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Kristallstrukturanalyse ist die Bestimmung des atomaren Aufbaus eines Kristalls durch Beugung geeigneter Strahlung am Kr

Kristallstrukturanalyse

Kristallstrukturanalyse ist die Bestimmung des atomaren Aufbaus eines Kristalls durch Beugung geeigneter Strahlung am Kristallgitter.

Sehr häufig wird hierfür monochromatische Röntgenstrahlung verwendet, da sie sich verhältnismäßig einfach als charakteristische Röntgenstrahlung einer Röntgenröhre erzeugen lässt. Hierfür hat sich der Begriff Röntgenstrukturanalyse (Röntgenkristallographie) eingebürgert.

Alternativ lassen sich auch Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlung verwenden.

Die Kristallstrukturanalyse mit Elektronenstrahlen ist aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen den eingestrahlten Elektronen und dem Kristall besonders schwierig und für Routineuntersuchungen noch nicht ausgereift.

Funktionsweise Bearbeiten

Aus dem beobachteten Beugungsmuster kann die Kristallstruktur berechnet werden. Die Geometrie der Elementarzelle des Kristallgitters kann vollständig anhand der Winkel abgeleitet werden, unter denen die Beugungsmaxima auftreten. Aus der Stärke der Beugungsmaxima kann mittels verschiedener mathematischer Methoden die Anordnung der Atome innerhalb der Elementarzelle berechnet werden. Die hierbei benötigten Rechnungen werden allerdings bereits für mittelgroße Moleküle (ab etwa 10 Nicht-Wasserstoff-Atomen) so komplex, dass sie ohne Computer nicht durchführbar sind. Die erste Proteinstruktur wurde 1958 auf dem Cambridger Hochleistungscomputer EDSAC von 1949 analysiert, während Forscher bereits 1934 herausgefunden hatten, dass das Enzym Pepsin regelmäßige Kristalle bildet.

Bei der Proteinkristallographie wird die Struktur ermittelt, indem die Aminosäuresequenz in die Elektronenverteilung (weißes Gitter) eingepasst und modifiziert oder verschoben wird, bis plausibel ist, dass die gewählte Struktur die ermittelte Elektronenverteilung erzeugen kann.

Bei der Kristallstrukturanalyse mittels Röntgen-, Elektronen- oder Synchrotronstrahlung werden streng genommen nicht die Positionen der Atome, sondern die Verteilung der Elektronen in der Elementarzelle bestimmt, da diese mit der Strahlung in Wechselwirkung treten. Man erhält also eigentlich eine Karte der Elektronendichte, und bei sehr exakten Kristallstrukturanalysen von Molekülen mit leichten Atomen findet man in der Tat Bindungselektronen. Neutronen treten dagegen mit dem Atomkern in Wechselwirkung. Allerdings ist der Unterschied in der Position in den meisten Fällen vernachlässigbar. Eine genaue Beschreibung der Beugungseffekte an Kristallen und deren Interpretation ist im Artikel Röntgenbeugung zu finden.

Idealerweise wird die Beugung an einem Einkristall durchgeführt. Häufig ist dies aber nicht möglich, da nicht immer genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es möglich, auch das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten (Rietveld-Methode). Allerdings geht durch die hierbei auftretende Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, so dass die Ergebnisse im Allgemeinen von geringerer Qualität sind.

Anwendung Bearbeiten

Neben der eigentlichen kristallographischen Anwendung der Methode, bei welcher der Kristall selber von Interesse ist, wird die Kristallstrukturanalyse auch zur Aufklärung von Molekülstrukturen verwendet. Dies ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie und damit ein Teilgebiet der Strukturbiologie. Hierfür ist allerdings die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei Proteinkristallen sehr schwierig sein kann. Durch Kristallisation in Gegenwart von Substraten kann versucht werden, verschiedene metabolische Zustände des Proteins zu erfassen.

Die Struktur von Proteinen kann nicht nur mittels Röntgenkristallstrukturanalyse bestimmt werden, sondern auch mittels NMR-Spektroskopie, derzeit allerdings nur für Proteine kleiner oder mittlerer Größe.

Auf dem Gebiet der Kristallstrukturanalyse gab es mehrere Nobelpreise, angefangen bei Max von Laue und Wilhelm Conrad Röntgen, die die Grundlagen legten, über zum Beispiel Dorothy Crowfoot Hodgkin, die viele biologisch relevante Moleküle erstmals strukturell bestimmte, bis zu Robert Huber, Johann Deisenhofer und Hartmut Michel, die Proteine (unter anderem auch das chlorophyllhaltige Photoreaktionszentrum) als Proteinkristalle untersuchten. Eines der bekanntesten Beispiele für die Strukturaufklärung mittels Röntgenbeugung ist die Entschlüsselung der DNA-Struktur durch James Watson und Francis Crick, deren Modell wesentlich auf Röntgenbeugungsdaten von Maurice Wilkins und Rosalind Franklin beruhte. 1985 wurde Jerome Karle und Herbert A. Hauptman der Nobelpreis für Chemie für deren Beiträge zur Entwicklung der „Direkten Methoden“ zur Kristallstrukturanalyse zuerkannt.

