stogodišnjica rendgenske kristalografije, kem. ind. 62

Stogodišnjica rendgenske kristalografije

B. Kojiæ-Prodiæ* i K. MolèanovInstitut Rudjer Boškoviæ, Bijenièka cesta 54, 10 000 Zagreb

The important thing in science is not so much to obtain new factsas to discover new ways of thinking about them.

W. L. Bragg

Stogodišnjica rendgenske kristalografije veÞe se uz prvi pokus difrakcije rendgenskih zraka koji sus kristalom modre galice izveli njemaèki fizièari W. Friedrich i P. Knipping prema ideji i teorijskompredviðanju M. von Lauea 1912. Matematièka formulacija pojave, kao i temeljne postavke zna-nosti o graði kristala – kristalografije, u to vrijeme vezane uz mineralogiju, pogodovale su razvitkumetode za odreðivanje geometrijske strukture tvari na atomnoj razini. Veæ su 1913. otac i sinBragg zapoèeli stvarati temelje za primjenu rendgenske difrakcije u odreðivanju kristalnih struktu-ra jednostavnih molekula. Povijesni primjeri odreðivanja struktura od kuhinjske soli do sloÞenih,za Þivot bitnih, (makro)molekula, kao globularnih proteina hemoglobina i mioglobina, DNA, vita-mina B12, te novog otkriæa ribozima, ilustriraju razvojni put rendgenske strukturne analize.Otkriæe trodimenzijskih struktura tih molekula metodom rendgenske difrakcije pokrenulo jenove znanstvene discipline poput molekularne biofizike, molekularne genetike, strukturne mo-lekularne biologije, bioanorganske kao i organometalne kemije i niza drugih disciplina. Otkriæe irazvoj rendgenske kristalografije revolucioniralo je naše spoznaje u svim podruèjima prirodnihznanosti: fizici, kemiji, biologiji, geološkim znanostima i znanosti o materijalima. Znanstvena jav-nost prepoznala je ta temeljna znanstvena postignuæa (ukljuèujuæi i otkriæe X-zraka) dodijelivšiNobelove nagrade tridesetdevetorici znanstvenika i dvjema znanstvenicama. Eksplozivan razvojznanosti i tehnologije tijekom 20. i 21. stoljeæa temelji se na spoznajama o detaljnoj trodimenzi-jskoj graði molekula i njome predviðenih i objašnjenih fizièkih, kemijskih, bioloških i farmako-loških svojstava molekula. Jedan od svjeÞih primjera, koji je bilo teško predvidjeti, uspješna je inedovršena prièa o grafenima, koja puni naslovnice vodeæih znanstvenih èasopisa kao što suScience, Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry i Nature Physics.Suvremena kristalografska istraÞivanja pokrivaju široko podruèje znanosti i veoma su inovativna,te nije uputno predviðati u kojim æe se smjerovima nastaviti razvijati.

Kljuène rijeèi: Rendgenska difrakcija, kristalografija, kemijska veza, bioznanosti,kemija materijala, povijest kemije

Uvod

Otkriæe rendgenskih zraka samo po sebi bilo je veomaznaèajno i okarakterizirano je kao jedna od najznaèajnijihspoznaja našeg vremena. Meðutim interpretacija difrakcijeX-zraka u kristalu 1912. otvorila je brojne diskusije i ne-suglasice znanstvenika. Ogranièeno znanje o graði atoma iprirodi zraèenja te potpuno nepoznavanje graðe kristalabile su uzrokom opreènih stavova. Istaknuti teorijski fizièartog vremena Arnold Sommerfeld nije mogao pojmiti dadeset godina nakon Röntgenova otkriæa nije razjašnjenapriroda X-zraka. Došlo je do brojnih rasprava izmeðu samogA. Sommerfelda, M. von Lauea i P. P. Ewalda. Štoviše,Sommerfeld nije bio sklon da Knipping izvede planiranipokus raspršenja rendgenskih zraka u kristalu jer ga jedrÞao besmislenim. Eksperimenti oca i sina Bragga, koji suuslijedili nakon objave rada Friedricha, Knippinga i vonLauea1 1912. pospješili su istraÞivanja o svojstvima i prirodirendgenskih zraka, pa su se pojavile tri inaèice dinamièketeorije difrakcije predstavljene Darwinom, Ewaldom i von

Laueom, èije je provjeravanje i usklaðivanje trajalo pedese-tak godina.

U proteklih sto godina rendgenska difrakcija prerasla je usuvremenu i moænu metodu, koja je pridonijela mnogimvelikim otkriæima temeljenim na poznavanju trodimen-zijske strukture (makro)molekula i radikalno utjecala napoimanje kemijske veze i spoznaje o mehanizmima Þivot-nih procesa. Povezivanje strukture molekula i njihovihsvojstava nametnulo je interdisciplinarni pristup, i danas jeteško zamisliti podruèje u kojem se ne primjenjuju rezultatirendgenske difrakcije. Tehnološki napredak potpomogaoje unapreðenje eksperimentalnih ureðaja, razvoj elektro-nièkih raèunala i algoritama. Time je omoguæen neprestanrazvoj metode, što nam pruÞa nesagledive moguænosti uširenju naših spoznaja.

Rendgenska kristalografija danas predstavlja široko pod-ruèje istraÞivanja, i prikazivanje njezinog razvoja tijekomproteklog stoljeæa nije jednostavan poduhvat. Izbor bitnihelemenata razvoja moÞe biti subjektivan pogled autora ineminovno nosi ogranièenja s obzirom na opseÞnost prika-za. Struènjaci u podruèju kristalografije i oni koje zanimajupojedinosti mogu se posluÞiti prigodnom literaturom.2–8

B. KOJIÆ-PRODIÆ i K. MOLÈANOV: Stogodišnjica rendgenske kristalografije, Kem. Ind. 62 (7-8) 247–260 (2013) 247

KUI – 15/2013Prispjelo 7. prosinca 2012.

Prihvaæeno 29. sijeènja 2013.

* Autor za dopisivanje: dr. sc. Biserka Kojiæ-Prodiæe-pošta: [email protected]

Raznorodnost i interdiscplinarni pristup karakteristièni zarendgensku kristalografiju nametnuli su potrebu za inten-zivnom suradnjom i dobrom organizacijom diljem svijeta,koja je ostvarena u okviru Meðunarodne kristalografskeunije, velikim zalaganjem P. P. Ewalda, R. C. Evansa i SirW. L. Bragga. Prvi sastanak Meðunarodne kristalografskeunije odrÞan je na Sveuèilištu u Harvardu, srpnja 1948.Ewald je bio prvi predsjednik, W. L. Bragg zamjenik, apoèasni predsjednik M. von Laue. Ewald je takoðer pokre-nuo èasopis Acta Crystallographica, u kojem je djelovaokao glavni urednik do 1960. Prijedlog za naziv èasopisapotjeèe od ruskog suurednika A. V. Šubnikova.

Kako bi se uspostavila što bolja suradnja meðu svjetskimkristalografima, uz nacionalna udruÞenja utvrðene su i or-ganizacije po kontinentima. Zbog nedostatka uvjeta i komu-nikacije zemlje Afrike, posebno Magreba i JuÞnoafrièkeUnije, vezane su uz Europsku kristalografsku udrugu.Hrvatska kristalografska zajednica osnovana je 1992. uokviru Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti te djelujeu sklopu europske i svjetske asocijacije (www.hazu.hr/kri-stalografi/IUCr/introduction.htm).9

Iz povijesnih razloga zanimljivo je spomenuti da je Ewalduredio i napisao veæi dio knjige8 posveæene obiljeÞavanjupedesetogodišnjice rendgenske difrakcije (1962.) i tom pri-godom pisao o kristalografiji u Jugoslaviji, što navodimoizvorno:

The first paper to be published was a powder diffractionstudy for the identification of bauxites by M. Karšulin, A.Tomiæ and A. Lahodny and dates from 1949. But the intro-duction of single-crystal methods and of Beevers-Lipsonstrips is due to D. Grdeniæ (1950) who received his trainingwith A. I. Kitaigorodskii at the Institute for Organic Chemi-stry in Moscow. The centers of research are the physical,physicochemical and mineralogical institutes at the univer-sities of Zagreb and Belgrade, the Institute for NuclearScience in Belgrade and the industrial institute for lightmetals in Zagreb. In Prof. Grdeniæ’s chemical institute‘Ruðer Boškoviæ’ of the Zagreb University inorganic andorgano-metallic compounds are being investigated, while inthe physics institute small angle scattering is applied to col-loid systems.

* * *

The above discussion represents a fairly good sampling ofthe growth of diffraction methods in countries with a longtradition in crystallography and mineralogy, and in thosewhere research is only recent. Among the countries notmentioned above are Belgium and India; Poland, Pakistan,Korea; and the Chinese Peoples Republic.

Povijest otkriæa

Potaknut Maxwellovim otkriæem teorije elektromagnetskihvalova, 8. 11. 1895. W. C. Röntgen10 iz Würtzburga otkrioje zraèenje nepoznata porijekla i svojstava, koje je stoganazvao X-zrakama. Kako bi uèinio svoje otkriæe uvjerljivi-jim sebi i drugima, zamolio je svoju suprugu Berthu da staviruku u snop “nepoznatih zraka” i zabiljeÞio je na filmu. Sli-ka Berthine šake s prstenom, snimljena 22. 12. 1895. (slika1), obišla je brzo cijeli svijet, kao i stotinu godina poslijeprigodom obiljeÞavanja stogodišnjice Röntgenova otkriæa.

S l i k a 2 – Oglas koji najavljuje “èuda X-zraka”, tiskan je 1896.

