro de sodio, es decir, sal de mesa.

Cómo funciona: rayos X y difracción

Entonces, ¿qué tienen que ver los rayos X con los cristales? Después de todo, no necesitamos rayos X para ver el interior de los cristales como los médicos usan para ver el interior de las personas. ¿Qué es exactamente una radiografía de todos modos? Los rayos X son un tipo de radiación. Se llaman rayos X porque los científicos no entendían realmente qué eran cuando se descubrieron por primera vez en 1895, y a menudo llamamos a las cosas desconocidas ‘x’, al igual que el álgebra. Resulta que los rayos X son solo una forma de radiación electromagnética. ¡Son solo un tipo especial de luz! Al igual que la luz, los rayos X están compuestos de partículas llamadas fotones , pero tienen propiedades de ondas. Más allá de la luz visible en el espectro, con longitudes de onda decrecientes, están la luz ultravioleta, luego los rayos X y finalmente los rayos gamma. Está bien, pero ¿qué hacen las radiografías? ¿Qué los hace tan especiales? Bueno, los rayos X se dispersan cuando interactúan con los electrones. Para la mayoría de los objetos, los rayos X se dispersan aleatoriamente y sufren una interferencia destructiva, es decir, las ondas se anulan entre sí. Sin embargo, en el caso de una rejilla de difracción , algunas de las ondas sufren interferencias constructivas, es decir, las ondas se vuelven más fuertes. Para que esto funcione, la longitud de onda de las ondas debe ser similar en tamaño a la distancia entre las ranuras en la rejilla de difracción. Resulta que los cristales actúan como rejillas de difracción. Además, las longitudes de onda de los rayos X están en el mismo rango que la distancia entre los átomos de un cristal, del orden de angstroms (10 ^ -10m). Por lo tanto, si dispara rayos X intensos a los cristales, observará un patrón de difracción.

Los rayos X vienen del lado izquierdo y se dispersan hacia el lado derecho. Los rayos X interfieren constructivamente solo en ciertos ángulos dependiendo de su longitud de onda y el espacio entre cristales.

Patrón de difracción de rayos X para un cristal de lisozima. El patrón de manchas, llamado reflejos, se usa para determinar la estructura de la lisozima.

Aplicaciones y ejemplo

Los científicos utilizan los patrones de difracción recopilados desde muchos ángulos para averiguar dónde están los electrones y, por lo tanto, averiguar la forma y el tamaño de una molécula. El patrón de difracción se convierte primero en un mapa de densidad de electrones. Esto se logra utilizando computadoras y una técnica matemática llamada transformadas de Fourier.. Usando el mapa de densidad de electrones como guía, los cristalógrafos colocan cada átomo en un modelo de computadora, algo así como resolver un rompecabezas. Intentan modelar una molécula que se ajuste mejor a la densidad de electrones que tienen. El resultado final son bonitas imágenes de moléculas. Los científicos utilizan estas estructuras para sus propios experimentos. Pueden averiguar cómo funcionan las moléculas. Pueden encontrar otras moléculas más pequeñas que pueden interferir con moléculas biológicas grandes. Esta es una de las formas que utilizan para diseñar nuevos medicamentos para tratar enfermedades. Los rayos X pueden hacer de todo, desde detectar el cáncer hasta ayudar a crear nuevos medicamentos para matar el cáncer.

Densidad electrónica y modelo molecular para una parte de la mioglobina. Los patrones de difracción se convierten en mapas de densidad de electrones por computadora. Luego, el cristalógrafo coloca cada pieza de la molécula en el mapa de desnudez de electrones, como si estuviera resolviendo un rompecabezas.

Al principio, solo se pudieron estudiar moléculas simples debido a limitaciones técnicas y computacionales. A mediados del siglo XX, se estaban resolviendo moléculas biológicas más grandes. La determinación de la estructura de cristalografía de rayos X más famosa fue la del ADN resuelto por Watson y Crick utilizando los datos de difracción de Rosalind Franklin en 1953. La estructura de la insulina se resolvió en 1969. La cristalografía de rayos X sigue siendo una técnica extremadamente importante en la actualidad. De hecho, en 2009 se concedió el Premio Nobel de Química a la determinación estructural de ribosomas. Esto solo fue posible gracias a décadas de desarrollo científico e informático. Los ribosomas son fundamentales para la vida tal como la conocemos, hay una gran cantidad de implicaciones para la investigación ribosómica desde la evolución, la biotecnología y, por supuesto, los nuevos medicamentos para tratar muchas enfermedades.

Resumen de la lección

La cristalografía de rayos X es un método experimental que se utiliza para determinar la estructura atómica y molecular de los cristales. Esta técnica funciona disparando rayos X a los cristales desde todos los ángulos y midiendo cómo el cristal difracta los rayos X. Los rayos X, a menudo producidos dentro de los sincrotrones, son una forma de luz de alta energía con longitudes de onda similares a las distancias entre los átomos en una molécula y un cristal. La interferencia destructiva destruye la mayoría de los rayos X que rebotan en un cristal. Sin embargo, los pocos rayos X que interfieren constructivamente revelan las posiciones y cantidades exactas de los electrones en el cristal. El cristalógrafo usa los patrones de difracción junto con técnicas computacionales para averiguar dónde están los electrones, y por lo tanto el resto de los átomos, dentro de cada molécula del cristal. Podemos ‘ver’ el diminuto mundo de las moléculas, hacer modelos moleculares de ellas y producir bonitas imágenes. Los científicos utilizan estas estructuras tridimensionales todos los días para aumentar el conocimiento y hacer del mundo un lugar mejor.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador