DRX BIOQUIMICA
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DIFRACCION DE RAYOS X Y SUS APLICACIONES BIOQUIMICAS
GUSTAVO HOYOS PATERNINA
JUAQUIN ARGEL
YEINER QUIROZ LOBO
UNIVERIDAD DE CORDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS
DEPARTAMENTO DE QUIMICABIOQUIMCA
RAYOS X
•Los rayos x son ondas electromagnéticas producidas por la desaceleración de los electrones cuando se detienen en un blanco.•Los rayos x son una radiación de elevada energía y pequeña longitud de onda, la cual se encuentra entre 10ˆ-8 y 10 ˆ-12 m.
Cuanto menor es la longitud de onda de los
Rayos X, mayores son su energía y poder de
penetración.
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COMO SE PRODUCENElectrones acelerados impactan sobre un blanco
Los átomos del blanco sufren procesos de excitación
En el proceso de relajación emiten fotones X
La mayor parte de la energía se transforma en calor
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La desaceleración de los electrones, al llegar al blanco, genera fotones
X de diferentes longitudes de ondas (radiación blanca)
Una pequeña parte de los electrones provoca el fenómeno anterior,
dando lugar a las líneas de rayos-X características
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Ejemplo de una grieta tomada por Rayos X 12
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¿Que es la difracción de rayos x?
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Difracción de rayos xLos rayos X pueden difractarse al atravesar un cristal, o ser
dispersados por él, ya que el cristal está formado por redes de átomos
regulares que actúan como redes de difracción muy finas.
La difracción es un fenómeno que se produce cuando una onda
encuentra un obstáculo o una abertura al propagarse de tamaño
comparable a su longitud de onda.
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* Este fenómeno de difracción es característico de todo tipo de
ondas y genera una propagación no rectilínea de la onda.
* La difracción es consecuencia del proceso de interferencia entre
ondas generadas en puntos del espacio separados por distancias
semejantes a la longitud de onda
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METODOS DE DIFRACCION DE RAYOS X
Existen varias técnicas de difracción de rayos x
Ley de Bragg Método de Laue Método de Polvo o Debye-Scherrer
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Ley de BraggWilliam H. Bragg (1862-1942) y William L. Bragg (1890-1971) fueron quienes demostraron la utilidad del fenómeno que descubrió Laue, para obtener la estructura interna de los cristales.
n λ =2dsinθ
La variable d es la distancia entre los planos cristalinos paralelos, λ la longitud de onda, n unnumero entero (1,2,3…), θ el ánguloentre el haz difractado y la direcciónoriginal del haz.Para que se cumpla la ley de Bragg
la interferencia debe ser constructiva.
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Método de Laue.
En este método se utiliza un monocristal estacionario y una placa de fotográfica. Se hace incidir un haz de rayos x al monocristal, el haz directo produce un ennegrecimiento al tocar la placa, la cual determinaran la información del material que se este investigando.
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Método de Laue por transmisiónEn este método la película se coloca detrás del cristal y se hacen pasar los rayos x, el efecto de las ondas dará como resultado una elipse proyectada en la placa fotográfica.
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Método Laue por reflexión
Aquí se coloca la placa fotográfica delante del cristal con un pequeño agujero, cuando las ondas atraviesan el cristal se reflejan hacia arriba y
generan una especie de parábola proyectada en la placa fotográfica.
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Método de polvo o Debye-Scherrer.En este método se tiene que pulverizar de una manera muy fina los cristales de la muestra los cuales se mezclan con un material amorfo para compactarlo y poder obtener una buena reflexión de los rayos. El método consta de tener la placa fotográfica y en el centro la muestra del polvo cristalino, cuando el efecto del haz incide en el polvo, los rayos se reflejan sobre la placa fotográfica.
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El método de Weissenberg está basado en la cámara del mismo nombre, desarrollada en 1924 por el científico austriaco K. Weissenberg.
La cámara consta de un cilindro metálico que contiene en su interior una película fotográfica sensible a los rayos X. El cristal se monta sobre un eje coaxial con dicho cilindro y se hace girar, de tal modo que los puntos recíprocos que intersectan la superficie de la esfera son los responsables de los haces de difracción. Estos haces generan un ennegrecimiento (mancha) sobre la película fotográfica que cuando se extrae del cilindro metálico tiene la apariencia que se muestra.
MÉTODO DE WEISSENBERG
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Diagrama de Weissenberg del plano recíproco hk2 del
metaborato de cobre
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El método de precesión fue desarrollado por Martin J. Buerger, en 1940, como alternativa muy ingeniosa para poder impresionar placas fotográficas de planos recíprocos sin distorsionar.Se trata de un método en el que cristal se mueve, pero el movimiento del cristal (y como consecuencia el de los planos recíprocos solidarios) es como el de precesión de los planetas, de ahí su nombre. La película fotográfica se coloca sobre un soporte plano y se mueve solidariamente con el cristal. El cristal debe orientarse de tal modo que el plano recíproco que se desee recoger sea perpendicular al haz directo de los rayos X, es decir, que un eje directo coincida con la dirección de los rayos X incidentes.