F i g. 2 – An 1896 advertisement

Otkriæe je imalo velik odjek jer je svima koji su ugledalisnimku bila jasna snaga otkriæa zraka, koje mogu pokazatifinu graðu Þivih i neÞivih tvari nevidljivu ljudskom oku(slike 1 i 2). Stoljetna Þelja èovjeka da vidi unutrašnjostljudskog tijela, koju su ostvarivali skalpelom, ovjekovjeèenana skicama Leonarda da Vincija ili Satu anatomije dr. Nico-laesa Tulpa (slika 3), postala je realnost.

248 B. KOJIÆ-PRODIÆ i K. MOLÈANOV: Stogodišnjica rendgenske kristalografije, Kem. Ind. 62 (7-8) 247–260 (2013)

S l i k a 1 – Radiografija šake gospoðe Röntgen snimljena 1895. uWürtzburgu

F i g. 1 – A radiograph of Mrs. Röntgen's hand taken in Würtz-burg, 1895.

Svijet je spoznao snagu i domet Röntgenova otkriæa10 i1901. mu je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku, kojomje zapoèelo nagraðivanje Nobelovim nagradama vrhunskihotkriæa u podruèju fizike. X-zrake su po njemu nazvanerendgensko zraèenje. Iako je primjena tog zraèenja bilasvestrana, u medicini i brojnim tehnologijama veæ tri mje-seca nakon objave otkriæa, ipak suvremenici nisu imali nipribliÞnu ideju o dalekoseÞnosti otkriæa. Veoma znaèajankorak prema takvoj spoznaji uèinio je, sedamnaest godinanakon Röntgenova otkriæa, Max von Laue smatrajuæi dakristal moÞe raspršivati X-zrake. Njegova prva interpretacijabila je temeljena na kinematièkoj teoriji difrakcije. Šire-njem spoznaja o prirodi i svojstvima X-zraka i von Laue sepriklonio dinamièkoj teoriji. Nije neobièno da je Max vonLaue postavio teoriju o pojavi kojoj je još nedostajala eks-perimentalna potvrda jer je uz kreativan um imao izvrsneuèitelje. Doktorat je izradio pod mentorstvom M. Plancka ihabilitaciju kod A. Sommerfelda. Prilikom vrednovanja vonLaueova otkriæa treba se prisjetiti da je u teorijama o graðiatoma, osim postojeæih Daltonova modela iz 1803. i Thom-sonova modela s elektronom – “groÞðica u pudingu” iz1897., ozbiljnije prepoznavanje subatomskih èestica kre-nulo s modelima N. Bohra 1913. i deset godina poslije sRutherfordovim modelom. Tek nakon djelomiènih modelarazvojem kvantne teorije uspostavljen je moderni valnimodel, koji se još uvijek nadopunjuje. U tijeku je obiljeÞa-vanje stogodišnjice modela atoma danskog fizièara NielsaBohra.

W. Friedrich i P. Knipping1 izveli su pokus s kristalommodre galice (bakrov sulfat pentahidrat) Þeleæi razriješitinedoumicu o prirodi “nepoznatih” zraka (slike 4 i 5). Pokusje otkrio valnu prirodu zraka potvrdivši ideju von Lauea1,11

za koju mu je 1914. dodijeljena Nobelova nagrada. Veza-no uz otkriæe i podjelu Nobelove nagrade Maxu von LaueuzabiljeÞena je javna izjava samog dobitnika koji je drÞao dabi bilo ispravno dijeliti nagradu s Friedrichom i Knippin-gom. Dosljedno tome on je samoinicijativno podijelionovèani iznos nagrade s tim istraÞivaèima. Nema sumnje

da ga je uz iznimno kreativan um krasila i izuzetna osob-nost.

U studenom 1912. dvadesetdvogodišnji W. Lawrence Braggobjasnio je znaèenje sloÞene Laueove snimke kristala kori-


S l i k a 3 – Rembrandt van Rijn naslikao je 1632. Sat anatomijedr. Nicolaesa Tulpa, sliku pohranjenu u galeriji Mauritshuis, DenHaagF i g. 3 – Rembrandt van Rijn painted in 1632 Anatomy Lessonof Dr. Nicolaes Tulp, The Mauritshuis Museum, Den Haag

S l i k a 4 – Prva snimka rendgenske difrakcije u kristalu, koju su1912. snimili Friedrich i Knipping (kristal miruje i obasjava se “bije-lim rendgenskim zrakama”, metoda koja je nazvana po von Laueu)F i g. 4 – The first photograph of diffraction of X-rays in a cry-stal, recorded in 1912 by Friedrich and Knipping (Laue method;white radiation – polychromatic radiation was used)

S l i k a 5 – Neznatno usavršen ureðaj Friedricha i Knippinga: lije-vo je rendgenska cijev ispred koje stoji sigurnosni zaslon i potomkolimator te nosaè kristala i iza njega film za biljeÞenje difrakcijezraèenja u kristaluF i g. 5 – Somewhat advanced aparatus of Friedrich and Knip-ping: to the left is X-ray tube and in front of it is a protecting screen,collimator, a sample holder with a crystal, and finally a photo-graphic film

steæi se analogijom s vidljivom svjetlošæu. On je zamislio dase rendgenske zrake raspršuju na “mreÞnim ravninama”(slika 6) u kristalu12 (Braggov zakon). Obiteljski tandem, sinW. L. Bragg i otac W. H. Bragg (slika 7) napravili su prvispektrometar,13 kojim je W. L. Bragg 1913. odredio unu-tarnju graðu kristala NaCl (kuhinjske soli), KCl, KBr i KI.14

Iste godine objavljene su i strukture dijamanta, kalcita ipirita.

S l i k a 6 – MreÞne ravnine u kristalu, s pripadajuæim Millerovimindeksima

F i g. 6 – Lattice planes in a crystal, with their correspondingMiller indices

S l i k a 7 – Dobitnici Nobelovih nagrada za fiziku (s lijeva nadesno): 1914. Max von Laue, 1915. William Henry Bragg (otac) iWilliam Lawrence Bragg (sin, u 25. godini Þivota postao je laureat)

F i g. 7 – Nobel Laureates for physics (from left to right): 1914.Max von Laue, 1915. William Henry Bragg (father) i WilliamLawrence Bragg (son, at age of 25 he was Nobel Laureate)

Veæ 1916. Debye i Scherrer15 te neovisno Hull16 (1917.) uAmerici otkrili su metodu difrakcije u kristalnom prahu,koja ima iznimno veliku upotrebu u znanosti o materi-jalima i ogromnu primjenu u identifikaciji svih kristalnihtvari. Ta metoda razvila se kao neovisno podruèje rend-genske difrakcije u odnosu na metodu monokristala iznatno je pridonijela interdisciplinarnosti podruèja.

Kljuèna ideja u odreðivanju strukture iz difrakcijske slikepotjeèe od W. H. Bragga,17 koji je povezao periodièniraspored atoma u kristalu s Fourierovim redovima. Mate-matièka obrada te pojave, kljuèna za rendgensku struktur-nu analizu, prepoznata je 1915. kao vrhunsko znanstvenootkriæe te ocu i sinu Braggu donijela Nobelovu nagradu.Primjena te nove metode vodila je k temeljnoj reviziji idejau mnogim podruèjima znanosti. SaÞeto je to definirao1968. W. L. Bragg:18 “Razvoj rendgenske kristalografije od

1912. nadmašio je naša prva oèekivanja. Ne samo da jeotkrio kako su atomi rasporeðeni u razlièitim tvarima negoje rasvijetlio prirodu sila koje djeluju meðu njima kao irazlièita svojstva tvari. U mnogim sluèajevima te novespoznaje vodile su u reviziju ideja u drugim granama zna-nosti.” Slobodno moÞemo reæi da su istraÞivanja nakon1968. premašila i Braggova predviðanja. Razumijevanjeporijekla i mehanizama Þivota te primjena tih spoznaja umedicini i farmakologiji, kao i u inÞenjerstvu novih materi-jala, pruÞaju uvjerljivu sliku razvoja metode, o èemu æe bitirijeè u odjeljku: Otkriæa postignuta rendgenskom difrakci-jom izmijenila su postojeæe spoznaje i otvorila vidike k vizi-jama bliske i dalje buduænosti.

Teorijske osnove rendgenske difrakcije

Suvremene spoznaje o graði atoma omoguæavaju jasnopoimanje principa rendgenske difrakcije kao interakcijutvari i rendgenskog zraèenja. Raspršenje zraèenja zbiva sena elektronima atoma (Thomsonovo raspršenje) u kristalu.Rezultirajuæe raspršeno zraèenje ovisi o unutarnjem raspo-redu atoma u kristalu-strukturi – definiranoj geometrijskimparametrima i snazi raspršenja na svakom atomu (brojuelektrona i volumenu kojeg oni zauzimaju).

Kristal moÞemo opisati kao tvorevinu sastavljenu od perio-dièkog niza malih trodimenzijskih graðevnih blokova, zva-nih jediniène æelije, koje su definirane trima neravninskimvektorima i kutovima meðu njima i opisane simetrijom (14Bravaisovih rešetki). Zbog te periodiènosti, ako raspršenjesa svake jediniène æelije nije u fazi, neæemo opazitiraspršenje zbog destruktivne interferencije. Stoga moÞemorazmatrati raspršenje samo na jediniènoj æeliji. Kada volu-men V na udaljenosti r od ishodišta jediniène æelije obasja-mo snopom koji se širi u smjeru s0 (s0 = 1/�), amplitudaraspršenog vala proporcionalna je s V�(r)dr [�(r) predstavljaelektronsku gustoæu u poloÞaju definiranom vektorom r,vektori su otisnuti masno kurzivom, dok su skalari kurziv-no]. Kako bi se uzela u obzir interferencija sa zrakamaraspršenim na elektronskoj gustoæi na raznim poloÞajima(atomima), moramo razmatrati i njihove faze (definirane sobzirom na ishodište jediniène æelije). Kada doðe doraspršenja u smjeru s, faza je odreðena s

2� S · r (S � s – s0)

Ukupno raspršenje preko cijelog volumena jediniène æelijeV, normirano prema raspršenju slobodnog elektrona, pred-stavlja Fourierov transformat:

F(S) = ��(r)exp(2�i S · r) dV

Velièina F(S) zove se strukturni faktor i temeljna je u rend-genskoj kristalografiji.