Trivia Bearbeiten

Da der Ausdruck Röntgenstrukturanalyse semantisch irreführend ist, bestehen manche Autoren auf „Röntgenstrahlenstrukturanalyse“. Weitere korrekte Bezeichnungen sind „Kristallstrukturbestimmung durch Röntgenbeugung an Einkristallen“ und „Einkristallstrukturanalyse“.

Hersteller Bearbeiten

Frühere Hersteller von Einkristalldiffraktometern waren die Firmen Enraf-Nonius, Siemens und Oxford Diffraction. Diese stellten zum Beispiel die Einkristalldiffraktometer CAD-4, Kappa CCD (beide von Enraf-Nonius), Smart(Siemens), Xcalibur, SuperNova (beide von Oxford Diffraction) her. Nach mehreren Umstrukturierungen und Verkäufen existieren heute noch folgende Hersteller von Einkristalldiffraktometern:

  • Bruker AXS bietet Geräte der D8 Reihe für die Einkristallstrukturanalyse an.
  • Rigaku hat 2015 Oxford Diffraction übernommen und verkauft Geräte der Reihe XtaLAB.
  • Die STOE & Cie GmbH aus Darmstadt bietet das STADIVARI und IPDS-Diffraktometer an.

Moderne Einkristalldiffraktometer verfügen über leistungsfähige Mikrofokus- oder Metaljet-Röntgenquellen. Als Detektoren werden nahezu ausschließlich Flächendetektoren eingesetzt. Diese ermöglichen deutlich kürzere Messzeiten gegenüber den Punktdetektoren.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Werner Massa: Kristallstrukturbestimmung. Vieweg + Teubner Verlag, 6. Auflage, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0649-9.
  • C. Giacovazzo: Fundamentals of Crystallography. Oxford University Press, 3rd ed. 2011, ISBN 978-0-19-957366-0.
  • S. Boutet, L. Lomb u. a.: High-Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography. In: Science. 337, 2012, S. 362–364, doi:10.1126/science.1217737.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. J. C. Kendrew, C. Bodo, H. M. Dintzis, R. C. Parrish, H. Wyckoff, D. C. Phillips: A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis. In: Nature. 181. Jahrgang, Nr. 4610, 1958, S. 662–666, doi:10.1038/181662a0, PMID 13517261.
  2. Dietmar Stalke: Electron density and chemical bonding I : experimental charge density studies. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-30802-4.
  3. Ulrich Müller: Anorganische Strukturchemie. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-9545-5.
  4. Werner Massa: Kristallstrukturbestimmung. 7., aktualisierte Auflage. Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1726-6.
  5. Enraf-Nonius CAD-4 Turbo Diffractometer | CAMCOR. Abgerufen am 22. November 2021 (amerikanisches Englisch).
  6. H. O. Sørensen, S. Larsen: Measurement of high-quality diffraction data with a Nonius KappaCCD diffractometer: finding the optimal experimental parameters. In: Journal of Applied Crystallography. Band 36, Nr. 3, 1. Juni 2003, ISSN 0021-8898, S. 931–939, doi:10.1107/S0021889803008434 (iucr.org [abgerufen am 22. November 2021]).
  7. Ausrüstung. Abgerufen am 22. November 2021.
  8. Oxford Diffraction Xcalibur. Abgerufen am 22. November 2021 (englisch).
  9. outsourcing-pharma.com: Oxford Diffraction goes ‘SuperNova’. Abgerufen am 22. November 2021 (britisches Englisch).
  10. Diffraktometer & Streusysteme. Abgerufen am 22. November 2021.
  11. The creation of Rigaku Oxford Diffraction | Rigaku Global Website. Abgerufen am 22. November 2021.
  12. Single crystal diffraction products from Rigaku | Rigaku Global Website. Abgerufen am 22. November 2021.
  13. Products. In: STOE & Cie GmbH. Abgerufen am 22. November 2021 (amerikanisches Englisch).
  14. Röntgenstrahlenquelle - alle Hersteller aus dem Bereich der Industrie - Videos. Abgerufen am 22. November 2021.
  15. Microfocus X-ray Sources - Microfocus X-ray Tubes - Oxford Instruments - X-Ray Technology. Abgerufen am 22. November 2021 (englisch).
  16. World-leading X-ray sources. In: Excillum. Abgerufen am 22. November 2021 (amerikanisches Englisch).
  17. Eintrag zu Flächendetektorsysteme. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 7. April 2022.
