Tip:
Highlight text to annotate it
X
Cred că cea mai bună explicaţie ar trebui să înceapă cu un citat din Max Perutz,
despre care cred că ilustrează ideea în cel mai bun mod posibil.
El spune: “De ce apa fierbe la 100 ºC şi metanul la –161 ºC;
De ce sângele este roşu şi iarba verde; de ce diamantul este dur iar ceara moale;
de ce grafitul lasă semne pe hârtie şi mătăsurile sunt rezistente;
de ce gheţarii se topesc şi fierul devine dur după prelucrare;
*** se contractă muşchii; în ce fel lumina soarelui face ca plantele să crească
în ce mod organismele vii au putut evolua dinspre forme simple spre forme din ce în ce mai complexe -
răspunsul la toate aceste probleme a venit dinspre analiza structurală”,
iar asta înseamnă de fapt că putem înţelege de ce lucrurile sunt aşa *** sunt
şi în ce fel îşi îndeplinesc rolul în natură,
descifrând cu exactitate modul în care atomii lor constituenţi se leagă unii de alţii
până în cel mai fin detaliu.
Astfel că un cristalograf în primul rând
îşi procură o mostră de o puritate foarte mare din substanţa pe care vrea să o studieze
iar dacă purifici suficient o substanţă, aceasta va lua o formă cristalină
ceea ce înseamnă că moleculele sale componente sunt aranjate
într-un mod perfect ordonat în trei dimensiuni.
Odată obţinută structura cristalină, aceasta se aşează în faţa unui fascicul de raze X,
se activează sursa de radiaţie şi se înfăşoară cristalul cu o piesă de film fotografic.
Aceasta era metoda folosită la începuturile cristalografiei; în prezent există moduri automatizate de a proceda,
dar ne putem reprezenta mental procedura mai bine astfel.
Aşadar, filmul foto înfăşoară cristalul bombardat cu raze X,
raze care sunt împrăştiate în toate direcţiile la contactul cu atomii cristalului,
de o manieră care face ca unele unde electromagnetice să se amplifice reciproc
şi atunci când lovesc filmul foto produc puncte luminoase.
În final se obţine o fotografie ce conţine un anumit tipar de puncte
situate în diferite poziţii şi de intensităţi luminoase diferite
iar ulterior se analizează aceste puncte - ceea ce la început se făcea 100% cu ochiul liber -
se folosea ca referinţă un set de puncte care se comparau cu cele din fotografia obţinută
la modul “deci, este mai întunecat sau mai luminos decât acesta?”,
şi apoi se trecea la următorul. Era extrem de plictisitor.
În final se urmărea obţinerea unei aşa-zise hărţi de contur
care ilustrează densitatea electronilor în interiorul moleculei studiate,
şi acest lucru este un indicator - acolo unde sunt mulţi electroni,
al faptului că acolo este prezent un atom.
Odată realizată această hartă,
şi asta la mai multe niveluri în interiorul cristalului
se pot alătura aceste fotografii obţinute pe niveluri pentru a da naştere unei imagini
a tuturor locurilor unde se găsesc atomi în cristalul studiat.
Ultima etapă constă de obicei în construirea unui model tridimensional,
prin folosirea unei "tehnologii" de genul bile-şi-beţe,
astfel încât să poţi pune modelul obţinut pe birou şi să-l roteşti,
să-l priveşti cu atenţie şi să încerci să înţelegi *** funcţionează.
Cristalografia cu raze X a început de fapt din întâmplare;
primii oameni care au direcţionat un fascicul de raze X spre un cristal
nu încercau nicidecum să afle lucruri despre acel cristal,
ci doreau să înţeleagă radiaţia X.
A fost o muncă întreprinsă în Germania de către un profesor pe nume Max Von Laue.
Australianul Lawrence Bragg, aflat în Regatul Unit în 1912, a citit despre studiile lui Max Von Laue şi a înţeles
că prin analiza tiparului de puncte obţinut,
se vor putea deduce poziţiile atomilor constituenţi ai cristalului,
iar el, împreună cu tatăl său, William Bragg, au realizat primul experiment
care şi-a propus chiar găsirea poziţiilor atomilor din structura cristalină studiată.