U rendgenskoj strukturnoj analizi primjenjuje se Fouriero-va inverzija:

F(S) = F [�(r)]�(r) = F [F(S)]

Bitan je problem što F(S) predstavlja kompleksnu velièinu,gdje je

F(S) = |F(S)|exp(i�s)

pri èemu mjerimo intenzitet raspršenog zraèenja – amplitu-du – proporcionalnu |F(S)|2, dok fazu ne moÞemo izmjeriti


u difrakcijskom pokusu. Kljuèni problem u rendgenskojstrukturnoj analizi poznat je kao “fazni problem”. Kakobismo izraèunali elektronsku gustoæu �(r), èiji maksimumipredstavljaju poloÞaj atoma u jediniènoj æeliji, moramoriješiti fazni problem. Difrakcija u kristalu, zbog periodiè-nog svojstva, ogranièena je samo na odreðene smjerove,koji su opisani Laueovim uvjetima: S · a = nh, S · b = nk,S · c = nl, pri èemu su h, k, l cijeli brojevi. Ewald19 je zatumaèenje Laueovih uvjeta uveo pojam reciproène rešet-ke, što znatno pojednostavnjuje raèunske postupke. ULaueovu pristupu kristal djeluje kao trodimenzijska optièkarešetka u kojoj dolazi do ogiba.

Bragg je izveo mnogo jednostavniju jednadÞbu prema ana-logiji s refleksijom svjetla, pri èemu “zrcala” predstavljajunizovi jednako udaljenih ravnina zaposjednutih atomima ukristalnoj rešetci:

2 dhkl sin � = n �

dhkl je razmak izmeðu susjednih ravnina u rešetci dok h, k, l(identièni onima u Laueovim uvjetima) definiraju ravnine ukristalnoj rešetci i nazivaju se Millerovi indeksi, a n pred-stavlja red refleksije u Braggovoj jednadÞbi. Uobièajeno jeu difrakciji povezati n i h, k, l, koji onda predstavljajuLaueove indekse. Braggov kut � je kut upada i refleksijerendgenskih zraka prema ravninama kristalne rešetke (slika8 a i b).

Strukturni faktori za velik broj refleksa Laueovih indeksa h= (h, k, l) daju Þeljenu elektronsku gustoæu [svih atoma (j) ujediniènoj æeliji u poloÞajima xj, yj, zj)]

�(r) = 1/V�h

F(h) exp(–2�i h · r) =

= 1/V�h

F(h) exp[–2�i (x a + y b + z c) · (h a* + k b* + l c*)]

pri èemu je r = x a + y b + z c i a*, b*, c* su vektori reci-proène rešetke (matematièki odreðene odnosima a* · a = 1,b* · b = 1... a* · b = 0...)

S teorijskog stanovišta, u rendgenskoj strukturnoj analizikljuèni je problem raèunanje faza strukturnog faktora. Ovdjeæemo samo kratko opisati dva temeljna pristupa: a) prvi setemelji na primjeni vektorske metode za koju je nuÞnoimati u strukturi teški atom (veæe snage raspršenja npr. sva-kako veæi od fosfora) ili pak veæi dio molekule poznate geo-metrije (koji predstavlja znatan doprinos raspršenju) i b)primjeni “direktnih metoda” temeljenih na algebarskimrelacijama, koje se povezuju s podacima o unutarnjoj sime-triji kristala (mikroelementima simetrije – prostorne grupe) is teorijom vjerojatnosti. U makromolekularnoj kristalografi-ji primjenjivale su se najprije razlièite kombinacije metodateškog atoma, kao što su jednostruka izomorfna zamjena(SIR, Single Isomorphous Replacement) i višestruka izomor-fna zamjena (MIR, Multiple Isomorphous Replacement).Upotreba sinkrotrona u kristalografiji omoguæila je primje-nu anomalne disperzije s više valnih duljina (MAD, MultiWavelength Anomalous Dispersion) i jedne valne duljine(SAD, Single Wavelength Anomalous Dispersion) za odreði-vanje faza. Mjerenje difrakcijskih intenziteta sinkrotron-skim zraèenjem uz primjenu dviju navedenih metoda zaodreðivanje faza predstavlja velik napredak s obzirom nautrošak vremena i razinu razluèivanja (toènost) u odreði-vanju struktura. Anomalna disperzija se primjenjuje kad suu samoj strukturi prisutni metali, sumpor ili fosfor, te kad seza tu primjenu u molekulu uvodi selenij (genetièkim seinÞenjerstvom sumpor u metioninu zamjenjuje selenijem)ili halogenidni ioni.

Jednostavno reèeno, anomalno raspršenje rendgenskih zra-ka pojavljuje se kad je valna duljina upotrijebljenog zraèe-nja kojim se obasjava kristal u blizini apsorpcijskog pragaelementa s veæom moæi raspršenja (prisutnog u kristalu).Ako bismo Þeljeli mjeriti anomalno raspršenje na lakomatomu kao npr. kisikovu atomu, uèinak bi bio veoma maleni teško mjerljiv. Anomalna disperzija odraÞava se ne samona vrijednost faktora raspršenja nego utjeèe i na vrijednostfaze raspršenog vala. Stoga se faktor raspršenja opisuje kaokompleksna velièina:

� = �0 + �� ' + i �''

pri èemu su posljednja dva èlana realni i imaginarni diokorekcije za anomalnu disperziju, èije vrijednosti ovise ovalnoj duljini i vrsti atoma koji raspršuje zraèenje.

Jedna od posljedica te pojave je odstupanje od Friedelovazakona

Fhkl � F–h–k–l

što je otkrio Bijvoet i upotrijebio za odreðivanje apsolutnekonfiguracije molekula. Poznavanje apsolutne konfiguracijekiralnih molekula ima presudnu ulogu u proizvodnji lije-


S l i k a 8 – Braggov zakon: a) dvije paralelne zrake 1 i 2 padajuna mreÞne ravnine kristala pod kutom . Razmak izmeðu mreÞnihravnina je d. DuÞine 0A i 0B predstavljaju okomice na zrake 1 i 2.Zraka 2 prijeðe malo dulji put od zrake 1, i to za AC + CB. b) Kadaje razlika u duljini puta jednaka cjelobrojnom višekratniku valneduljine upadnih zraka (), “reflektirane” su zrake u fazi, pa dolazido konstruktivne interferencije. Kut “refleksije” tada je jednakupadnom kutu .

F i g. 8 – Illustration of Bragg's law: a) two parallel beams 1 and2 hit lattice planes at the angle . Distance between the lattice pla-nes is d. 0A and 0B are normal to the beams 1 and 2. Path of beam2 is longer than path of beam 1 for AC + CB. b) When the differen-ce of the path length is a multiple of the wavelength (),”reflected”beams have the same phase, so constructive interference occurs.“Reflexion” angle is then equal to the incident angle .

kova i u razumijevanju bioloških procesa jer se molekulelijeve i desne konfiguracije razlikuju po svojstvima.

Kad u strukturi imamo atom veæeg rednog broja s veæimbrojem elektrona, koji stoga ima jaèe raspršenje, i primije-nimo zraèenje èija je valna duljina blizu apsorpcijskog pra-ga tog elementa, moæi æemo naæi dovoljan broj parovarefleksa koji odstupaju od Friedelova zakona. Kako nasinkrotronu moÞemo jednostavno mijenjati valnu duljinuzraèenja, moæi æemo ovu pojavu primijeniti za odreðivanjefaza strukturnih faktora (SAD/MAD) u proteinskoj kristalo-grafiji, kao i za odreðivanje apsolutne konfiguracije kiralnihmolekula.

U odreðivanju faza moÞe se primijeniti pristup molekular-ne zamjene, u kojem se upotrebljavaju poznati strukturnifragment [traÞenje homolognih proteina ili veæih podjedi-nica putem Protein Data Bank20 i servera Phyre2 (Proteinstructure prediction on the web: a case study using thePhyre server),21 koji se kombiniraju s translacijskom i rota-cijskom funkcijom koje lociraju poznate fragmente unepoznatoj strukturi. Nekristalografska simetrija takoðer seprimjenjuje za popravljanje pribliÞno odreðenih faza, aposebno je korisna u odreðivanju struktura virusa i poznataje pod imenom Rossmann phasing.22

Za napredak u odreðivanju kristalnih struktura metodamarendgenske difrakcije i postizanja veæe toènosti kljuèni sumatematièki postupci i algoritmi, koji su išli u korak snapretkom elektronièkih raèunala. Matematièke formulaci-je i uèinkoviti algoritmi bitni su u razvoju softvera, kojimoraju biti podrÞavani odgovarajuæim razvojem raèunala.Kakav je preobraÞaj uslijedio u tom podruèju napretkomeksperimentalnih metoda i raèunske podrške najboljepokazuje primjer odreðivanja strukture vitamina B12

(C63H88N14PCo, ukupno 181 atom u molekuli) tijekomšezdesetih godina prošlog stoljeæa, za što je bilo potrebnoviše od osam godina.23 Danas se mjerenje difrakcijskihintenziteta i odreðivanje takve strukture moÞe izvesti unekoliko sati ili dana; vrijeme potrebno za objašnjenjefunkcije molekule ovisi o kompleksnosti strukture, raziniznanja i iskustva istraÞivaèa.

