Röntgenkristallografi

Röntgenkristallografie, auch Röntgenkristallographie genannt, ist eine wissenschaftliche Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von Molekülen durch Analyse der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen. Die Methode beruht auf der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit der Elektronendichte im Kristall und wurde in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt, basierend auf den Arbeiten von Max von Laue sowie den Braggs.

Wenn ein Kristall mit Röntgenstrahlen getroffen wird, entstehen Beugungsmuster, die sich aus der konstruktiven Interferenz der Strahlen zusammensetzen. Das Bragg-Gesetz verknüpft Winkel und Gitterabstände mit den beobachteten Intensitäten; aus diesen Daten wird die Elektronendichte im Kristall rekonstruiert.

Typischer Arbeitsablauf umfasst Kristallzucht, Datenerfassung mit einer Röntgenquelle und einem Detektor, Phasenbestimmung, Strukturauflösung und Verfeinerung. Bei kleinen Molekülen ermöglichen direkte Methoden oder Patterson-Verfahren die Phasen. Bei Proteinen und anderen Makromolekülen kommen Phasenmethoden wie MIR, MAD oder SAD sowie modellbasierte Verfeinerung zum Einsatz.

Moderne Experimente verwenden oft Synchrotronstrahlung, um hochauflösende Daten zu gewinnen, sowie fortschrittliche Detektoren. Kryogene Kühlung reduziert Strahlenschäden. Die Auswertung erfolgt mit spezieller Software, die Phasen, Elektronendichte und das atomare Modell iterativ optimiert.

Historisch bedeutend, lieferte die Röntgenkristallographie grundlegende Einblicke in die Struktur zahlreicher Moleküle, darunter viele Naturstoffe und Proteine. Die Methode hat die Strukturbiologie, Pharmazie und Materialwissenschaft grundlegend geprägt. Nobelpreise wurden Max von Laue (1914) sowie William Henry Bragg und William Lawrence Bragg (1915) verliehen.

Einschränkungen: Es benötigt hochwertige Kristalle, Phasenprobleme, Strahlenschäden und geringe Kristallqualität bei beweglichen Strukturen. Für dynamische oder stark ungeordnete Systeme werden ergänzende Techniken wie NMR oder Elektronenmikroskopie eingesetzt.