Samenvatting: Structuurbepaling van
biomoleculen met X-stralenkristallografie
Inleiding
Algemeen principe:
o We bestralen een kristal met X-stralen --> dit geeft een
diffractiepatroon want de X-stralen worden verstrooid door
kristal
o Hieruit kunnen we dan de fases bepalen: elektronendichtheid
o Zo kan er een elektronendichtheidsmap opgesteld worden -->
hieruit weet je waar kernen en dus atomen zitten en dus kan
een atomisch model gebouwd worden
o --> Doel: atomisch model maken van een grote molecule
mbv X-stralen
Crowfoot Hodgkin won de nobelprijs in 1964 voor de ontdekking van
X-stralen en wees op het grote voordeel van de X-straal analyse als methode van
chemische structuur analyse:
o Nl. heeft enorme kracht om totaal onverwachte en verrassende structuur
met, op hetzelfde moment, volledige zekerheid te laten zien
De techniek van X-stralen is vanaf de jaren 50 revolutionair ontwikkeld --> heeft
hierdoor aanleiding gegeven tot verschillende nobelprijzen
o Laue in 1914: voor de ontdekking van de diffractie van X-stralen door kristal
o Vader en zoon Bragg in 1915: voor hun bijdrage in de analyse van
kristalstructuren dmv X-stralen
Opm. Ontwikkeling ging eerst heel traag omdat enorme rekenkracht
nodig is om te werken met de data die je uit de diffractiepatronen
haalt --> naarmate rekenkracht toeneemt, kan structuur makkelijker
bepaald worden
Na 2de wereldoorlog is men dus in stroomversnelling gekomen: met de
ontdekking van de transistor --> snellere PC’s kunnen gemaakt worden
o Pauling in 1954: voor zijn onderzoek in de natuur van de chemische bindingen
o Perutz en Kendrew in 1962: voor de studie van de structuur van globulaire
EW’n: structuur Hgb bepaald mbv X-stralen
o Watson en Crick in 1962: structuur DNA bepaald mbv X-stralen
o Crowfoot Hodgkin in 1964: bepaling van structuur van belangrijke
biochemische substanties mbv X-stralen
o Enz.: allemaal nobelprijzen die draaiden rond techniek van X-stralendiffractie
voor bepaling van structuur van moleculen of reacties ed.
Nog steeds zeer actuele techniek die nog veel gebruikt wordt
o Vb. astma en allergieën --> structuurbepaling ervan mbv X-stralendiffractie
, Uitspraak Perutz: Het X-stralen onderzoek van eiwitten wordt soms beschouwd als
een duister onderwerp dat alleen begrijpelijk is voor specialisten, maar de
basisideeën die ten grondslag liggen aan ons werk zijn zo eenvoudig dat sommige
natuurkundigen ze saai vinden
Hoofdstuk 1: Beelden en X-stralen
1.1. Vergrote beelden
Proteïnekristallografie -> vergrote beelden van proteïne moleculen worden hiermee
gemaakt
o Details kleiner dan 100µm : moeilijk te onderscheiden met blote oog
o Optische microscopen als hulpmiddel: resolutie tot ongeveer 0.5 µm (500 nm)
Zichtbaar licht:
o = elektromagnetische golven
o Onze ogen: Kleuren over het gebied van 350 nm (ver violet) – 700 nm (diep
rood)
We zien dus geen IR, ultraviolet of X-stralen (dit zijn wel
elektromagnetische golven)
Licht valt op voorwerp --> wordt verstrooid --> en het is dat
verstrooide licht (dat vaak dezelfde golflengte heeft als het originele
licht) dat we met ons oog opvangen
o Details die kunnen worden onderscheiden in de beste microscopen liggen
ongeveer een golflengte van elkaar
Details minder dan halve golflengte
van elkaar kunnen niet worden
onderscheiden: als object kleiner is dan een halve golflengte, gaat de
golf er gewoon voorbij (interageert er niet mee --> golf zit dat object
niet)
DUS: golflengte bepaalt de resolutie
Beeld op atoomschaal (hoe zijn atomen met elkaar verbonden):
o Gebruik ‘licht’ met geschikte golflengte want anders gaat licht niet
interageren met materie en kan je niets zien
o Atomen --> verschillende bindingen mogelijk en deze bepalen de afstand
tussen de atomen
Covalente binding: 1 – 2 Å van elkaar
Polaire binding – waterstof : 2.5 – 3.5 Å van elkaar
o Beeldvorming van de atomaire structuur van een molecule mogelijk via
golflengte die niet groter is dan aantal Å’s (in grote orde van 1-3.5) => dit zijn
X-stralen
Rontgen won nobelprijs in 1901 voor de ontdekking van Rontgen
stralen (= X-stralen)
, 1.2. X-stralen
= elektromagnetische golven = storingen van E en B velden die loodrecht op elkaar
staan
Is een zuivere monochromatische lichtgolf die sinusoïdaal is
Breed spectrum van elektromagnetische golven
o Van radiogolven tot gamma-stralen
o Lagere golflengte --> hogere frequentie --> hogere E --> zullen biologisch
weefsel dus beschadigen (vb. X-stralen en gamma-stralen)
Radiogolven gaan er minder/geen impact op hebben
Er gebeurt een sterke absorptie van elektromagnetische straling door materie in
bepaalde delen van het spectrum (bij bestraling)
o MAAR: er zijn slechts 3 vensters voor observatie en communicatie
Telecommunicatie venster --> vb. radiogolven: goed
geabsorbeerd/opgevangen door water en minder/niet door lucht
Als je met radio buiten staat ga je dat opvangen (horen)
Als je onder water zit met de radio: hoor je niets meer (vang je