Matematièki postupci koji su pridonijeli razvoju kristalo-grafskog softvera su brzi Fourierov algoritam, metode naj-manjih kvadrata, razlièite kombinacije Pattersonova pre-traÞivanja (prema globalnom obliku molekule i njezinojorijentaciji u kristalnoj rešetci) kao i pristup “maksimumaentropije”. Danas postoji velik broj raèunalnih programarazlièitih grupa autora prilagoðenih za odreðene postupkeu tijeku odreðivanja kristalne strukture (makro)molekula.Zbog iznimno velikog broja raèunalnih programa, njihovoopisivanje razvoja i namjene bilo bi izvan opæeg interesaèitatelja pa je ovom prilikom izostavljeno.

Nove i usavršene metode koje su pridonijelerazvoju rendgenske kristalografije

Temeljne teorijske postavke rendgenske difrakcije bile supoznate veæ do 1920. i za napredak metode zasluÞan jetehnologijom potpomognut razvoj instrumenata. To uklju-èuje rendgenske cijevi, transformatore za dobivanje viso-kog napona, kamere, filmove, kasnije rendgenske difrakto-metre koji su konstruirani krajem šestog desetljeæa 20.

stoljeæa i detektore (CCD, Charge-Coupled Device) tesinkrotrone, koji se pojavljuju poèetkom 80-ih godina 20.stoljeæa. Osim metode difrakcije u monokristalu, koja ne-prestano širi svoje moguænosti, znatan je doprinos novihtehnologija na metodi rendgenske difrakcije s praškastimuzorcima. Ta metoda sluÞi za identifikaciju svih kristalnihspojeva i njihovih smjesa i faza, kao i za toèno odreðivanjekonstanti kristalne rešetke, što ima veliko znaèenje u zna-nosti o materijalima i primjeni. Metoda takoðer ima velikemoguænosti za utvrðivanje uèinaka velièine kristalnog zrna ipreferirane (usmjerene) orijentacije zrna na mehanièka,apsorpcijska i druga svojstva te za izuèavanje faznih prijela-za pri razlièitim temperaturama i tlakovima. Dugogodišnjirazvoj metode praha omoguæio je odreðivanje kristalnestrukture molekula, posebice onih za koje je teško ili ne-moguæe uzgojiti monokristale,24 što ukljuèuje i manjemakromolekule.25

Ogroman napredak rendgenske kristalografije temelji se nauporabi moænih raèunala koja su izravno ukljuèena u tijekeksperimenata (on-line), kao što je mjerenje difrakcijskihintenziteta, i robota za kristalizaciju. Uloga raèunala jenezaobilazna i u obradi eksperimentalnih podataka i njiho-voj interpretaciji: korekciji mjerenih difrakcijskih intenzite-ta, interpretaciji Fourierovih mapa elektronskih gustoæa,poboljšanju eksperimentalnih modela strukture molekula,vizualizaciji trodimenzijske strukture i modeliranju (raèu-nalna grafika), pretraÞivanju datoteka za potrebe strukturnesistematike i molekularnog dizajna, izuèavanje smatanjaproteinskih molekula (protein folding), kao i praæenju od-nosa strukture i aktivnosti. Primjena datoteka i molekular-nog modeliranja u dizajnu lijekova široko je u primjeni imnogima dobro poznata. Veoma rasprostranjene baze poda-taka o strukturnim podacima raznih molekula: CambridgeStructure Database, Protein Data Base, Nucleic Acid Data-base, Inorganic Crystal Structure Database, CRYSMET(strukture metala i intermetalnih spojeva) te The Internatio-nal Centre for Diffraction Data (Powder Diffraction Files –kristalografski podaci dobiveni metodom praha) veæ sudesetljeæima u optjecaju. Bioinformatika ima veliku uloguu sistematizaciji o graði makromolekula i njihovih funkcija isvojstava. Rezultati tog rada su velik broj specijalnih bazakoje su izvrsna nadogradnja uz Protein Data Base, NucleicAcid Database, UniProt i InterPro. Veæina tih baza i serveraopremljena je raznim alatima koji olakšavaju navigaciju,izdvajanje Þeljenih podataka i njihovu usporedbu, kao ivizualizaciju.

Upravo u svrsishodnom objedinjavanju svih dostupnih po-dataka i pronalaÞenju njihove vrijednosti vaÞnu ulogu imanedavno uveden pristup cloud computing u kojem je na-glasak na algoritmima, raèunalima i elektronièkoj komuni-kaciji putem umreÞavanja i brzog prijenosa. Veoma zoran idobro odraðen primjer te primjene je traÞenje puta zauèinkovito lijeèenje onkoloških pacijenata.

U odreðivanju makromolekularnih struktura za mjerenjedifrakcijskih intenziteta potrebni su intenzivni snopovi viso-kog sjaja i dobre kolimacije. U tom pravcu mali napredaksu bile rendgenske cijevi s rotacijskom anodom. Revolu-cionarni korak uèinjen je ranih 80-ih godina 20. stoljeæaupotrebom sinkrotrona. Ubrzani napredak tehnologijedonio je novu generaciju sinkrotrona energije 8 GeV, kojiopskrbljuju kristalografe dobro kolimiranim monokromat-skim zraèenjem velikog intenziteta (kojem po izboru mogu


mijenjati valnu duljinu) za difrakciju na malim (u promjeruoko 50 �m), slabo difraktirajuæim kristalima te kristalimavelikih jediniènih æelija (u pravilu velikih molekula i njiho-vih ansambla) poput virusa, ribosoma i proteinskih hetero-genih i oligomernih kompleksa.

Primjenom anomalnog raspršenja zraèenja (SAD i MAD) uodreðivanju faza strukturnih faktora, opisano u prethod-nom odjeljku Teorijske osnove rendgenske difrakcije, znat-no je pridonijelo pojednostavljenju tog sloÞenog postupka.

Dinamièka teorija rendgenske difrakcije, koja potpuno po-èiva na temeljima Maxwellove teorije elektromagnetizma,ima veliku primjenu u rendgenskoj interferometriji, topo-grafiji kristala i u širokom podruèju upotrebe sinkrotrona.Sinkrotroni su otvorili brojne moguænosti za dinamièku kri-stalografiju, kojom se prate iznimno brze strukturne pro-mjene molekula u vremenu. Proteini podlijeÞu promjena-ma konformacije tijekom njihovih bioloških funkcija, ili/idolazi do migracije protona ili elektrona. Stoga primjena temetode doprinosi razumijevanju veze izmeðu dinamike ifunkcije i suštine samog mehanizma biološkog procesa.26–30

Promjene konformacije mogu imati nekoliko faza koje pra-te tijek reakcije: polazna konformacija, put k prijelaznomstanju, aktivni oblik, te vraæanje u poèetno stanje. Svaku odtih faza nije moguæe zamrznuti u kristalu i strukturno jekarakterizirati. Stoga je razvijen niz modifikacija metodevremenski razluèene Laueove difrakcije (slika 9) gdje sebiljeÞi niz brzih Laueovih snimaka upotrebom kratkih la-serskih pulsova inducirajuæi kaskadu kratkoÞivuæih promje-na u proteinu i/ili njegovu kompleksu; prvi, ali i danasistraÞivani sustav je mioglobin i njegov kompleks s ugljiko-vim monoksidom (slika10), na kojem je ilustriran cjelo-kupan razvoj metode.26–28 Fotosintetski reakcijski centri ubakterijama i biljkama su sustavi podesni za izuèavanje tommetodom (fotoaktivni Þuti protein29 i bakteriorodopsin30).

Dinamièki aspekt neobièno je vaÞan za rasvjetljavanje inte-rakcija molekula praæenjem promjena u elektronskoj struk-turi tijekom kemijskih reakcija malih i velikih molekula pri-donoseæi razumijevanju mehanizama kemijskih reakcija iÞivota stanice (femtokemija i femtobiologija). Meðu prvimbiološkim primjerima bilo je izuèavanje in situ interakcijevezanja kisika u hemu u procesu disanja, pri èemu se nekidetalji još uvijek istraÞuju najnovijim metodama. Tijekomunapreðenja dinamièke kristalografije uz usavršavanje iz-vora zraèenja nuÞno je koristiti kriotehniku.

Velik napredak u eksperimentalnim postupcima mjerenjadifrakcijskih intenziteta za opæe namjene je primjena krio-tehnike. Hlaðenjem kristala tekuæim dušikom (do 90 K) ilihelijem (3 – 5 K) za vrijeme mjerenja difrakcijskih intenzi-teta znatno se poboljšava njihova kvaliteta, a takoðer omo-guæava mjerenje temperaturno ili na zraku nestabilnih uzo-raka. Smrzavanje uzoraka smanjuje radijacijsko ošteæenje ionemoguæava “klizanje” kristala na nosaèu iz zadanog po-loÞaja za vrijeme mjerenja. Time se produljuje “Þivot” kri-stala izloÞenog zraèenju i pridonosi boljem razluèivanjupodataka; hlaðenjem uzorka smanjuju se temperaturnevibracije atoma i time poveæava razlika izmeðu mjerenogdifrakcijskog intenziteta i pozadinskog zraèenja (veæa razli-ka izmeðu signala i šuma). Time se koncentrira elektronskagustoæa i toènije se moÞe odrediti poloÞaj atoma u jedi-niènoj æeliji, što je posebno vaÞno za atome male moæiraspršenja, kao što je vodikov atom. Kriotehnike su nezao-bilazne u studiju faznih prijelaza raznih spojeva31 koji suzanimljivi u znanosti o materijalima. Izuèavanje prijenosa iraspodjele naboja temelji se na toènom odreðivanju elek-


S l i k a 9 – Ureðaj za mjerenje difrakcijskih intenziteta metodomLauea s vremenskim razluèivanjem i primjenom laserske pobude nasinkrotronu u ESRF-u, Grenoble. Sinkrotronsko zraèenje dobivenotreæom generacijom ureðaja proizvodi rendgenske pulsove trajanjaod oko 100 ps koji difrakcijom daju zadovoljavajuæu Laueovu di-frakcijsku sliku. Laserom se iniciraju kratkoÞivuæe promjene u pro-teinu, èije se dinamièke slike biljeÞe i interpretiraju uz pomoæodgovarajuæih softvera.28

F i g. 9 – Pump-probe Laue setup on the beamline ID09-B atESRF in Grenoble28

S l i k a 10 – Laueova metoda – promjene uzrokovane fotodiso-cijacijom odnose se na promjene poloÞaja molekule ugljikova mo-noksida u odnosu na hem-skupinu mioglobina i prate ih mapeelektronske gustoæe (preuzeto iz literaturnog izvora 26)F i g. 10 – Laue-pump method – changes introduced by pho-todissociation of carbon monoxide in relation to haem-group arerecorded and visible in electron density maps26

tronske gustoæe, pa je i u ovom podruèju upotreba krioteh-nike obavezna.