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Kristallstrukturanalyse ist die Bestimmung des atomaren Aufbaus eines Kristalls durch Beugung geeigneter Strahlung am Kristallgitter Sehr haufig wird hierfur monochromatische Rontgenstrahlung verwendet da sie sich verhaltnismassig einfach als charakteristische Rontgenstrahlung einer Rontgenrohre erzeugen lasst Hierfur hat sich der Begriff Rontgenstrukturanalyse Rontgenkristallographie eingeburgert Alternativ lassen sich auch Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlung verwenden Die Kristallstrukturanalyse mit Elektronenstrahlen ist aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen den eingestrahlten Elektronen und dem Kristall besonders schwierig und fur Routineuntersuchungen noch nicht ausgereift Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise 2 Anwendung 3 Trivia 4 Hersteller 5 Siehe auch 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseFunktionsweise BearbeitenAus dem beobachteten Beugungsmuster kann die Kristallstruktur berechnet werden Die Geometrie der Elementarzelle des Kristallgitters kann vollstandig anhand der Winkel abgeleitet werden unter denen die Beugungsmaxima auftreten Aus der Starke der Beugungsmaxima kann mittels verschiedener mathematischer Methoden die Anordnung der Atome innerhalb der Elementarzelle berechnet werden Die hierbei benotigten Rechnungen werden allerdings bereits fur mittelgrosse Molekule ab etwa 10 Nicht Wasserstoff Atomen so komplex dass sie ohne Computer nicht durchfuhrbar sind Die erste Proteinstruktur wurde 1958 auf dem Cambridger Hochleistungscomputer EDSAC von 1949 analysiert 1 wahrend Forscher bereits 1934 herausgefunden hatten dass das Enzym Pepsin regelmassige Kristalle bildet nbsp Bei der Proteinkristallographie wird die Struktur ermittelt indem die Aminosauresequenz in die Elektronenverteilung weisses Gitter eingepasst und modifiziert oder verschoben wird bis plausibel ist dass die gewahlte Struktur die ermittelte Elektronenverteilung erzeugen kann Bei der Kristallstrukturanalyse mittels Rontgen Elektronen oder Synchrotronstrahlung werden streng genommen nicht die Positionen der Atome sondern die Verteilung der Elektronen in der Elementarzelle bestimmt da diese mit der Strahlung in Wechselwirkung treten Man erhalt also eigentlich eine Karte der Elektronendichte und bei sehr exakten Kristallstrukturanalysen von Molekulen mit leichten Atomen findet man in der Tat Bindungselektronen 2 Neutronen treten dagegen mit dem Atomkern in Wechselwirkung Allerdings ist der Unterschied in der Position in den meisten Fallen vernachlassigbar Eine genaue Beschreibung der Beugungseffekte an Kristallen und deren Interpretation ist im Artikel Rontgenbeugung zu finden Idealerweise wird die Beugung an einem Einkristall durchgefuhrt Haufig ist dies aber nicht moglich da nicht immer genugend grosse Einkristalle einer Substanz zur Verfugung stehen Heutzutage ist es moglich auch das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten Rietveld Methode Allerdings geht durch die hierbei auftretende Uberlagerung von Beugungsmaxima Information verloren so dass die Ergebnisse im Allgemeinen von geringerer Qualitat sind Anwendung BearbeitenNeben der eigentlichen kristallographischen Anwendung der Methode bei welcher der Kristall selber von Interesse ist wird die Kristallstrukturanalyse auch zur Aufklarung von Molekulstrukturen verwendet Dies ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie und damit ein Teilgebiet der Strukturbiologie Hierfur ist allerdings die Kristallisation der Molekule Voraussetzung was insbesondere bei Proteinkristallen sehr schwierig sein kann Durch Kristallisation in Gegenwart von Substraten kann versucht werden verschiedene metabolische Zustande des Proteins zu erfassen Die Struktur von Proteinen kann nicht nur mittels Rontgenkristallstrukturanalyse bestimmt werden sondern auch mittels NMR Spektroskopie derzeit allerdings nur fur Proteine kleiner oder mittlerer Grosse Auf dem Gebiet der Kristallstrukturanalyse gab es mehrere Nobelpreise angefangen bei Max von Laue und