300px|miniatura|upright=1.4|Un difractómetro de raios X de po en movemento. miniatura|Proceso de determinación da estrutura dunha molécula por cristalografía de raios X.
A cristalografía de raios X é unha técnica experimental para o estudo e análise de materiais, baseada no fenómeno da difracción dos raios X por sólidos en estado cristalino.
Os raios X son difractados polos electróns que rodean os átomos por ser a súa lonxitude de onda da mesma orde de magnitude que o raio atómico. O feixe de raios X que emerxe tras esta interacción contén información sobre a posición e tipo de átomos encontrados no seu camiño. Os cristais, grazas á súa estrutura periódica, dispersan elasticamente os feixes de raios X en certas direccións e amplifícanos por interferencia construtiva, orixinando un padrón de difracción.O termo 'difracción de raios X' utilízase a miúdo para referirse á aplicación deste fenómeno á cristalografía; porén, é posible observar difracción causada por materiais non cristalinos. Por exemplo, a estrutura da dobre hélice de ADN dilucidouse por primeira vez usando datos de difracción de raios X por fibras deshidratadas de ADN. Existen varios tipos de detectores especiais para observar e medir a intensidade e posición dos raios X difractados, e a súa análise posterior por medios matemáticos permite obter unha representación a escala atómica dos átomos e moléculas do material estudado.
Max von Laue realizou os primeiros experimentos de cristalografía de raios X en 1912. Von Laue, William Henry Bragg e William Lawrence Bragg desenvolveron inicialmente a teoría de difracción de cristais, tarefa á que axiña se sumaron outros científicos. Ao longo do século XX tiveron lugar varios avances teóricos e técnicos, como a aparición das supercomputadoras e o uso de sincrotróns para a produción de raios X, que incrementaron a capacidade do método para determinar as propiedades estruturais de todo tipo de moléculas: sales, materiais inorgánicos complexos, proteínas e mesmo compoñentes celulares como os ribosomas. É posible traballar con monocristais ou con po microcristalino, conseguíndose diferentes datos en ambos os casos: para as aplicacións que requiren só unha caracterización precisa dos parámetros da rede cristalina, pode ser suficiente unha difracción de raios X por po, pero para unha determinación precisa das posicións atómicas é preferible traballar con monocristais.
Dada a relación existente entre a estrutura tridimensional das moléculas e as súas propiedades químicas e físicas, a cristalografía contribuíu ao avance en varias disciplinas científicas como a química, a bioloxía molecular, a xeoloxía, a física aplicada e a ciencia de materiais. A ampla dispoñibilidade de tubos de raios X, complementada co desenvolvemento de fontes de raios X de alta intensidade aumentou significativamente o seu impacto nestes campos de investigación e tamén en áreas con aplicacións industriais, como o desenvolvemento de fármacos e a mineraloxía aplicada. A maior limitación deste método é a necesidade de traballar con sistemas cristalinos, polo que non é aplicable a disolucións, a sistemas biolóxicos in vivo, a sistemas amorfos ou a gases. Nalgúns casos, os raios X poden romper os enlaces químicos que manteñen a integridade estrutural, o que ten como resultado un modelo distorsionado da molécula estudada. Este problema afecta especialmente os materiais de interese biolóxico.
Historia
Primeiros experimentos
A idea de que os cristais son unha repetición periódica dun grupo de moléculas xa existía antes de que Wilhelm Conrad Röntgen descubrise os raios X en 1895. Aínda que as distancias típicas entre os planos da rede cristalina se descoñecían, sabíase que debían ser moi pequenas comparadas coa lonxitude de onda da luz visible. Isto deulle ao físico alemán Max von Laue a idea de utilizar cristais de sulfato de cobre para determinar se os raios X se compoñían de partículas ou ondas: deduciu que, se fosen ondas, deberían xerar un padrón de difracción ao atravesar os cristais. Esta cuestión resolveuse definitivamente cando de Broglie introduciu en 1924 o concepto dea dualidade onda partícula. Os experimentos realizáronse en 1912 coa axuda de Walter Friedrich e Paul Knipping, ambos os dous antigos estudantes de Röntgen. Estes experimentos confirmaron a presenza de difracción cristalina, interpretada por von Laue como a extensión a tres dimensións da difracción de Fraunhofer por unha grella.
Pouco despois, os británicos William Henry Bragg e William Lawrence Bragg (pai e fillo respectivamente) reproduciron o experimento. W.L. Bragg explicou a difracción como a interferencia dos raios X reflectidos por planos cristalinos paralelos, introducindo a descrición coñecida desde entón como lei de Bragg. En 1913, Paul Ewald demostrou que as dúas interpretacións dos resultados publicadas independentemente por von Laue e Bragg eran equivalentes. Von Laue recibiu o premio Nobel de Física en 1914 polo seu descubrimento do fenómeno, e os Bragg recibiron o mesmo premio un ano máis tarde polo seu traballo nas aplicacións prácticas.Debido ao comezo da primeira guerra mundial, na que Suecia desexaba manterse estritamente neutral e non dar a impresión de que se favorecía a ningún país contendente, os premios non se outorgaron ata despois da guerra. Cara ao final da década, lográrase determinar as lonxitudes de onda dos raios X e a estrutura de varios compostos inorgánicos simples e establecéranse as bases teóricas da técnica grazas ao traballo dos xa mencionados investigadores e de Charles Galton DarwinNeto de Charles Darwin, autor de A orixe das especies. e Peter Debye, entre outros.
