Ennio Zangrando
Dipartimento di Scienze Chimiche
e Farmaceutiche
[email protected]
RADIOGRAFIA
DELLE MOLECOLE
la materia vista sotto "una luce diversa"
PERCHE ?
…l’acqua bolle a 100 °C
…il sangue è rosso, la foglia verde ?
…il diamante è duro, la cera è soffice ?
La risposta… nell’analisi
della struttura !
E’ possibile vedere di quali atomi è
fatto un materiale ? … il microscopio ?
Robert Hooke, (1635 – 1703)
Cosa significa conoscere la struttura ?
Conoscere il numero e il tipo di
atomi e la loro posizione relativa
Perché conoscere la struttura ?
le proprietà di un materiale dipendono dalla struttura
Come si determina la struttura ?
...analisi ai raggi X
Cristallografia !
L’ attuale comprensione e
concezione della natura della
materia nel mondo in cui
viviamo è fortemente basata
sulle conoscenze apportate
dalla cristallografia
Una trentina di premi Nobel sono collegati o
coinvolgono l'uso di metodi e tecniche
cristallografiche !
Cristallo: corpo anisotropo, omogeneo che
consiste di un ordine 3D di atomi, ioni o molecole.
salgemma
NaCl
quarzo
SiO2
saccarosio
C12H22O11
Teofrasto (ca 300 aC), "De Lapidibus"
Keplero (1611), "De nive sixangula"
…oggetti che si ripetono
periodicamente
1D, cardiogramma
2D, carta da parati
2D, favo d’api
Struttura cristallina in 2D
Reticolo cristallino
Cella
elementare
Struttura cristallina
Cella elementare
b
g
ab
c
a
7 sistemi cristallini, 14 reticoli
Triclino P
Monoclino P, C
Esagonale P
Rombico P, I, C, F
Tetragonale P, I
Romboedrico R
Cubico P, I, F
1895, scoperta dei raggi X
Wilhelm Conrad Röntgen
Sorgente di raggi X
0.1 - 100 Å
n ·l = c
edifici
persone
insetti
spilli
cellule
molecole
atomi
nuclei atomici
Max Von Laue
scopre che i RX vengono diffratti da un
cristallo secondo direzioni ben definite (1911)
CuSO4
ZnS
- il cristallo ha una struttura periodica ordinata
- la l dei RX è paragonabile alle distanze
interatomiche.
DIFFRAZIONE
è un fenomeno che avviene tutte le volte che
la luce incontra un ostacolo o un’apertura di
dimensioni paragonabili alla sua
…figure di interferenza
caratterizzate da
massimi e minimi di
luminosità (interferenza
costruttiva e distruttiva).
l.
W. Henry Bragg e W. Lawrence Bragg
Struttura cristallina di NaCl (1913), KCl, diamante
Premi Nobel x la fisica (1915)
Cristallografia
Fisica
Chimica
Metallurgia
Scienza dei materiali
Biologia molecolare
Biochimica
Medicina
Kathleen Lonsdale
Struttura benzene
C6H6 (1929)
“ La determinazione della struttura tridimensionale ci
fornisce il punto di partenza per la comprensione di ogni
proprietà chimica, fisica e biologica della molecola “
Hoffmann R.
Esperimento di diffrazione raggi X su cristallo singolo
diffrazione
Raggi X
monocromatici (l)
Sorgente
RX
Piani cristallografici
l dei RX = 0.7 – 1.7 Å
Spettro di
diffrazione
gli elettroni …
i responsabili della diffrazione !
fascio raggi X
sorgente
di raggi X
onda generata
Interferenza tra onde
+
=
+
+
parzialmente
fuori fase
interferenza costruttiva e distruttiva
onde in fase
in opposizione di fase
Piani cristallografici
Diffrazione = Riflessione dei raggi X
RX incidenti
RX diffratti
q
q
O
q
d
P
Legge di Bragg:
2d·sen
q
=nl
Figura di diffrazione:
RX diffratti sono raccolti
su un detector o su una
lastra fotografica
Migliaia di diffrazioni !
- Le posizioni dipendono dai parametri della cella
elementare
- L’ intensità dipende dal tipo di atomi e dalla loro
posizione nella cella elementare.
Luce
microscopio
diffrazione RX
cristallo
Pattern
diffrazione
Mappa densità
elettronica
Spettro di diffrazione
Mappa di densità elettronica
molecola in 3D
Mappe di densità elettronica:
immagini delle molecole ingrandite ca. 100 milioni
di volte
Cl-
Na+
Trasformata di Fourier
Intensità dei
raggi diffratti
Fase dei raggi !
…fase… di "migliaia" di riflessioni (!)
ma... la "fase" dipende dalle
posizioni atomiche (sic !)
Esistono vari metodi per risolvere il problema…
Impaccamento
cristallino
Unità
asimmetrica
Biocristallografia = cristallografia applicata alle
molecole biologiche per conoscere la struttura di
proteine, zuccheri, vitamine, DNA …
Cristalli di lisozima
…e raggi X da luce di sincrotrone
(Elettra, Trieste)
• Ridotto tempo di raccolta dei dati
da 1-5 giorni a 1-5 ore
• Migliore qualità dei dati
DNA
“ icona della biologia molecolare “
Rosalind Franklin e Raymond Gosling (1952)
F. Crick, J. Watson, M. Wilkins
Nobel per la medicina (1962)
“struttura molecolare degli acidi nucleici“
Vitamina B12 (1954)
Penicillina (1945)
Insulina (1969)
Dorothy Hodgkin
premio Nobel chimica
(1964)
M. F. Perutz e J. C. Kendrew, Nobel chimica (1962)
Struttura molecolare dell’emoglobina e mioglobina
Fe-eme
Struttura secondaria delle proteine
a elica
foglietto b
catena
polipeptidica
Cristalli di proteine …
30-80% di acqua
Quali condizioni chimico-fisiche ?
Cristalli di proteina
ottenuti nello spazio
Cristalli di proteina
ottenuti sulla terra
CRISTALLOGRAFIA…
UNA PALLA, AMICO…!
GRAZIE !