Wilhelm Conrad Rontgen die die Grundlagen legten uber zum Beispiel Dorothy Crowfoot Hodgkin die viele biologisch relevante Molekule erstmals strukturell bestimmte bis zu Robert Huber Johann Deisenhofer und Hartmut Michel die Proteine unter anderem auch das chlorophyllhaltige Photoreaktionszentrum als Proteinkristalle untersuchten Eines der bekanntesten Beispiele fur die Strukturaufklarung mittels Rontgenbeugung ist die Entschlusselung der DNA Struktur durch James Watson und Francis Crick deren Modell wesentlich auf Rontgenbeugungsdaten von Maurice Wilkins und Rosalind Franklin beruhte 1985 wurde Jerome Karle und Herbert A Hauptman der Nobelpreis fur Chemie fur deren Beitrage zur Entwicklung der Direkten Methoden zur Kristallstrukturanalyse zuerkannt Trivia BearbeitenDa der Ausdruck Rontgenstrukturanalyse semantisch irrefuhrend ist bestehen manche Autoren auf Rontgenstrahlenstrukturanalyse 3 Weitere korrekte Bezeichnungen sind Kristallstrukturbestimmung durch Rontgenbeugung an Einkristallen und Einkristallstrukturanalyse 4 Hersteller BearbeitenFruhere Hersteller von Einkristalldiffraktometern waren die Firmen Enraf Nonius Siemens und Oxford Diffraction Diese stellten zum Beispiel die Einkristalldiffraktometer CAD 4 5 Kappa CCD 6 beide von Enraf Nonius Smart 7 Siemens Xcalibur 8 SuperNova 9 beide von Oxford Diffraction her Nach mehreren Umstrukturierungen und Verkaufen existieren heute noch folgende Hersteller von Einkristalldiffraktometern Bruker AXS bietet Gerate der D8 Reihe fur die Einkristallstrukturanalyse an 10 Rigaku hat 2015 Oxford Diffraction ubernommen 11 und verkauft Gerate der Reihe XtaLAB 12 Die STOE amp Cie GmbH aus Darmstadt bietet das STADIVARI und IPDS Diffraktometer an 13 Moderne Einkristalldiffraktometer verfugen uber leistungsfahige Mikrofokus oder Metaljet Rontgenquellen 14 15 16 Als Detektoren werden nahezu ausschliesslich Flachendetektoren eingesetzt 17 Diese ermoglichen deutlich kurzere Messzeiten gegenuber den Punktdetektoren Siehe auch BearbeitenRontgendiffraktometrie Systematische AusloschungLiteratur BearbeitenWerner Massa Kristallstrukturbestimmung Vieweg Teubner Verlag 6 Auflage Wiesbaden 2009 ISBN 978 3 8348 0649 9 C Giacovazzo Fundamentals of Crystallography Oxford University Press 3rd ed 2011 ISBN 978 0 19 957366 0 S Boutet L Lomb u a High Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography In Science 337 2012 S 362 364 doi 10 1126 science 1217737 Weblinks BearbeitenPulverdiffraktometrie PDF Datei Proteinstrukturfabrik in Englisch Archiv Link Einzelnachweise Bearbeiten J C Kendrew C Bodo H M Dintzis R C Parrish H Wyckoff D C Phillips A three dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x ray analysis In Nature 181 Jahrgang Nr 4610 1958 S 662 666 doi 10 1038 181662a0 PMID 13517261 Dietmar Stalke Electron density and chemical bonding I experimental charge density studies Springer Berlin 2012 ISBN 978 3 642 30802 4 Ulrich Muller Anorganische Strukturchemie Vieweg Teubner Wiesbaden 2008 ISBN 978 3 8348 9545 5 Werner Massa Kristallstrukturbestimmung 7 aktualisierte Auflage Wiesbaden 2011 ISBN 978 3 8348 1726 6 Enraf Nonius CAD 4 Turbo Diffractometer CAMCOR Abgerufen am 22 November 2021 amerikanisches Englisch H O Sorensen S Larsen Measurement of high quality diffraction data with a Nonius KappaCCD diffractometer finding the optimal experimental parameters In Journal of Applied Crystallography Band 36 Nr 3 1 Juni 2003 ISSN 0021 8898 S 931 939 doi 10 1107 S0021889803008434 iucr org abgerufen am 22 November 2021 Ausrustung Abgerufen am 22 November 2021 Oxford Diffraction Xcalibur Abgerufen am 22 November 2021 englisch outsourcing pharma com Oxford Diffraction goes SuperNova Abgerufen am 22 November 2021 britisches Englisch Diffraktometer amp Streusysteme Abgerufen am 22 November 2021 The creation of Rigaku Oxford Diffraction Rigaku Global Website Abgerufen am 22 November 2021 Single crystal diffraction products from Rigaku Rigaku Global Website 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