miniatura|Proceso de determinación de la estructura de una molécula por cristalografía de rayosX.
La cristalografía de rayosX es una técnica experimental para el estudio y análisis de materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en estado cristalino.
Los rayosX son difractados por los electrones que rodean los átomos por ser su longitud de onda del mismo orden de magnitud que el radio atómico. El haz de rayosX emergente tras esta interacción contiene información sobre la posición y tipo de átomos encontrados en su camino. Los cristales, gracias a su estructura periódica, dispersan elásticamente los haces de rayosX en ciertas direcciones y los amplifican por interferencia constructiva, originando un patrón de difracción.El término 'difracción de rayosX' se utiliza a menudo para referirse a la aplicación de este fenómeno a la cristalografía; sin embargo, es posible observar difracción por materiales no cristalinos. Por ejemplo, la estructura de la doble hélice de ADN se elucidó por primera vez usando datos de difracción de rayosX por fibras deshidratadas de ADN. Existen varios tipos de detectores especiales para observar y medir la intensidad y posición de los rayosX difractados, y su análisis posterior por medios matemáticos permite obtener una representación a escala atómica de los átomos y moléculas del material estudiado.
Max von Laue realizó los primeros experimentos de cristalografía de rayosX en 1912. Von Laue, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg desarrollaron inicialmente la teoría de difracción de cristales, tarea a la que pronto se sumaron otros científicos. A lo largo del tuvieron lugar varios avances teóricos y técnicos, como la aparición de los superordenadores y el uso de sincrotrones para la producción de rayosX, que incrementaron la capacidad del método para determinar las propiedades estructurales de todo tipo de moléculas: sales, materiales inorgánicos complejos, proteínas y hasta componentes celulares como los ribosomas. Es posible trabajar con monocristales o con polvo microcristalino, consiguiéndose diferentes datos en ambos casos: para las aplicaciones que requieren solo una caracterización precisa de los parámetros de la red cristalina, puede ser suficiente la difracción de rayosX por polvo; para una dilucidación precisa de las posiciones atómicas es preferible trabajar con monocristales.
Dada la relación existente entre la estructura tridimensional de las moléculas y sus propiedades químicas y físicas, la cristalografía ha contribuido al avance en varias disciplinas científicas como la química, la biología molecular, la geología, la física aplicada y la ciencia de materiales. La amplia disponibilidad de tubos de rayosX, complementada con el desarrollo de fuentes de rayosX de alta intensidad ha aumentado significativamente su impacto en estos campos de investigación así como en áreas con aplicaciones industriales, como el desarrollo de fármacos y la mineralogía aplicada. La mayor limitación de este método es la necesidad de trabajar con sistemas cristalinos, por lo que no es aplicable a disoluciones, a sistemas biológicos in vivo, a sistemas amorfos o a gases. En algunos casos, los rayosX pueden romper los enlaces químicos que mantienen la integridad estructural, lo que resulta en un modelo distorsionado de la molécula estudiada. Este problema afecta especialmente a los materiales de interés biológico.
Historia Primeros experimentos
La idea de que los cristales son una repetición periódica de un grupo de moléculas ya existía anteriormente a que Wilhelm Conrad Röntgen descubriera los rayos X en 1895. Aunque las distancias típicas entre los planos de la red cristalina se desconocían, se sabía que debían ser muy pequeñas comparadas con la longitud de onda de la luz visible. Esto le dio al físico alemán Max von Laue la idea de utilizar cristales de sulfato de cobre para determinar si los rayos X se componían de partículas u ondas: dedujo que, si fueran ondas, deberían generar un patrón de difracción al atravesar los cristales.Esta cuestión fue resuelta definitivamente cuando de Broglie introdujo en 1924 el concepto de la dualidad onda partícula. Los experimentos se realizaron en 1912, con la ayuda de Walter Friedrich y Paul Knipping, ambos antiguos estudiantes de Röntgen. Estos experimentos confirmaron la presencia de difracción cristalina, interpretada por von Laue como la extensión a tres dimensiones de la difracción de Fraunhofer por un enrejado.
Poco después, los británicos William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (padre e hijo respectivamente) reprodujeron el experimento. W.L. Bragg explicó la difracción como la interferencia de los rayos X reflejados por planos cristalinos paralelos, introduciendo la descripción conocida desde entonces como la ley de Bragg. En 1913, Paul Ewald demostró que las dos interpretaciones de los resultados publicadas independientemente por von Laue y Bragg eran equivalentes. Von Laue recibió el premio Nobel de Física en 1914 por su descubrimiento del fenómeno, y los Bragg recibieron el mismo premio un año más tarde por su trabajo en las aplicaciones prácticas.Debido al comienzo de la Primera Guerra Mundial, en la que Suecia deseaba mantenerse estrictamente neutral y no dar la impresión de que se favorecía a ningún país contendiente, los premios no fueron otorgados hasta después de la guerra. Hacia el final de la década, se había logrado determinar las longitudes de onda de los rayos X y la estructura de varios compuestos inorgánicos simples y se habían establecido las bases teóricas de la técnica gracias al trabajo de los ya mencionados investigadores, Charles Galton DarwinNieto de Charles Darwin, autor de El origen de las especies. y Peter Debye, entre otros.