de golven niet meer op)
biomoleculen met X-stralenkristallografie
Inleiding
Algemeen principe:
o We bestralen een kristal met X-stralen --> dit geeft een
diffractiepatroon want de X-stralen worden verstrooid door
kristal
o Hieruit kunnen we dan de fases bepalen: elektronendichtheid
o Zo kan er een elektronendichtheidsmap opgesteld worden -->
hieruit weet je waar kernen en dus atomen zitten en dus kan
een atomisch model gebouwd worden
o --> Doel: atomisch model maken van een grote molecule
mbv X-stralen
Crowfoot Hodgkin won de nobelprijs in 1964 voor de ontdekking van
X-stralen en wees op het grote voordeel van de X-straal analyse als methode van
chemische structuur analyse:
o Nl. heeft enorme kracht om totaal onverwachte en verrassende structuur
met, op hetzelfde moment, volledige zekerheid te laten zien
De techniek van X-stralen is vanaf de jaren 50 revolutionair ontwikkeld --> heeft
hierdoor aanleiding gegeven tot verschillende nobelprijzen
o Laue in 1914: voor de ontdekking van de diffractie van X-stralen door kristal
o Vader en zoon Bragg in 1915: voor hun bijdrage in de analyse van
kristalstructuren dmv X-stralen
Opm. Ontwikkeling ging eerst heel traag omdat enorme rekenkracht
nodig is om te werken met de data die je uit de diffractiepatronen
haalt --> naarmate rekenkracht toeneemt, kan structuur makkelijker
bepaald worden
Na 2de wereldoorlog is men dus in stroomversnelling gekomen: met de
ontdekking van de transistor --> snellere PC’s kunnen gemaakt worden
o Pauling in 1954: voor zijn onderzoek in de natuur van de chemische bindingen
o Perutz en Kendrew in 1962: voor de studie van de structuur van globulaire
EW’n: structuur Hgb bepaald mbv X-stralen
o Watson en Crick in 1962: structuur DNA bepaald mbv X-stralen
o Crowfoot Hodgkin in 1964: bepaling van structuur van belangrijke
biochemische substanties mbv X-stralen
o Enz.: allemaal nobelprijzen die draaiden rond techniek van X-stralendiffractie
voor bepaling van structuur van moleculen of reacties ed.
Nog steeds zeer actuele techniek die nog veel gebruikt wordt
o Vb. astma en allergieën --> structuurbepaling ervan mbv X-stralendiffractie
, Uitspraak Perutz: Het X-stralen onderzoek van eiwitten wordt soms beschouwd als
een duister onderwerp dat alleen begrijpelijk is voor specialisten, maar de
basisideeën die ten grondslag liggen aan ons werk zijn zo eenvoudig dat sommige
natuurkundigen ze saai vinden
Hoofdstuk 1: Beelden en X-stralen
1.1. Vergrote beelden
Proteïnekristallografie -> vergrote beelden van proteïne moleculen worden hiermee
gemaakt
o Details kleiner dan 100µm : moeilijk te onderscheiden met blote oog
o Optische microscopen als hulpmiddel: resolutie tot ongeveer 0.5 µm (500 nm)
Zichtbaar licht:
o = elektromagnetische golven
o Onze ogen: Kleuren over het gebied van 350 nm (ver violet) – 700 nm (diep
rood)
We zien dus geen IR, ultraviolet of X-stralen (dit zijn wel
elektromagnetische golven)
Licht valt op voorwerp --> wordt verstrooid --> en het is dat
verstrooide licht (dat vaak dezelfde golflengte heeft als het originele
licht) dat we met ons oog opvangen
o Details die kunnen worden onderscheiden in de beste microscopen liggen
ongeveer een golflengte van elkaar
Details minder dan halve golflengte
van elkaar kunnen niet worden
onderscheiden: als object kleiner is dan een halve golflengte, gaat de
golf er gewoon voorbij (interageert er niet mee --> golf zit dat object
niet)
DUS: golflengte bepaalt de resolutie
Beeld op atoomschaal (hoe zijn atomen met elkaar verbonden):
o Gebruik ‘licht’ met geschikte golflengte want anders gaat licht niet
interageren met materie en kan je niets zien
o Atomen --> verschillende bindingen mogelijk en deze bepalen de afstand
tussen de atomen
Covalente binding: 1 – 2 Å van elkaar
Polaire binding – waterstof : 2.5 – 3.5 Å van elkaar
o Beeldvorming van de atomaire structuur van een molecule mogelijk via
golflengte die niet groter is dan aantal Å’s (in grote orde van 1-3.5) => dit zijn
X-stralen
Rontgen won nobelprijs in 1901 voor de ontdekking van Rontgen
stralen (= X-stralen)
, 1.2. X-stralen
= elektromagnetische golven = storingen van E en B velden die loodrecht op elkaar
staan
Is een zuivere monochromatische lichtgolf die sinusoïdaal is
Breed spectrum van elektromagnetische golven
o Van radiogolven tot gamma-stralen
o Lagere golflengte --> hogere frequentie --> hogere E --> zullen biologisch
weefsel dus beschadigen (vb. X-stralen en gamma-stralen)
Radiogolven gaan er minder/geen impact op hebben
Er gebeurt een sterke absorptie van elektromagnetische straling door materie in
bepaalde delen van het spectrum (bij bestraling)
o MAAR: er zijn slechts 3 vensters voor observatie en communicatie
Telecommunicatie venster --> vb. radiogolven: goed
geabsorbeerd/opgevangen door water en minder/niet door lucht
Als je met radio buiten staat ga je dat opvangen (horen)
Als je onder water zit met de radio: hoor je niets meer (vang je
de golven niet meer op)
