RADIOGRAFIA DELLE MOLECOLE

la materia vista sotto "una luce diversa"

Ennio Zangrando

Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche

ezangrando@units.it

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 !

Robert Hooke, (1635 – 1703)

E’ possibile vedere di quali atomi è fatto un materiale ? … il microscopio ?

Cosa significa conoscere la struttura ?Cosa significa conoscere la struttura ?

Perché conoscere la struttura ?Perché conoscere la struttura ?

Conoscere il numero e il tipo di atomi e la loro posizione relativa

le proprietà di un materiale dipendono dalla struttura

Come si determina la 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 !

salgemma quarzo saccarosio NaCl SiO2 C12H22O11

Cristallo: corpo anisotropo, omogeneo che consiste di un ordine 3D di atomi, ioni o molecole. Cristallo: corpo anisotropo, omogeneo che consiste di un ordine 3D di atomi, ioni o molecole.

Teofrasto (ca 300 aC), "De Lapidibus"

Keplero (1611), "De nive sixangula"

…oggetti che si ripetono periodicamente

2D, favo d’api

2D, carta da parati

1D, cardiogramma

Struttura cristallina in 2D Reticolo cristallino

Cella elementare

Struttura cristallinaStruttura cristallina

Cella elementare a

ab

c

bg

Triclino P

Monoclino P, C

Rombico P, I, C, F

Tetragonale P, I

Esagonale P

Romboedrico R

Cubico P, I, F

7 sistemi cristallini, 14 reticoli

Wilhelm Conrad Röntgen

1895, scoperta dei raggi X

Sorgente di raggi X

edifici persone insetti spilli cellule molecole atomi nuclei atomici

n · l = c

0.1 - 100 Å

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 dei RX è paragonabile alle distanze interatomiche.

DIFFRAZIONEè un fenomeno che avviene tutte le volte che la luce incontra un ostacolo o un’apertura di

dimensioni paragonabili alla sua l.

…figure di interferenza caratterizzate da

massimi e minimi di luminosità (interferenza costruttiva e distruttiva).

W. Henry Bragg e W. Lawrence Bragg

Struttura cristallina di NaCl (1913), KCl, diamante

Premi Nobel x la fisica (1915)

Fisica Chimica Metallurgia Scienza dei materiali Biologia molecolare Biochimica

Medicina

Cristallografia

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.

Sorgente RX

Raggi X

monocromatici (l)

Esperimento di diffrazione raggi X su cristallo singoloEsperimento di diffrazione raggi X su cristallo singolo

Spettro di diffrazione

Piani cristallografici

l dei RX = 0.7 – 1.7 Å

diffrazione

sorgentedi raggi X

fascio raggi Xonda generata

gli elettroni … i responsabili della diffrazione ! gli elettroni … i responsabili della diffrazione !

interferenza costruttiva e distruttivaonde in fase in opposizione di fase

parzialmente fuori fase

Interferenza tra ondeInterferenza tra onde +

++

=

Piani cristallografici

q q

O

P

dq

RX incidenti

RX diffratti

Legge di Bragg: 2d·sen q = n l

Diffrazione = Riflessione dei raggi X

- Le posizioni dipendono dai parametri della cella elementare

Figura di diffrazione:

RX diffratti sono raccolti su un detector o su una

lastra fotografica

- L’ intensità dipende dal tipo di atomi e dalla loro posizione nella cella elementare.

Migliaia di diffrazioni !

microscopio

diffrazione RX

Luce

Pattern diffrazione

cristallo

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

Na+Cl-

Trasformata di Fourier

Fase dei raggi !Intensità dei raggi diffratti

ma... la "fase" dipende dalle posizioni atomiche (sic !)

…fase… di "migliaia" di riflessioni (!)

Esistono vari metodi per risolvere il problema…

Impaccamento cristallino

Unità asimmetrica

Cristalli di lisozima

Biocristallografia = cristallografia applicata alle molecole biologiche per conoscere la struttura di proteine, zuccheri, vitamine, DNA …

…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“

Dorothy Hodgkinpremio Nobel chimica

(1964)Vitamina B12

(1954) Penicillina (1945) Insulina (1969)

M. F. Perutz e J. C. Kendrew, Nobel chimica (1962) Struttura molecolare dell’emoglobina e mioglobina

Fe-eme

Struttura secondaria delle proteineStruttura secondaria delle proteine

foglietto ba elica

catena polipeptidica

Cristalli di proteina ottenuti nello spazio

Cristalli di proteina ottenuti sulla terra

Cristalli di proteine … 30-80% di acqua

Quali condizioni chimico-fisiche ?

GRAZIE !

CRISTALLOGRAFIA… UNA PALLA, AMICO…!