Analiza elektronske gustoæe usmjerena na izuèavanje ras-podjele naboja razlikuje se proceduralno od standardnerendgenske strukturne analize i uz to mjerenja difrakcijskihintenziteta vrše se na temperaturama manjim od 20 K(upotrebom ukapljenog helija). Tako dobivene mape elek-tronske gustoæe ukazuju na detalje elektronske strukture injene promjene uzrokovane atomima u kemijskoj vezi.Osim podataka o karakteru intramolekularnih kontakata tipodaci omoguæavaju izuèavanje i intermolekularnih inte-rakcija. Eksperimentalno dobiveni podaci usporedivi su sraèunima ab initio i oni pokazuju prekrivanje atomskihorbitala, usamljene elektronske parove, savijanje kemijskeveze u napregnutim prstenovima, �-interakcije, polariza-cijske uèinke, kao i deformacije elektronske gustoæe u vo-dikovim vezama. Razumljivo je da revizija razlièitih aspe-kata kemijske veze poèiva na takvim studijama elektronskegustoæe i da ima veliko znaèenje u kemiji, biologiji i fizicièvrstog stanja.

Otkriæa postignuta rendgenskom difrakcijomkoja su izmijenila postojeæe spoznajei otvorila vidike ka vizijama bliskei dalje buduænosti

Na samom poèetku primjene rendgenske difrakcije uodreðivanju struktura jednostavnih molekula pokazalo seda su mnogi koncepti o kemijskoj vezi bili neprikladni ilipogrešni. Odabrani su neki jednostavni povijesni primjeri,koji su predstavljali prekretnicu u naèinu razmišljanja o pri-rodi kemijske veze i interakciji molekula. Opisani su pri-mjeri koji su utvrdili postojanje ionske, kovalentne i aro-matske veze.

Natrijev klorid bio je prva kristalna tvar èija struktura jeodreðena na atomskoj razini: riješili su je 1913. otac i sinBragg (slika 11).13,32 Odreðivanje kristalne strukture NaClpokazalo je da se naizmjenièno u kristalnoj rešetci izmje-njuju ioni natrija i klora, tako da je svaki kation okruÞen sašest aniona i obrnuto. Sve su udaljenosti meðu ionimajednake, dakle ne postoji molekula NaCl niti neke naroèiteveze meðu atomima; na okupu ih drÞe samo elektrostatskeprivlaène sile. Iako se znalo da kuhinjska sol u vodi disocirana natrijeve i kloridne ione, zamišljalo se da u èvrstomstanju postoje molekule NaCl, u kojima su atom natrija iatom klora povezani kemijskom vezom. Braggov je radpokazao da je takav koncept bio pogrešan.

Iste su godine otac i sin Bragg odredili kristalnu strukturudijamanta33 (slika 12), u kojoj je svaki ugljikov atom okru-Þen s èetiri bliska susjeda, rasporeðena u obliku tetraedra.U ovakvom se pakiranju nalaze šupljine i njih se moÞeobjasniti kemijskim vezama izmeðu èetverovalentnih ato-ma. Razlièita svojstva soli, kao i dijamanta, mogla su sekonaèno objasniti razlièitim kristalnim strukturama, koje supak posljedica razlièite prirode privlaène sile meðu atomi-ma.

Poznavanje kemijske veze i njezine prirode prije sto godinabilo je vrlo oskudno. Upravo su te dvije kristalne strukturekljuèni primjeri kako eksperimentalne spoznaje utjeèu na

razvoj teorije kemijske veze. Model elektronskih parova ioktetâ postavio je veæ 1916. Gilbert N. Lewis, te je opisaodva osnovna tipa kemijske veze: ionsku i kovalentnu. Na-trijev je klorid prototip ionskog spoja, dijamant je prototipkovalentnog.

Primjer aromatskog spoja, benzen, izolirao je iz rasvjetnogplina Faraday još 1825. i odredio mu kemijsku formuluC6H6. Njegova kemijska svojstva, kao i svojstva sliènih spoje-va, prilièno se razlikuju od ostalih ugljikovodika, pa sesvrstavaju u posebnu skupinu organskih spojeva. Buduæi da


S l i k a 11 – Prvi prikaz unutarnje graðe nekog kristala – struktu-ra natrijeva klorida, koju su 1913. objavili otac i sin Bragg32

F i g. 11 – The first scheme of internal structure of a crystal –sodium chloride, published by father and son, William and Lawren-ce Bragg in 191332

S l i k a 12 – Kristalna struktura dijamanta33

F i g. 12 – Crystal structure of diamond33

se tada o njihovoj graði još nije znalo ništa, nazvani su“aromatskima” i to su ime dobili zbog vrlo izraÞene zajed-nièke karakteristike – jakog mirisa.

Sredinom 1860-ih Friedrich August Kekulé von Stradonitzzakljuèio je da benzen sadrÞi šesteroèlani prsten s trimanaizmjeniènim dvostrukim vezama (slika 13; legenda kaÞeda je tu formulu “vidio” u snu pa da ju je zapisao èim seprobudio). No, ako je zaista tako, orto-disupstituirani ben-zen trebao bi imati dva izomera: u jednome su supstituentirazdvojeni jednostrukom, a u drugome dvostrukomvezom. Ni Kekuléu, niti ikojem drugom kemièaru, nikakonije polazilo za rukom odvojiti ta dva spoja, i izgledalo jekao da s Kekuléovom formulom nešto nije u redu. Tijekom19. stoljeæa mnogi su kemièari predloÞili svoje strukturneformule benzena, koje su prikazane na slici 13. O prirodiaromatskih spojeva u to se vrijeme još ništa više nije mogloreæi. Pitanje “Kako izgleda aromatski prsten?” poèetkom20. stoljeæa još je bilo otvoreno.

S l i k a 13 – Sheme benzenskog (aromatskog) prstena koje supredloÞili: a) Claus (1867.), b) Dewar (1967.), c) Ladenburg (1869.),d) Armstrong (1889.), e) Thiele (1899.) i f) Kekulé (1865.). Dewarovi Ladenburgov spoj pripravljeni su tijekom 20. stoljeæa i danas supoznati kao Dewarov benzen i prizman.

F i g. 13 – Scheme of benzene (aromatic) ring proposed by a)Claus (1867), b) Dewar (1967), c) Ladenburg (1869), d) Armstrong(1889), e) Thiele (1899), f) Kekulé (1865). Dewar's and Ladenburg'scompounds were prepared in the 20th century, and are todayknown as Dewar benzene and prismane.

Odgovor je dala tek rendgenska strukturna analiza. Krajem1920-ih instrumenti i raèunske metode veæ su omoguæavaliodreðivanje kristalne strukture jednostavnijih aromatskihspojeva. Kathleen Lonsdale (1903. – 1971.), tada asisten-tica na University College of London, odredila je prvestrukture organskih molekula. Prvi problem bio je odabratiprikladan spoj i pripraviti dovoljno velike kristale. Tadašnjatehnika zahtijevala je što manju molekulu s veæom simetri-jom, što je pomagalo odreðivanju faza strukturnih faktora.Benzen, iako najjednostavniji, nije bio prikladan jer je nasobnoj temperaturi tekuæina. Bolji “kandidat” bio je heksa-metilbenzen, a odreðivanje njegove strukture bio je kom-pliciran i mukotrpan posao. Ipak, K. Lonsdale je uspjeladokazati da je aromatski prsten planaran, da su sve vezeC–C u njemu jednako duge te da svi kutovi C–C–C iznose120°.34 Dvije godine kasnije odredila je i strukturu heksa-klorbenzena,35 koji sadrÞi identièan aromatski prsten. Ovajje rad zanimljiv jer je u njemu prikazana raspodjela elek-tronske gustoæe u kristalu (slika14).

Elektronsku strukturu aromatskog prstena protumaèili suoko 1931. neovisno jedan od drugoga Pauling i Hückel;Pauling ju je zamislio kao “rezonantni hibrid” dviju Kekul-éovih formula. Kada se preklope dvije Kekuléove strukture,dobije se prsten kod kojega su sve veze jednako duge, i poduljini su negdje na pola puta izmeðu jednostrukih i dvo-strukih, upravo kao što je izraèunala K. Lonsdale na temeljueksperimentalnih podataka.