El desarrollo de la técnica: 1920-1960 El período entre 1920 y 1960 se caracterizó por importantes adelantos metodológicos que propiciaron el empleo de la difracción de rayos X para analizar estructuras de moléculas más complejas.
Durante la década de 1920, los avances de la teoría cuántica sirvieron para caracterizar más precisamente la interacción entre los rayos X y los átomos de los cristales; esto posibilitó el análisis correcto de la intensidad de la difracción. En la misma época aparecieron las tablas para determinar la simetría cristalina a partir de la distribución de reflexiones en el patrón de difracción y se empezaron a usar las series de Fourier para representar la distribución de electrones en la red cristalina. Los desarrollos en la representación matemática de la densidad electrónica continuaron hasta la Segunda Guerra Mundial, facilitando la obtención de las primeras estructuras de moléculas orgánicas. En 1935, el cristalógrafo británico Arthur Patterson descubrió un truco matemático para obtener las distancias interatómicas directamente a partir de los datos experimentales, lo que supuso un importante avance en el análisis de la difracción.
Entre las décadas de 1940 y 1960, surgieron otros procedimientos para la determinación de estructuras, especialmente, métodos heurísticos basados en el proceso de ensayo y error, que demostraron ser bastante exactos en combinación con restricciones condicionantes basadas en las propiedades físicas de una estructura correcta, como por ejemplo, que la densidad electrónica debe ser siempre positiva. En este período la cristalografía empezó a adquirir importancia en el campo de la química orgánica, proceso que culminó con la determinación en 1957 de la estructura de la vitamina B12, un proyecto liderado por Dorothy Hodgkin.
Avances en cristalografía de macromoléculas: 1960-1980 El adelanto más trascendente durante las décadas de los 60 y 70 fue el reconocimiento de la cristalografía de proteínas y de moléculas involucradas en procesos biológicos en general como área de investigación clave en la biología molecular. 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.
Un adelanto que facilitó en gran medida el éxito de las técnicas cristalográficas tanto en el caso de macromoléculas orgánicas con un gran número de átomos como en el de moléculas de menor tamaño fue el desarrollo de ordenadores digitales; gracias a ellos fue posible usar programas para medir y analizar fácilmente los datos obtenidos en los experimentos en vez de realizar los laboriosos cálculos manualmente. Sin embargo, al final de este período el estudio de proteínas estaba aún limitado por la ausencia de fuentes de rayos X intensos y el empleo de película fotográfica para medir los patrones de difracción, lo que requería un largo proceso de revelado y digitalización de las imágenes.La medición individual de reflexiones de rayos X emergentes en diferentes direcciones con un fotodetector unidimensional, que facilitó la automatización de los experimentos con moléculas pequeñas durante este periodo no resultaba práctica en el caso de moléculas con muchos átomos, debido a la enorme cantidad de reflexiones presentes en este caso. A consecuencia de estas limitaciones, y a pesar del reconocimiento generalizado del potencial de la cristalografía para estos experimentos, a finales de la década de 1970 el Banco de Datos de Proteínas solo contaba con unas sesenta entradas.
Expansión y madurez: 1980-2010
Los tubo de rayos X, con sucesivas mejoras, se utilizaron como la fuente primordial de rayosX para los experimentos de cristalografía desde sus comienzos hasta la década de 1970, época en la que se empezó a experimentar con la radiación de sincrotrón de rayosX. Los sincrotrones dedicados exclusivamente a la producción de rayosX aparecieron en la década de 1980 y su número no ha dejado de aumentar desde entonces.Véase la lista en Anexo:Fuentes de luz sincrotrón. En la primera década del se construyeron los primeros láseres de electrones libres de rayos-X, capaces de producir haces de luz pulsada de una intensidad de órdenes de magnitud mayor que en las fuentes de luz sincrotrón convencionales. La duración de los pulsos de luz, del orden de femtosegundos ofrece la posibilidad de observar cambios en los cristales a escalas temporales inalcanzables anteriormente. Durante estos años también se desarrollaron nuevos detectores bidimensionales o «de área», capaces de generar directamente una imagen digitalizada del patrón de difracción. Estos detectores facilitaron la rápida medición y análisis de la difracción y sustituyeron totalmente a las placas fotográficas usadas hasta entonces.
Los mencionados avances, unidos al incremento de la capacidad de los ordenadores modernos para almacenar y procesar datos, han permitido llevar a cabo experimentos antaño irrealizables, y han desembocado en un aumento exponencial del número de estructuras elucidadas por métodos cristalográficos. El desarrollo más notable ha tenido lugar en el área de las macromoléculas orgánicas, con más de 88 000 estructuras depositadas en el Banco de Datos de Proteínas al comienzo de 2013. La obtención en 2000 de la estructura del ribosoma, un enorme complejo de ácidos nucleicos y varias proteínas donde tiene lugar la síntesis de proteínas en la célula, ilustra las capacidades que ha alcanzado la técnica.
Aspectos físicos Cristales y redes cristalinas miniatura|izquierda|Estructura cristalina de cloruro de hidrógeno deuterado con la celda unidad superpuesta sobre las moléculas. La red cristalina se forma mediante la translación de la celda unidad a lo largo de las direcciones definidas por y .