RADIOGRAFIA DELLE MOLECOLE la materia vista sotto "una luce diversa" Ennio Zangrando Dipartimento di...
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RADIOGRAFIA DELLE MOLECOLE
la materia vista sotto "una luce diversa"
Ennio Zangrando
Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche
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…!