S l i k a 14 – Raspodjela elektronske gustoæe u kristalu heksaklor-benzena. Maksimumi elektronske gustoæe predstavljaju poloÞajeatoma i proporcionalni su broju elektrona. Stoga se jaèi maksimumimogu pripisati atomima klora, a slabiji atomima ugljika. Jasno sevidi pravilni šesterokut – aromatski prsten.35

F i g. 14 – Distribution of electron density in a hexachloroben-zene crystal. Electron density maxima correspond to atomic posi-tions and are proportional to the number of electrons. Thereforestronger maxima should be attributed to chlorine, and the weakerto carbon atoms. A regular hexagon – the aromatic ring – is clearlyvisible.35

Veoma vaÞan i zanimljiv primjer doprinosa rendgenskestrukturne analize neposredno organskoj kemiji i znanostio Þivotu je odreðivanje apsolutne konfiguracije primjenomanomalne disperzije rendgenskog zraèenja. J. M. Bijvoet36

je 1949., odredivši apsolutnu konfiguraciju natrijeva rubi-dijeva tartarata, pokazao da je proizvoljno pripisana desnakonfiguracija gliceraldehida doista ispravna, èime su izbje-gnute promjene do tada pripisanih konfiguracija prema gli-ceraldehidu. Kako su molekule od presudne vaÞnosti zaÞivot takoðer kiralne, oèito je Bijvoetovo otkriæe bilo odvelikog znaèenja i nije opravdano da je izbjeglo pozornostiNobelova komiteta.

Struktura DNA s dvostrukom uzvojnicom odreðena izrendgenograma 1953. definitivno je najveæe otkriæe 20.stoljeæa, koje nas je dovelo do nesluæenih spoznaja i timeotvorilo posve nove znanstvene discipline poput moleku-larne genetike i strukturne molekularne biologije. Utjecajitih spoznaja još su dalekoseÞniji u biologiji, medicini, far-makologiji, agronomiji, biotehnologiji, geologiji i drugimpodruèjima. Rosalind Franklin i student Raymond Goslingsnimili su kvalitetne difrakcijske fotografije vlakna DNA(slika 15) i utvrdili dvije forme: suha – forma A i vlaÞna –forma B, koje su upuæivale na helikoidalnu strukturu DNAmolekule37. Za dobivanje kvalitetnih snimaka R. Franklin jesama usavršila rendgenski ureðaj, ali unatoè tome bilo jepotrebno oko 100 sati izlaganja uzorka rendgenskom zra-èenju. M. Wilkins je bez znanja R. Franklin proslijedio slike


Watsonu i Cricku, kojima je posluÞila kao osnova za po-stavljanje modela dvostruke uzvojnice.38 Watson, Crick iWilkins su za to otkriæe 1962. podijelili Nobelovu nagradu;Rosalind Franklin, koja je umrla 1958., ostala je posve ne-opravdano gotovo zaboravljena.

Kljuèno otkriæe vezano uz molekule Þivota je prvo odreði-vanje strukture proteinskih molekula hemoglobina i mio-globina. Max Perutz39 je 1938. uspio dobiti prvu difrakcij-sku sliku hemoglobina, dok je do otkriæa cijele proteinskestrukture došao mnogo godina kasnije (1960).40 Tijekomsvih tih godina trebalo je razviti mnoge eksperimentalne iraèunske tehnike kako bi se dobili toèniji i brojniji difrakcij-ski intenziteti, što je od kljuène vaÞnosti za odreðivanjestrukture proteinske molekule. Na temelju takve slike (slika16) Perutz je dao osnove mehanizma procesa disanja.Postignuæa na utvrðivanju struktura hemoglobina i mioglo-bina donijele su M. Perutzu i J. Kendrewu Nobelovu nagra-du 1962. Tek današnje metode dinamièke kristalografijepruÞaju uvid u tijek vremenskih promjena koje potpunijeobjašnjavaju mehanizam tog za Þivot vaÞnog procesa.27

Današnje metode i tehnike kojima raspolaÞe rendgenskastrukturna analiza omoguæile su da je proteinska kristalo-grafija jedna od kljuènih metoda u karakterizaciji proteina injihovih kompleksa i u izuèavanju mehanizama njihovadjelovanja u stanicama. Protein Data Bank20 do sada po-hranjuje 86487 proteinskih struktura (podatak uzet 27. 11.2012). Odabrali smo pokazati strukture ribozima i dvajuvirusa. Odabir je subjektivan jer su moguænosti izbora ve-like. Naš kriterij bio je kompleksnost molekula i time velikizazov za odreðivanje strukture i nadasve biološka ulogaodabranih “manekena”.

Metode suvremene kristalografije mogu doprijeti do sušti-ne dogaðaja u biološkim stanicama; izdvojeni primjeri toveoma oèito dokazuju. Otkriæe strukture bakterijskog ribo-zima (koji sadrÞi oko dvije treæine RNA i jednu treæinu pro-teinskih molekula), minitvornice proteina u stanici, jednoje od kapitalnih otkriæa na razmeðu dvaju stoljeæa. IstraÞi-vanja su trajala više od 40 godina dok se došlo do spoznajeo graði i osnovama njezine funkcije. Ribozim (slika 17) jevezan uz sintezu proteina u stanici i dokazano je da ima


S l i k a 16 – Struktura hemoglobina: a) jedan od prvih modela s niskom rezolucijom (5,5 A°; sivi diskovi predstavljaju molekule hema;preuzeto iz ref. 40), b) moderniji raèunalni prikaz hemoglobina (proteinski dio je prikazan kao vrpca (�-uzvojnica), a molekule hema kaovan der Waalsove kugle), c) vezanje molekule kisika na Þeljezo iz hema

F i g. 16 – Structure of haemoglobin: a) one of the first low-resolution (5.5 A°) models (gray disks represent haeme moieties)40, b) a moremodern computer rendering of haemoglobin (protein part is represented as a ribbon (�-helix), and haeme molecules as van der Waalsspheres), c) binding of an oxygen molecule to an iron atom from haeme

S l i k a 15 – Fotografiju rendgenske difrakcije niti DNA, koja uka-zuje na strukturu molekule, s dvostrukom uzvojnicom, snimila jeRosalind Franklin37

F i g. 15 – Fibre diffraction pattern of DNA suggesting a doublehelix structure was recorded by Rosalind Franklin37

S l i k a 17 – Krunasti pogled podjedinice 50S ribozima s protei-nima i dijelovima RNA41,42

F i g. 17 – “Crown” view of the 50S subunit of ribozyme withribbon representations of protein and RNA-frag-ment structures41,42

enzimsku ulogu, pa je stoga ispravno reæi “ribozim”. Lau-reati Nobelove nagrade za kemiju u 2009. V. Ramakri-shnan, T. Steitz i Ada Yonath otkrili su kako priroda zapisod èetiri slova (A, C, G, T) pretvara u Þivot. Izuèavanjepokrenuto istraÞivaèkom znatiÞeljom objasnilo je mehani-zam jednog od temeljnih Þivotnih procesa i istodobnopruÞilo moguænost zaštite Þivota blokiranjem funkcije ri-bozima u patogenim bakterijama. Poznavanje strukture imehanizma kljuèno je za pripravu uèinkovitih antibiotika irazumijevanje pojave rezistencije patogenih bakterija.

Ljudski adenovirus do sada je jedna od najveæih (150MDa) struktura riješenih metodom rendgenske difrakcije srazluèivanjem od 3,5 A° i objavljena je 2012. Struktura43

pokazuje poloÞaj svih konstituenata gotovo na atomnojrazini, tercijarnu strukturu i interakciju proteina s unutarnjei vanjske strane kapsida. Ti podaci su temelj za razumije-vanje interakcije virusa i stanice domaæina.

Za prouèavanje djelovanja virusa HIV-1 na stanice domaæi-na bila je kljuèna izolacija njegova enzima aspartil-protea-ze,44,45 koja je najmanja od poznatih viralnih proteaza sasvega 99 aminokiselina. Trenutaèno Protein Data Bank20

pohranjuje više od 500 struktura varijanti tog enzima imutanata, od èega su više od polovice kompleksi s inhi-bitorima ili lijekovima. Proteklo je 25 godina upornog iintenzivnog istraÞivanja strukturne biologije HIV-a, koje jedovelo do spoznaja o atomnoj graði ovog virusa i naèinunjegova djelovanja na ljudski organizam. Današnja praksapri iznalaÞenju uèinkovitih terapeutika ukljuèuje rendgen-sku strukturnu analizu proteina i potencijalnih lijekova,molekularno modeliranje, te molekularnu genetiku i pro-teomiku.

Quo vadis?

Kroz milijarde godina evolucije Priroda stvara uèinkovitesustave i spojeve na zemlji kakve poznajemo danas. Jed-nim dijelom ljudska znatiÞelja ide za time da otkrije što više

nepoznatog, ali znanstvenici izloÞeni pritisku otkriæa štoviše primjenljivog znanja, sve se više okreæu oponašanjuprirode. Pojednostavljeno gledano, Þelimo imati neogra-nièene izvore energije i “izmisliti” pametne molekule, kojeæe raditi sve ono što nam je potrebno. Potrebno je znatikako treba izgledati zamišljena molekula koja æe nam“odraðivati” upravo ono što Þelimo. Stoga rendgenskadifrakcija postaje nezaobilazna metoda u toj utakmici zapametnim molekulama. Naravno, sintetski kemièari i fizi-èari èvrstog stanja, kao i teoretièari imaju pune ruke posla.Oèito je da su interdisciplinarnost i multidisciplinarnostimperativ suvremene znanosti.

U podruèju znanosti o novim materijalima zbiva se veomamnogo uzbudljivih otkriæa i veoma se teško odluèiti štoodabrati prikazati da oduzme dah èitatelju. Kvantna raèu-nala, koja su za sada samo misaoni proizvod, najboljeodraÞavaju ljudsku Þelju i znatiÞelju. Potrebno je napravitimaterijal u kojemu æe se moæi kontrolirati prijenos elektro-na i njihovih spinova (bez promjene energije sustava) pri-mjenjujuæi temeljne principe kvantne fizike. Ništa manjenisu uzbudljiva istraÞivanja u kojima su silicijski èipovi za-mijenjeni molekulama DNA na koje se mogu vezati razlièitisenzori i time programirati svojstva.

