la materia vista sotto "una luce diversa" Ennio Zangrando Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche ezangrando@units.it RADIOGRAFIA DELLE MOLECOLE la materia vista sotto "una luce diversa"

La risposta… nell’analisi della struttura ! PERCHE ? …l’acqua bolle a 100 °C …il sangue è rosso, la foglia verde ? …il diamante è duro, la cera è soffice ? La risposta… nell’analisi della struttura !

E’ possibile vedere di quali atomi è fatto un materiale E’ possibile vedere di quali atomi è fatto un materiale ? … il microscopio ? Robert Hooke, (1635 – 1703)

...analisi ai raggi X Cristallografia ! Cosa significa conoscere la struttura ? Conoscere il numero e il tipo di atomi e la loro posizione relativa Perché conoscere la struttura ? le proprietà di un materiale dipendono dalla struttura Come si determina la struttura ? ...analisi ai raggi X Cristallografia !

L’ attuale comprensione e concezione della natura della materia nel mondo in cui viviamo è fortemente basata sulle conoscenze apportate dalla cristallografia Una trentina di premi Nobel sono collegati o coinvolgono l'uso di metodi e tecniche cristallografiche !

consiste di un ordine 3D di atomi, ioni o molecole. Cristallo: corpo anisotropo, omogeneo che consiste di un ordine 3D di atomi, ioni o molecole. salgemma quarzo saccarosio NaCl SiO2 C12H22O11 Teofrasto (ca 300 aC), "De Lapidibus" Keplero (1611), "De nive sixangula"

…oggetti che si ripetono periodicamente 1D, cardiogramma 2D, carta da parati 2D, favo d’api

Struttura cristallina in 2D Reticolo cristallino Cella elementare

Struttura cristallina g b Cella elementare a b c

7 sistemi cristallini, 14 reticoli Triclino P Monoclino P, C Romboedrico R Rombico P, I, C, F Esagonale P Tetragonale P, I Cubico P, I, F

1895, scoperta dei raggi X Wilhelm Conrad Röntgen

Sorgente di raggi X

0.1 - 100 Å n ·l = c edifici persone insetti spilli cellule molecole atomi nuclei atomici

il cristallo ha una struttura periodica ordinata Max Von Laue scopre che i RX vengono diffratti da un cristallo secondo direzioni ben definite (1911) CuSO4 ZnS il cristallo ha una struttura periodica ordinata la  dei RX è paragonabile alle distanze interatomiche.

…figure di interferenza caratterizzate da DIFFRAZIONE è un fenomeno che avviene tutte le volte che la luce incontra un ostacolo o un’apertura di dimensioni paragonabili alla sua l. …figure di interferenza caratterizzate da massimi e minimi di luminosità (interferenza costruttiva e distruttiva).

W. Henry Bragg e W. Lawrence Bragg Struttura cristallina di NaCl (1913), KCl, diamante Premi Nobel x la fisica (1915)

Cristallografia Fisica Chimica Metallurgia Scienza dei materiali Biologia molecolare Biochimica Medicina

Kathleen Lonsdale Struttura benzene C6H6 (1929) “ La determinazione della struttura tridimensionale ci fornisce il punto di partenza per la comprensione di ogni proprietà chimica, fisica e biologica della molecola “ Hoffmann R.

Raggi X monocromatici (l) Esperimento di diffrazione raggi X su cristallo singolo diffrazione Piani cristallografici Raggi X monocromatici (l) Sorgente RX Spettro di diffrazione l dei RX = 0.7 – 1.7 Å

i responsabili della diffrazione ! gli elettroni … i responsabili della diffrazione ! fascio raggi X onda generata sorgente di raggi X

+ = + + Interferenza tra onde parzialmente fuori fase interferenza costruttiva e distruttiva onde in fase in opposizione di fase

Piani cristallografici

Diffrazione = Riflessione dei raggi X RX incidenti RX diffratti q q O q d P Legge di Bragg: 2d·sen q = n l

Migliaia di diffrazioni ! Figura di diffrazione: RX diffratti sono raccolti su un detector o su una lastra fotografica Migliaia di diffrazioni ! - Le posizioni dipendono dai parametri della cella elementare - L’ intensità dipende dal tipo di atomi e dalla loro posizione nella cella elementare.

microscopio diffrazione RX Luce cristallo Pattern diffrazione Mappa densità elettronica Nel microscopio

Spettro di diffrazione Mappa di densità elettronica molecola in 3D

Cl- Na+ Mappe di densità elettronica: immagini delle molecole ingrandite ca. 100 milioni di volte Na+ Cl-

Trasformata di Fourier Intensità dei raggi diffratti Fase dei raggi !

…fase… di "migliaia" di riflessioni (!) ma... la "fase" dipende dalle posizioni atomiche (sic !) Esistono vari metodi per risolvere il problema…

Impaccamento cristallino Unità asimmetrica

Biocristallografia = cristallografia applicata alle molecole biologiche per conoscere la struttura di proteine, zuccheri, vitamine, DNA … Cristalli di lisozima

…e raggi X da luce di sincrotrone (Elettra, Trieste) • Ridotto tempo di raccolta dei dati da 1-5 giorni a 1-5 ore • Migliore qualità dei dati

DNA “ icona della biologia molecolare “ Rosalind Franklin e Raymond Gosling (1952) F. Crick, J. Watson, M. Wilkins Nobel per la medicina (1962) “struttura molecolare degli acidi nucleici“

Dorothy Hodgkin premio Nobel chimica (1964) Vitamina B12 (1954) Penicillina (1945) Insulina (1969)

M. F. Perutz e J. C. Kendrew, Nobel chimica (1962) Struttura molecolare dell’emoglobina e mioglobina Fe-eme

Struttura secondaria delle proteine foglietto b a elica catena polipeptidica

Cristalli di proteine … 30-80% di acqua Quali condizioni chimico-fisiche ? Cristalli di proteina ottenuti nello spazio Cristalli di proteina ottenuti sulla terra

CRISTALLOGRAFIA… UNA PALLA, AMICO…! GRAZIE !