Röntgenkristallografia

Röntgenkristallografia tai röntgensädekristallografia on röntgentutkimusta, jonka avulla voidaan selvittää molekyylin kolmiulotteinen rakenne. Melkeinpä minkä tahansa aineen, joka saadaan kiteytymään, rakenne voidaan selvittää. Kiteeseen kohdistetaan kapea röntgensäde, joka siroaa elastisesti kiteen elektroneista. Sironneet röntgensäteet havainnoidaan näytteen takana olevalla ilmaisimella, joka yleensä on tasomainen tai sylinteriksi kaareutettu. Kuviosta voidaan ratkaista atomien tai molekyylien paikat kiteessä. Röntgenkristallografiaa käytetään paljon muun muassa proteiinien rakennetutkimuksessa, jossa pyritään selvittämään proteiinien kolmiulotteista rakennetta. Myoglobiini on ensimmäinen proteiini, jonka rakenne selvitettiin röntgenkristallografisesti (Cambridge vuonna 1959). Mallinnetut proteiinit tallennetaan muun muassa Internetin vapaaseen Protein Data Bank-tietokantaan. Myös epäorgaanisia kiteitä, kuten suprajohteita, voidaan tutkia röntgenkristallografialla.
Kiteiden valmistus.
Tutkittavan aineen on oltava yksittäiskide, jotta rakenteen määritys olisi mahdollisimman vaivatonta. Kiteytys voi olla rakennetutkimuksen aikaa vievin vaihe, sillä kaikkia aineita ei ole helppo kristallisoida. Esimerkiksi joitain kalvoproteiineja ei ole pystytty saattamaan kidemuotoon. Mahdollisimman täydellisestä kiteestä tulee diffraktiokuvio, jonka avulla rakenne voidaan ratkaista huomattavasti tarkemmin kuin epätäydellisesti kiteytyneestä kiteestä. Mitä isompi kide on, sitä voimakkaampi signaali siitä myös saadaan.
Röntgensäteily.
Röntgenkristallografiassa voidaan käyttää monokromaattista röntgensäteilyä, joka sisältää vain yhden aallonpituuden, tai polykromaattista röntgensäteilyä (Laue-menetelmä), joka sisältää useamman aallonpituuden. Perinteisessä menetelmässä röntgensäteily tuotetaan röntgenputkella. Synkrotronilla voidaan nykyään tuottaa huomattavasti röntgenputkea intensiivisempää säteilyä ja sen aallonpituus voidaan monesti valita melko laajalta väliltä. Yleensä mittaukset tehdään monokromaattisella säteilyllä eriaikaisesti joko kahta tai useampaa aallonpituutta käyttäen. Useampaa aallonpituutta käyttämällä ja synkrotronimittauksien intensiteetin takia rakennemallille saadaan näin ollen parempi resoluutio. Käytetty aallonpituus on 0,5–2,5 Ångströmiä.
Kidettä pyöritetään, jotta saataisiin diffraktiokuva joka kulmasta. Kide pidetään yleensä kylmänä nestetypellä, jolloin röntgensäteiden molekyylille aiheuttama vahinko jää pienemmäksi.
Diffraktio.
Kun röntgensäteily osuu kiteeseen, säteet siroavat elastisesti menettämättä energiaa ja osuvat kiteen takana olevaan ilmaisimeen. Nykyisin ei enää yleensä käytetä röntgenfilmejä, vaan ilmaisinta, joka siirtää röntgendiffraktiokuvan suoraan tietokoneelle tarkasteltavaksi.
Diffraktiokuvasta voidaan tulkita erinäisiä asioita. Esimerkiksi kuitumaisten molekyylien, kuten DNA:n diffraktiokuva on yleensä X:n mallinen. Diffraktiokuvan täplien perusteella voidaan laskea kiteen alkeiskopin avaruusryhmä sekä atomien sijainti alkeiskopissa Braggin lain avulla. Diffraktiokuvan perusteella rakennetaan myös kiteen elektronitiheyskartta.
Fourier'n muunnos.
Mikä tahansa diffraktiokuva voidaan muuntaa matemaattisella muunnoksella kohteen elektronitiheyskartaksi. Käytetty matemaattinen keino on nimeltään Fourier'n muunnos. Fourier'n sarjan perusidea on, että jaksolliset funktiot voidaan ilmoittaa trigonometristen sini- ja kosinifunktioiden summana. Molekyylin elektronitiheys hilassa voidaan ajatella jaksollisena funktiona. Diffraktiokuvasta puolestaan saadaan tarvittavat trigonometriset funktiot formula_1 ja formula_2, jossa "F" vastaa aallon amplitudia, "h" aallonpituutta ja "α" vaihetta. Aallonpituus on käytetyn röntgensäteilyn aallonpituus. Amplitudi "F" saadaan diffraktiokuvan valottuneiden kohtien intensiteetistä, sillä diffraktiokuvassa intensiteetti on amplitudin neliö ("I" = "F"2). Fourierin yhtälöissä amplitudi ja vaihe esitetään kompleksilukuna, jota nimitetään rakennetekijäksi ("F"h). Vaihe on hankala selvittää, mutta sen selvittäminen on välttämätöntä Fourier'n muunnoksen käytölle. Tieto röntgensäteen vaiheesta katoaa kokeen aikana, ja ongelmaa nimitetään vaiheongelmaksi. Vaiheongelma voidaan kuitenkin ratkaista kiertoteitse.
Fourier'n sarjaa apuna käyttäen saadaan siis rakennettua tietokoneelle molekyylin elektronitiheyskartta. Elektronitiheyskartan sisälle sijoitetaan atomeja, ja näin tietokoneelle saadaan rakennettua molekyylin kolmiulotteinen atomitason malli.
Hienosäätö.
Lopuksi röntgenkristallografisesti rakennetulle molekyylimallille on suoritettava hienosäätöä oikean rakenteen varmistamiseksi. Hienosäätöön kuuluu mm. oikeiden sidospituuksien ja -kulmien varmistaminen ja rakenteen laittaminen vähiten energiaa vaativaan muotoon. Myös vesimolekyylit lisätään jälkikäteen.
Ongelmat.
Kuten mainittua, joidenkin – etenkin kalvoproteiinien – kiteytys voi olla hankalaa. Röntgensäteily vaurioittaa proteiinia aina jonkin verran, mikä saattaa aiheuttaa eriasteisia hankaluuksia mallintamisen yhteydessä. Matalan resoluution rakennemalleissa on epätarkkuutta, eikä esimerkiksi atomien välisiä etäisyyksiä voi mitata varmuudella resoluution ollessa 3 Å luokkaa. Kiteytetty rakenne ei myöskään välttämättä vastaa kaikilta osin ei-kiteytettyä muotoa. Proteiinien rakennetta nesteessä voidaan tutkia NMR-menetelmällä.
Tulevaisuus.
Tulevaisuudessa useiden satojen metrien pituisilla röntgenvapaaelektronilaser-mittausasemilla voidaan tutkia yksittäistä molekyyliä tai proteiinia alle pikosekunnin aikaskaalassa juuri ennen kuin se hajoaa. Tällaisia mittausasemia on rakenteilla maailmalla parhaillaan ja niiden mahdollisuuksia rakennetutkimuksessa kartoitetaan mallintamalla. Jos menetelmä osoittautuu käyttökelpoiseksi, myös heikosti kiteytyvistä proteiineista voidaan saada korkean resoluution 3D-rakenne selville.