MÉTODO DE PRECESIÓN
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Esquema y aspecto de una cámara de precesión
Diagrama de precesión de un cristal de lisozima en el que fácilmente se distingue un eje de simetría cuaternario perpendicular al diagrama. Debido a que los ejes de la celdilla elemental son grandes, la separación entre los puntos recíprocos es pequeña
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Utiliza la radiación monocromática y una muestra en polvo y registra la información de las reflexiones mediante una traza de tinta sobre una cinta de papel o mediante recuento electrónico que puede ser almacenado en un ordenador.
La muestra finamente pulverizada se extiende sobre un porta vidrio y se aglomera. El porta vidrio gira según la trayectoria del haz de rayos X al mismo tiempo que el detector gira a su alrededor para captar las señales de los haces difractados.
El detector no registra todas las reflexiones a la vez en una película sino que mantiene un orden para recibir por separado cada máximo de difracción
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EL DIFRACTÓMETRO DE POLVO DE RAYOS X
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Aplicaciones Bioquímica DRX
Una de las técnicas de análisis que resultó de mayor utilidad para la comprensión de la estructura tridimensional de las biomoléculas fue la cristalografía de difracción de rayos X, ya que durante las décadas de los 60 y 70 se adelanto muchísimo en el reconocimiento de las proteínas y de moléculas involucradas en procesos biológicos.
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El análisis de las 4 estructuras de las proteínas fue abordado inicialmente mediante la técnica de difracción de rayos X. Esta técnica es aplicable al análisis de estructuras cristalinas.
Por otra parte, aplicando la técnica DRX a pequeños péptidos (dos o tres residuos aminoácidos) en estado cristalino Pauling y Carey pudieron conocer la estructura íntima del enlace pepitico.
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El primer investigador en dirigir su atención a la estructura tridimensional del DNA fue William Astbury. Ya en 1945, tras deducir de la elevada densidad de las muestras de DNA que los nucleótidos debían encontrarse en la cadena polinucleotídica fuertemente empaquetados o “apilados” unos sobre otros, obtuvo algunos difractogramas de RX de la molécula de DNA que, a pesar de su baja calidad, demostraban que efectivamente los nucleótidos se encontraban apilados con una separación de 0,34 nm entre cada dos restos sucesivos.
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A comienzos de los años 50 tres centros de investigación rivalizaban en el análisis de la estructura tridimensional de las biomoléculas mediante cristalografía de RX El Instituto de Tecnología de California (Cal Tech), dirigido por Linus PaulingEl Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge dirigido por Sir Lawrence H. Bragg El King’s College de Londres bajo la jefatura de John Randall, y contaba con la colaboración de Maurice Wilkins y de la experta cristalógrafa Rosalind Franklin
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El año 1962 marcó un hito al otorgarse dos premios Nobel por los resultados obtenidos usando métodos cristalográficos en esta área: el premio Nobel de Química fue concedido a Max Perutz y John Kendrew por sus estudios cristalográficos de las proteínas hemoglobina y mioglobina y el premio Nobel de Medicina a Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins por descubrir que el ADN forma una doble hélice. En 1964 Dorothy Hodgkin también obtuvo el premio Nobel de Química por la determinación de varias estructuras de importancia biológica, como la penicilina y la vitamina B12, entre otras
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Max Perutz y John Kendrew Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins
Dorothy Crowfoot Hodgkin Hodgkin fue pionera en la técnica de determinación de estructuras de
sustancias de interés bioquímico mediante rayos X. Hizo de la insulina su proyecto de investigación primaria, iniciando sus
investigaciones en 1934. Consiguió determinar la estructura tridimensional del colesterol (1937), penicilina (1945), vitamina B12 (1954), suprasterol (1961), insulina (1969) así como la de la lactoglobulina, ferritina y el virus del mosaico del tabaco, Hodgkin también se encaminó a la vitamina D2 y el antibiótico gramicidina.
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En la actualidad
En la actualidad vemos que la Difracción de Rayos X es ampliamente utilizado en muchos proceso, por ejemplo en la elaboración de nuevos fármacos.
Para ello debe de existir un objetivo que atacar y que el nuevo medicamento pueda acceder sin que su actividad se vea alterada
Luego, cabe determinar la estructura 3D de éste para desarrollar un candidato potencial mirando como se uniría cuando entrase en contacto con la diana que se quiere atacar.
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Una vez el nuevo fármaco ha sido descubierto, purificado, caracterizado y testado a nivel “in vitro” se pasará a hacer el ensayo clínico, una serie de
estudios para obtener datos sobre su eficacia y seguridad.
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El primer medicamento basado en el diseño tridimensional de su estructura fue la Dorzolamida (inhibidor de la anhidrasa carbónica), desarrollado y comercializado por la compañía Merck, con el nombre “Trusopt ®”2. Se usa en el tratamiento del glaucoma de ángulo abierto y la hipertensión ocular.
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Bibliografía
Charles W. Carter and Robert M. Sweet. (1997). Methods in Enzymology. Vol. 276. Molecular Crystallography
Rousseau J. Basic Crystallography. 1998. Jhon Wiley and Sons, Inc Chichester, England
scienceout.wordpress.com/2012/09/24/cristalografia-de-rayos-x-y-el-desarrollo-de-nuevos-farmacos/
Ciencia e ingeniería de los materiales D.R askelland. Caracterización de materiales , libro de J. Albella. Técnicas de caracterización RPS, consultoría de laboratorios S.L..
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