Novo èudo znanosti o materijalima je grafen – jednodi-menzijski sloj grafita, koji nazivaju “èudesni materijal” jer jeotporniji od dijamanta, a savitljiviji od gume. Modifikacija-ma grafena, koje se postiÞu uvoðenjem raznih atoma na


S l i k a 18 – Shematski prikaz rasporeda glavnih proteina kapsi-da (heksoni i pentoni) u adenovirusu. Desno je prikazana interakci-ja promjenjivih proteinskih dijelova koji pomaÞu u stabilizacijikapsida.20

F i g. 18 – Schematic drawing of an adeno virus. Interaction ofvariable protein parts which help stabilization of the capside isshown at right.20 S l i k a 19 – Virus HIV-a sastavljen je od dvolanèaste RNA, 15 ti-

pova proteina karakteristiènih za viruse i od nekoliko proteina sta-nice inficiranog domaæina, koji su zajedno okruÞeni dvostrukomlipidnom membranom. Zajedno, sve molekule pomaÞu virusu infi-cirati stanice imunosnog sustava i prisiliti ih da grade kopije virusa.Svaka molekula u virusu ima ulogu u tom procesu.20

F i g. 19 – HIV (human immunodeficiency virus) is composedof two strands of RNA, 15 types of viral proteins, and a few proteinsfrom the last host cell it infected, all surrounded by a lipid bilayermembrane. Together, these molecules allow the virus to infect cellsof the immune system and force them to build new copies of the vi-rus. Each molecule in the virus plays a role in this process, from thefirst steps of viral attachment to the final process of budding.20

razlièita mjesta grafenskog sloja intermolekularnim inte-rakcijama ili kovalentnim vezama, poluèuju se materijaliraznorodnih svojstava. Primjena tih hibrida ide od elektro-nike i raèunala do medicine. Priprava grafena i otkrivanjesvojstava tog dvodimenzijskog materijala A. Geimu i K.Novoselovu donijeli su 2010. Nobelovu nagradu za fiziku.Gotovo svakodnevno se objavljuju hibridi grafena, koji po-kazuju široku lepezu svojstava.

Teško je zakljuèiti ovaj “putokaz” u buduænost i ne spome-nuti najnovije otkriæe vezano uz odreðivanje strukture46 iobjašnjenje funkcije staniènih senzora47 (receptora) GPCR(G Protein Coupled Receptors), koje je ove godine R. J.Lefkowitzu i B. K. Kobilki donijelo Nobelovu nagradu zakemiju. U okviru sloÞenih staniènih procesa signalizacija jezasigurno jedan od najsloÞenijih. Nju prati kaskada po-vezanih dogaðaja, koji predstavljaju odgovore stanica navanjske podraÞaje. Kobilka i Lefkowitz sa suradnicima,46,47

uspjeli su izolirati dogaðaj kad receptor prenosi signal shormona, vezanog s vanjske strane stanice, na G-proteinunutar stanice (slika 21). IstraÞivaèi su našli da u tijelupostoji ogroman broj takvih receptora, koji su zaduÞeni zaprijenos signala. Osim toga postoje i multifunkcionalni re-

ceptori, koji prepoznaju nekoliko razlièitih hormona. ToistraÞivanje trajalo je više od dva desetljeæa jer se radi omembranskim proteinima koji su eksperimentalno veomazahtjevan problem: nisu topljivi u vodi, a osim toga segibaju prilikom prijenosa signala, što oboje nalaÞe pripravuposebnih uvjeta za njihovu kristalizaciju. Dakle, kad vasnetko preplaši ili nešto izazove tjeskobu u vama (slika 22) ilipak uÞivate u ukusnoj hrani, pokušajte pogoditi koji æe sehormon kompleksirati s kojim od receptora da bi predalisignal G-proteinu u vašim stanicama.

Napomena: OpseÞniji prikaz ovog otkriæa obiljeÞenog No-belovom nagradom za kemiju za 2012. godinu zabiljeÞenje i u Kem. Ind.49

Predviðanje u znanosti nije pametan poduhvat, što oèitopotvrðuje domet spomenutih istraÞivanja u ovom pregle-du. Moguænosti su velike i ljudski um i mašta su neogra-nièeni.

ZAHVALA / ACKNOWLEDGMENT

Autori zahvaljuju izdavaèu za korištenja ilustracije, ranijeobjavljene u èlanku S. Westenhoff, E. Nazarenko, E. Mal-merberg, J. Davidsson, G. Katona, R. Neutze, Time-resolvedstructural studies of protein reaction dynamics: a smorga-sbord of X-ray approaches. Reproduced by permission ofThe Royal Society of Chemistry (RSC) for the EuropeanSociety for Photobiology, the European PhotochemistryAssociation, and the RSC and that any electronic version ofthe work includes a hyperlink to the article on the RoyalSociety of Chemistry website; dx.doi.org/10.1039/b704249c.

Zahvaljujemo prof. dr. Nenadu Banu, Institute of MolecularBiology and Biophysics, ETH Zürich, za sliku podjedinice50S èestice ribosoma.


S l i k a 20 – Univerzalna primjena – grafen moÞe biti tranzistor,ali i uèinkoviti filtar za vodu

F i g. 20 – Universal use – graphene can be a transistor but alsoan efficient water filter

S l i k a 21 – Lijevo: model tercijarnog kompleksa preuzet iz refe-rencije.48 Termodinamièki ciklus opisuje nastajanje kompleksa shormonom (Þuto), receptorom (modro) i G-proteinom (crveno).Desno: kristalna struktura aktivnog kompleksa prema koordinata-ma iz Protein Data Base, oznaka:3sn6.20

F i g. 21 – Left: Ternary complex model adapted from.48 Athermodynamic cycle describes the formation of a complex of li-gand (yellow), receptor (blue) and G-protein (red).Right: Crystal structure of an active ternary complex. Ribbon modeldrawn from the coordinates from file 3sn6.pdb.20

S l i k a 22 – Edvard Munch, Krik. “Priroda nije samo ono što jevidljivo oku. Ona ukljuèuje unutarnju sliku duše.” (E. Munch)F i g. 22 – Edvard Munch, The Scream. “Nature is not only allthat is visible to the eye. It also includes the inner picture of thesoul.”

Popis simbola i kraticaList of symbols and abbreviations

a, b, c – parametri jediniène æelije– unit cell parameters

a*, b*, c* – vektori reciproène rešetke– reciprocal lattice vectors

dhkl – razmak izmeðu susjednih ravnina u rešetci– spacing between the planes in the lattice

F(S) – strukturni faktor– structure factor

f – faktor raspršenja– scattering factor

h, k, l – Millerovi indeksi, Laueovi indeksi (h)– Miller indices, Laue indices (h)

n – red refleksije– reflection order

r – vektor poloÞaja– position vector

S – vektor raspršenja– scattering vector

s – valni vektor raspršenog zraèenja– scattered beam wave vector

s0 – valni vektor upadnog zraèenja– incident beam wave vector

V – obujam– volume

x, y, z – atomske koordinate– atomic coordinates

� – Braggov kut– Bragg angle

� – valna duljina– wavelength

� – elektronska gustoæa– electron density

� – razlika faza– phase difference

MAD – anomalna disperzija više valnih duljina– multi wavelength anomalous dispersion

MIR – višestruka izomorfna zamjena– multiple isomorphous replacement

SAD – anomalna disperzija jedne valne duljine– single wavelength anomalous dispersion

SIR – jednostruka izomorfna zamjena– single isomorphous replacement

LiteraturaReferences

1. W. Friedrich, P. Knipping, M. Laue, Sitzungsber. Math. Phys.Kl. K Bayer. Akad. Wiss. München (1912) 303–322.

2. B. Kojiæ-Prodiæ, J. Kroon, (Bio)Crystallography at the Turn ofthe Millennium, Croat. Chem. Acta 74 (2001) 1–35.

3. J. M. Bijvoet, W. G. Burgers, G. Hagg (ur.), Early Years Diffrac-tion of X-rays by Crystals, Vol. 1 i 2, International Union ofCrystallography i A. Oosthoek’s Uitgeversmaatschappij N.V.,Utrecht, 1969. i 1972.

4. A. Authier, Optical properties of X-rays – dynamical diffrac-tion, Acta Cryst. A68 4. (2012) 40–56.

5. H. Kubbinga, Crystallography from Haüy to Laue: controver-sies on the molecular and atomistic nature of solids, ActaCryst. A68 (2012) 3–29.

6. D. Schwarzenbach, The success story of crystallography, ActaCryst. A68 (2012) 57–67.

7. M. Eckert, Disputed discovery: the beginnings of X-ray diffrac-tion in crystals in 1912 and its repercussions, Acta Cryst. A68(2012) 30–39.

8. P. P. Ewald (ur.), Fifty Years of X-ray Diffraction, InternationalUnion of Crystallography, Chester, 1962.

9. Croatian Crystallographic Association, URL: www.hazu.hr/kristalografi/IUCr/introduction.htm (27. 11. 2012.).

10. W. C. Röntgen, Über eine neue Art von Strahlen (VorlaufigeMitteilung) Sitzungber. Phys. Med. Ges. Würzburg 9 (1895)132–141.

11. M. Laue, Kritische Bemerkungen zu den Deutungen der Pho-togramme von Friedrich und Knipping, Phys. Z. 14 (1913)421–423.

12. W. L. Bragg, X-rays and crystals, Nature 90 (1912) 219,360–361; ibidem, The specular reflections, 410.

13. W. H. Bragg, W. L. Bragg, The reflections of X-rays by crystals,Proc. R. Soc. London A 88 (1913) 428–438.

14. W. L. Bragg, The structure of some crystals indicated by theirdiffraction of X-rays, Proc. R. Soc. London Ser. A 89 (1914)248–277.