Au folosit sare obişnuită, un cristal cu o structură extrem de simplă,
format doar din atomi de sodiu şi clor,
în număr identic şi aranjaţi într-o structură cubică simetrică,
iar acesta a fost primul experiment autentic din zona cristalografiei cu raze X.
Între anii 1920 şi 1950, cristalografia cu raze X a devenit metoda preferată
de folosit la descifrarea structurii majorităţii moleculelor de mici dimensiuni
şi a început să fie luată în serios în discuţie în problematica studiului structurii proteinelor,
proteine precum hemoglobina, proteina care transportă oxigenul în fluxul sangvin,
şi insulina, proteina care reglează metabolismul zaharurilor în organism.
Până în 1951, la momentul Festivalului Britaniei,
era posibil deja să fie produse multe structuri interesante
pentru a fi folosite de către Grupul de Modelare al Festivalului, dintre care unele,
cele ale moleculelor mai mici precum cele la care lucrase Helen Megaw,
sau Gordon ***, erau structurile reale - se puteau observa aranjamentele 3D
locurile în care atomii erau dispuşi în interiorul cristalului.
În cazul proteinelor, insulină şi hemoglobină,
pe care Dorothy Hodgkin şi Max Perutz le-au furnizat pentru Grupul de Modelare al Festivalului,
tiparele oferite nu coincideau cu structura moleculelor.
Arătau ca nişte hărţi de contur, fiind obţinute
printr-o tehnică numită analiza Patterson,
care oferea unele indicii despre aranjamentul zonelor de mare densitate în cadrul moleculei,
dar nu putea preciza în mod clar poziţiile tuturor atomilor.
Cristalografia cu raze X este în prezent la fel de importantă ca oricând. Ba chiar mai importantă,
deoarece unul dintre rezultatele proiectului de decodificare a genomului uman
este faptul că se cunoaşte structura tuturor genelor umane
şi fiecare dintre aceste gene ajută la producerea unei proteine
şi nu ştim structurile tuturor acestor proteine
dar speranţele pentru viitorul medicinei,
se referă la înţelegerea structurii acestor proteine,
ceea ce ar duce la posibilitatea obţinerii de noi medicamente capabile să lupte cu boli netratabile în prezent,
precum cancerul, bolile creierului ş.a.m.d..
Ce s-a schimbat în metodologia de lucru din cristalografia cu raze X vine din zona tehnologiei.
Pentru a studia structurile cristaline complexe asociate proteinelor,
(proteinele nu sunt deloc uşor de cristalizat, iar când se reuşeşte acest lucru, cristalele sunt de obicei foarte mici),
este nevoie de fascilule foarte intense de raze X şi în prezent se obţine aşa-ceva
nu cu ajutorul micilor tuburi folosite odinioară pe mesele de laborator,
ci folosind acceleratoare uriaşe de particule asemenea sincrotronului de lângă Oxford,
capabil să producă fascicule foarte intense şi focalizate de radiaţie X,
care permit efectuarea rapidă a experimentelor
şi colectarea în timp util a datelor rezultate.
O altă minune a tehnologiei fără de care era imposibilă
folosirea tehnicii cristalografiei cu raze X pentru studierea structurii proteinelor
o reprezintă computerele performante, cu capabilităţi enorme de procesare
şi, de fapt, a fost nevoie de apariţia lor pentru descifrarea structurilor insulinei şi hemoglobinei -
nicio structură a vreunei proteine nu a fost descifrată înainte de apariţia computerelor,
şi, desigur, în prezent, calculatoarele sunt mult superioare celor existente atunci.
Astfel că este aproape un adevăr a spune că în zilele noastre procuri un cristal,
îl bombardezi cu raze X, iar datele sunt colectate în mod automat,
ajungând direct la computer, de la nivelul căruia sunt extrase datele.
În fapt lucrurile nu sunt chiar aşa de simple,
dar un lucru este cert: se poate descifra structura unei proteine în câteva săptămâni.
Max Perutz nu a încetat niciodată să studieze structura hemoglobinei
şi a avut nevoie de 22 de ani pentru a o obţine.