Röntgenstrukturanalyse

Die Röntgenstrukturanalyse ist ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur kristalliner Festkörper. Das Verfahren basiert auf der Beugung von Röntgenstrahlen an den regelmäßig angeordneten Atomen, Ionen oder Molekülen eines Kristalls. Die Analyse der Beugungsmuster ermöglicht es, die genaue Anordnung der Teilchen in der Elementarzelle (der sich wiederholenden Baueinheit eines Kristalls) zu bestimmen.

Grundprinzip

Das Verfahren der Röntgenstrukturanalyse beruht auf der Wechselwirkung von monochromatischer Röntgenstrahlung mit einem Kristall.

"Monochromatisch" heißt hier, dass sich die Röntgenstrahlung aus Wellen mit der gleichen Frequenz oder Wellenlänge zusammensetzt - im Gegensatz zum Beispiel zum sichtbaren Licht, dass sich aus Komponenten mit vielen verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt.

Die Beugungsmuster werden mit Hilfe von Detektoren aufgezeichnet. Mit recht komplexen mathematischer Verfahren wird aus diesen Beugungsmustern ein dreidimensionales Elektronendichteprofil berechnet. Aus der Verteilung der Elektronendichte im Kristall kann die genaue Struktur der Elementarzelle erschlossen werden. Nicht nur Ionenkristalle, sondern auch Kristalle aus Atomen und Molekülen können auf diese Weise analysiert werden. Sogar bei großen Molekülen wie Proteinen und Nucleinsäuren funktioniert die Röntgenstrukturanalyse.

Röntgenstrukturanalyse eines Proteins
Thomasgl, Public domain, via Wikimedia Commons

Dieses Bild zeigt die Elektronendichteverteilung in einem Protein. Die Struktur des Proteins wird dann 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." ^[2]

Das wohl bekannteste Beispiel ist die Aufklärung der DNA-Struktur durch James Watson und Francis Crick, die auf Röntgendaten von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins basierten.

Röntgenstrukturanalyse eines Proteins
Emily Willoughby, CC0, via Wikimedia Commons

Hier sehen wir das Photo Nr. 51 der Röntgenbeugungsvesuche von Rosalind Franklin. Mit Hilfe solcher Aufnahmen gelang es dann Watson und Crick, die Struktur der DNA aufzuklären.