15. P. Debye, P. Scherrer, Interferenzen an regellos orientiertenTailchen im Röntgenlicht, Nachr. Akad. Ges. Wiss. Göttingenmath. physik. Kl. IIa (1916) 1–26.

16. A. W. Hull, A new method of X-ray crystal analysis, Phys. Rev.10 (1917) 661–696.

17. W. H. Bragg, X-rays and crystal structure, Phil. Trans. R. Soc.London A215 (1915) 253–274.

18. W. L. Bragg, X-ray crystallography, Sci. Am. 219 (1968) 58–70.19. P. P. Ewald, Zur Theorie der Interferenzen der Röntgen-

strahlen in Kristallen, Phys Z. 14 (1913) 465–472.20. Protein Data Bank, URL: www.rcsb.org (29. 1. 2013.).21. L. A. Kelley, M. J. E. Sternberg, Protein structure prediction on

the web: a case study using the Phyre server, Nature Protocols4 (2009) 363–371.

22. M. G. D. Rossmann, D. M. Blow, The detection of sub unitswithin the crystallographic asymmetric unit, Acta Cryst. 15(1962) 24–31.

23. D. C. Hodgkin, Les Prix Nobel en 1964, Nobel Foundation(1965) 71–91.

24. D. Xie, C. Baerlocher, L. B. McCusker, Combining precessionelectron diffraction data with X-ray powder diffraction data tofacilitate structure solution, J. Appl. Cryst. 41 (2008)1115–1121.

25. S. Basso, C. Besnard, J. P. Wright, I. Margiolaki, A. Fitch, P. Pat-tison, M. Schiltz, Features of the secondary structure of a pro-tein molecule from powder diffraction data, Acta Cryst. D66(2010) 756–761.

26. S. Westenhoff, E. Nazarenko, E. Malmerberg, J. Davidsson, G.Katona, R. Neutze, Time-resolved structural studies of proteinreaction dynamics: a smorgasboard of X-ray approaches, ActaCryst A66 (2010) 207–219.

27. Z. Ren, V. Šrajer, J. E. Knapp, W. E. Royer Jr., Cooperativemacromolecular device revealed by meta-analysis of staticand time-resolved structures, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109(2012) 107–112.

28. D. Bourgeois, F. Schotte, M. Brunori, B. Vallone, Time-resol-ved methods in biophysics. 6. Time-resolved Laue crystallo-grphy as a tool to investigate photo-activated protein dyn-maics, Photochem. Photobiol. Sci. 6 (2007) 1047–1056.

29. F. Schotte, H.-S. Choa, V. R. I. Kaila, H. Kamikubo, N. Dash-dor, E. R. Henry, T. J. Graber, R. Henning, M. Wulff, G. Hum-mer, M. Kataoka, P. A. Anfinrud, Watching a signaling proteinfunction in real time via 100-ps time resolved Laue crystal-lography, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109 (2012)19256–19261.


30. K. Moffat, Ultrafast time resolved crystallography, Nature Struct.& Mol. Biol. 5 (1998) 641–643; Laue diffraction, Methods inEnzymology 277 (1997) 433–447.

31. K. Molèanov, B. Kojiæ-Prodiæ, D. Babiæ, D. Pajiæ, N. Novosel, K.Zadro, Temperature induced reversible structural and magne-tic changes in a crystal of tetrachlorosemiquinone anion radi-cal, CrystEngComm 14 (2012) 7958–7964.

32. W. L. Bragg, The diffraction of X-rays by crystals, Nobel PrizeLecture, 6. 9. 1922.

33. W. H. Bragg, W. L. Bragg, The structure of the diamond, Proc.R. Soc. London A 89 (1913) 277–291.

34. K. Lonsdale, The structure of the benzene ring in hexamethyl-benzene, Proc. R. Soc. London A 123 (1929) 494–515.

35. K. Lonsdale, An X-ray analysis of the structure of hexachloro-benzene, using the Fourier method, Proc. R. Soc. London A133 (1931) 536–552.

36. J. M. Bijvoet, A. F. Peederman, A. J. van Bommel, Determina-tion of absolute structure of optically active compounds bymeans of X-rays, Nature (London) 168 (1951) 271–272.

37. R. Franklin, R. G. Gosling, Molecular configuration in sodiumthymonucleate, Nature 171 (1953) 740–741.

38. J. D. Watson, F. H. C. Crick, A structure for deoxyribosenucleic acid, Nature 171 (1953) 737–738; ibidem, Geneticalimplication of the structure of deoxyribonucleic acid, 964–967.

39. J. D. Bernal, I. Fankuchen, M. F. Perutz, X-ray analysis of hae-moglobin, Nature 141 (1938) 523.

40. M. F. Perutz, M. G. Rossmann, A. F. Cullis, H. Muirhead, G.Will, A. C. T. North, Structure of haemoglobin: A three-di-mensional Fourier synthesis at 5.5 A° resolution, obtained byX-ray analysis, Nature (London) 185 (1960) 416–422.

41. N. Ban, P. Nissen, J. Hansen, P. B. Moore, T. Steitz, Science,The complete atomic structure of the large ribosomal subunitat 2.4 A° resolution, 289 (2000) 905–920.

42. P. Nissen, J. Hansen, N. Ban, P. B. Moore, T. Steitz, The struc-tural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis,Science 289 (2000) 920–230.

43. G. R. Nemero, P. L. Stewart, V. S. Reddy, Structure of humanadenovirus, Current Opinion in Virology 2 (2012) 115–121.

44. M. A. Navia, P. M. D Fitzgerlad, B. M. McKeever, C.-T. Leu, J.C. Heimbach, W. K. Herber, I. S. Sigal, P. L. Darke, J. P. Spin-ger, Three-dimensional structure of aspartyl protease fromhuman immunodeficiency virus HIV-1, Nature 337 (1989)615–620.

45. R. L. Lapatto, T. L. Bludell, A. Hemmings, J. Overington, A. Wil-despin, S. Wood, J. R. Merson, P. J. Whittle, D. E. Danley, K. F.Geoghegan, S. J. Hawrylik, S. E. Lee, K. G. Sheld, P. J. Hobart,X-ray analysis of HIV-1 proteinase at 2.7 A° resolution confirmsstructural homology among retroviral enzymes, Nature 342(1989) 299–302.

46. S. G. Rasmussen, B. T. DeVree, Y. Zou, A. C. Kruse, K. Y.Chung, T. S. Kobilka, F. S. Thian, P. S. Chae, E. Pardon, D.Calinski, J. M. Mathiesen, S. T. Shah, J. A. Lyons, M. Caffrey, S.H. Gellman, J. Steyaert, G. Skiniotis, W. I. Weis, R. K. Sunahara,B. K. Kobilka, Crystal structure of �2-adrenergic receptor-Gsprotein complex, Nature 477 (2011) 549–555.

47. A. De Lean, J. Stadel, R. L. Lefkowitz, A ternary complex modelexplains the agonist-specific binding properties of the adeny-late cyclase-coupled �-adrenergic receptor, J. Biol. Chem.255 (1980) 7108–7117.

48. The Nobel Prize in Chemistry. URL: www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/ (29. 1. 2013.).

49. M. Moèibob, I. Weygand-Ðuraševiæ, Nobelova nagrada zakemiju za 2012. godinu, Osvrti, Kem. Ind. 61 (11–12) (2012)554–556.


SUMMARY

The 100th Anniversary of X-Ray CrystallographyB. Kojiæ-Prodiæ* and K. Molèanov

The important thing in science is not so much to obtain new facts as to discover new ways ofthinking about them.

W. L. Bragg

The 100th anniversary of X-ray crystallography dates back to the first X-ray diffraction experi-ment on a crystal of copper sulphate pentahydrate. Max von Laue designed the theoreticalbackground of the experiment, which was performed by German physicists W. Friedrich and P.Knipping in 1912. At that time, the mathematical formulation of the phenomenon and the fun-damental concepts of crystallography were subjects of mineralogy. Altogether, they facilitatedthe development of methods for determination of the structure of matter at the atomic level. In1913, father and son Bragg started to develop X-ray structure analysis for determination of cry-stal structures of simple molecules. Historic examples of structure determination starting fromrock salt to complex, biologically important (macro)molecules, such as globular proteins haemo-globin and myoglobin, DNA, vitamin B12 and the recent discovery of ribozyme, illustrate thedevelopment of X-ray structural analysis. The determination of 3D structures of these moleculesby X-ray diffraction had opened new areas of scientific research, such as molecular biophysics,molecular genetics, structural molecular biology, bioinorganic chemistry, organometallic chemi-stry, and many others. The discovery and development of X-ray crystallography revolutionisedour understanding of natural sciences – physics, chemistry, biology, and also science of mate-rials. The scientific community recognised these fundamental achievements (including thediscovery of X-rays) by awarding twenty-eight Nobel prizes to thirty-nine men and two women.The explosive growth of science and technology in the 20th and 21st centuries had beenfounded on the detailed knowledge of the three-dimensional structure of molecules, which wasthe basis for explaining and predicting the physical, chemical, biological and pharmacologicalproperties of molecules. A most recent and striking example is the still unfinished story ofgraphenes, occupying the front pages of leading scientific journals, such as Science, Nature,Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry and Nature Physics. Contemporarycrystallographic research covers numerous scientific domains, and it is a very innovative area ofscience. Who would dare to be a prophet and foresee future findings?

Rudjer Boškoviæ Institute, Bijenièka cesta 54, Received December 7, 201210 000 Zagreb, Croatia Accepted January 29, 2013

stogodišnjica rendgenske kristalografije, kem. ind. 62

Documents