Lähdekoodi sivulle Röntgenkristallografia

'''Röntgenkristallografia''' tai '''röntgensädekristallografia''' on [[röntgentutkimus]]ta, jonka avulla voidaan selvittää [[molekyyli]]n kolmiulotteinen rakenne. Melkeinpä minkä tahansa aineen, joka saadaan [[kiteyttäminen (kemia)|kiteytymään]], rakenne voidaan selvittää. [[Kide|Kiteeseen]] kohdistetaan kapea [[röntgensäteily|röntgensäde]], joka siroaa elastisesti kiteen [[elektroni|elektroneista]]. Sironneet [[röntgensäteily|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 [[proteiini]]en [[rakennebiologia|rakennetutkimuksessa]], jossa pyritään selvittämään proteiinien kolmiulotteista rakennetta. [[Myoglobiini]] on ensimmäinen [[proteiini]], jonka rakenne selvitettiin röntgenkristallografisesti ([[Cambridgen yliopisto|Cambridge]] vuonna [[1959]]). Mallinnetut proteiinit tallennetaan muun muassa Internetin vapaaseen [[Protein Data Bank]]-tietokantaan. Myös epäorgaanisia kiteitä, kuten [[Suprajohde|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 [[kalvoproteiini|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 [[monokromaattinen|monokromaattista]] röntgensäteilyä, joka sisältää vain yhden [[aallonpituus|aallonpituuden]], tai [[polykromaattinen|polykromaattista]] röntgensäteilyä ([[Laue-menetelmä]]), joka sisältää useamman aallonpituuden. Perinteisessä menetelmässä röntgensäteily tuotetaan [[röntgenputki|röntgenputkella]]. [[synkrotroni|Synkrotroni]]lla 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 (luonnontieteet)|resoluutio]]. Käytetty aallonpituus on 0,5–2,5 [[Ångström]]iä.

Kidettä pyöritetään, jotta saataisiin diffraktiokuva joka kulmasta. Kide pidetään yleensä kylmänä nestetypellä, jolloin röntgensäteiden molekyylille aiheuttama vahinko jää pienemmäksi.

==Diffraktio==
{{Pääartikkeli|[[Röntgendiffraktio]]}}
Kun röntgensäteily osuu kiteeseen, säteet [[sironta|siroavat elastisesti]] menettämättä energiaa ja osuvat kiteen takana olevaan ilmaisimeen. Nykyisin ei enää yleensä käytetä [[röntgenfilmi|röntgenfilmejä]], vaan ilmaisinta, joka siirtää [[röntgendiffraktio|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 [[alkeiskoppi|alkeiskopin]] [[avaruusryhmä]] sekä atomien sijainti alkeiskopissa [[Braggin laki|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 sarja]]n perusidea on, että [[jaksollinen funktio|jaksolliset funktiot]] voidaan ilmoittaa [[trigonometria|trigonometristen]] sini- ja kosinifunktioiden summana. Molekyylin elektronitiheys [[hila]]ssa voidaan ajatella jaksollisena funktiona. Diffraktiokuvasta puolestaan saadaan tarvittavat trigonometriset funktiot <math>f(x) = F \sin 2\pi (hx + \alpha)</math> ja <math>f(x) = F \cos 2\pi (hx + \alpha)</math>, jossa ''F'' vastaa aallon [[amplitudi]]a, ''h'' aallonpituutta ja ''α'' vaihetta. [[aallonpituus|Aallonpituus]] on käytetyn röntgensäteilyn aallonpituus. Amplitudi ''F'' saadaan diffraktiokuvan valottuneiden kohtien [[intensiteetti|intensiteetistä]], sillä diffraktiokuvassa [[intensiteetti]] on amplitudin neliö (''I'' = ''F''<sup>2</sup>). Fourierin yhtälöissä amplitudi ja vaihe esitetään kompleksilukuna, jota nimitetään [[rakennetekijä]]ksi (''F''<sub>h</sub>). Vaihe on hankala selvittää, mutta sen selvittäminen on välttämätöntä Fourier'n muunnoksen käytölle. Tieto röntgensäteen vaiheesta katoaa kokeen aikana, ja ongelmaa nimitetään [[vaiheongelma]]ksi. 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.<ref>http://xfel.desy.de/</ref> Jos menetelmä osoittautuu käyttökelpoiseksi, myös heikosti kiteytyvistä proteiineista voidaan saada korkean resoluution 3D-rakenne selville.

==Katso myös==
*[[Röntgendiffraktio]]
*[[Röntgensäteily]]

==Lähteet==
*Rhodes G. Crystallography Made Crystal Clear. Academic Press. CA: 2000
===Viitteet===
{{Viitteet}}

== Aiheesta muualla ==
*[http://www.rcsb.org/pdb/Welcome.do Protein Data Bank] {{Wayback|1=http://www.rcsb.org/pdb/Welcome.do |päiväys=20060703161434 }}
*[http://www.jic.bbsrc.ac.uk/staff/david-lawson/xtallog/summary.htm Dave Lawsonin opetussivut kristallografiasta] {{Wayback|1=http://www.jic.bbsrc.ac.uk/staff/david-lawson/xtallog/summary.htm |päiväys=20060929092841 }}

[[Luokka:Kristallografia]]
[[Luokka:Rakennebiologia]]
[[Luokka:Analyyttinen kemia]]
[[Luokka:Röntgensäteily]]