O desenvolvemento da técnica: 1920-1960
O período entre 1920 e 1960 caracterizouse por importantes adiantos metodolóxicos que propiciaron o emprego da difracción de raios X para analizar estruturas de moléculas máis complexas.
Durante a década de 1920 os avances da teoría cuántica serviron para caracterizar con máis precisión a interacción entre os raios X e os átomos dos cristais; isto posibilitou a análise correcta da intensidade da difracción. Na mesma época apareceron as táboas para determinar a simetría cristalina a partir da distribución de reflexións no padrón de difracción e empezaron a usarse as series de Fourier para representar a distribución de electróns na rede cristalina. Os desenvolvementos na representación matemática da densidade electrónica continuaron ata a segunda guerra mundial, facilitando a obtención das primeiras estruturas de moléculas orgánicas. En 1935, o cristalógrafo británico Arthur Patterson descubriu un truco matemático para obter as distancias interatómicas directamente a partir dos datos experimentais, o que supuxo un importante avance na análise da difracción.
Entre as décadas de 1940 e 1960, xurdiron outros procedementos para a determinación de estruturas, especialmente, métodos heurísticos baseados no proceso de ensaio e erro, que demostraron ser bastante exactos en combinación con restricións condicionantes baseadas nas propiedades físicas dunha estrutura correcta, como por exemplo, que a densidade electrónica debe ser sempre positiva. Neste período a cristalografía empezou a adquirir importancia no campo da química orgánica, proceso que culminou coa determinación en 1957 da estrutura da vitamina B12, un proxecto liderado por Dorothy Hodgkin.
Avances en cristalografía de macromoléculas: 1960-1980 O adianto máis transcendental durante as décadas de 1960 e 1970 foi o recoñecemento da cristalografía de proteínas e de moléculas implicadas en procesos biolóxicos en xeral como área de investigación clave na bioloxía molecular. O ano 1962 foi especialmente relevante ao outorgárense dous premios Nobel polos resultados obtidos usando métodos cristalográficos nesa área: o premio Nobel de Química concedeuse a Max Perutz e John Kendrew polos seus estudos cristalográficos das proteínas hemoglobina e mioglobina e o premio Nobel de Medicina a Francis Crick, James Watson e Maurice Wilkins por descubrir que o ADN forma unha dobre hélice. En 1964 Dorothy Hodgkin tamén obtivo o premio Nobel de Química pola determinación de varias estruturas de importancia biolóxica, como a penicilina e a vitamina B12, entre outras.
Un adianto que facilitou en gran medida o éxito das técnicas cristalográficas tanto no caso de macromoléculas orgánicas cun gran número de átomos coma no de moléculas de menor tamaño foi o desenvolvemento de ordenadores dixitais; grazas a eles foi posible usar programas para medir e analizar doadamente os datos obtidos nos experimentos en vez de realizar os laboriosos cálculos manualmente. Porén, ao final deste período o estudo de proteínas estaba aínda limitado pola ausencia de fontes de raios X intensos e o emprego de película fotográfica para medir os padróns de difracción, o que requiría un longo proceso de revelado e dixitalización das imaxes.A medición individual de reflexións de raios X que emerxían en diferentes direccións cun fotodetector unidimensional, que facilitou a automatización dos experimentos con moléculas pequenas durante este período non era práctica no caso de moléculas con moitos átomos, debido á enorme cantidade de reflexións presentes nese caso. A consecuencia destas limitacións, e malia o recoñecemento xeneralizado do potencial da cristalografía para estes experimentos, a finais da década de 1970 o Banco de Datos de Proteínas só contaba cunhas sesenta entradas.
Expansión e madureza: 1980-2010
Os tubos de raios X, con sucesivas melloras, utilizáronse como a fonte primordial de raios X para os experimentos de cristalografía desde os seus comezos ata a década de 1970, época en que se empezou a experimentar coa radiación sincrotrón de raios X. Os sincrotróns dedicados exclusivamente á produción de raios X apareceron na década de 1980 e o seu número non deixou de aumentar desde entón. Na primeira década do século XXI construíronse os primeiros láseres de electróns libres de raios X, con capacidade de producir feixes de luz pulsada dunha intensidade varias ordes de magnitude maior que nas fontes de luz sincrotrón convencionais. A duración dos pulsos de luz, da orde de femtosegundos ofrece a posibilidade de observar cambios nos cristais a escalas temporais inacadables anteriormente. Durante estes anos tamén se desenvolveron novos detectores bidimensionais ou «de área», capaces de xerar directamente unha imaxe dixitalizada do padrón de difracción. Estes detectores facilitaron a rápida medición e análise da difracción e substituíron totalmente as placas fotográficas usadas ata entón.
Os mencionados avances, unidos ao incremento da capacidade dos computadores modernos para almacenar e procesar datos, permitiron levar a cabo experimentos antano irrealizables, e desembocaron nun aumento exponencial do número de estruturas dilucidadas por métodos cristalográficos. O desenvolvemento máis notable tivo lugar na área das macromoléculas orgánicas, con máis de 88 000 estruturas depositadas no Banco de Datos de Proteínas ao comezo de 2013. A obtención en 2000 da estrutura do ribosoma, un enorme complexo formado por ácidos nucleicos e varias proteínas onde ten lugar a síntese de proteínas na célula, ilustra as capacidades que acadou a técnica.
Aspectos físicos Cristais e redes cristalinas miniatura|esquerda|Estrutura cristalina do cloruro de hidróxeno deuterado coa cela unidade superposta sobre as moléculas. A rede cristalina fómase por medio da translación da cela unidade ao longo das direccións definidas por e . miniatura|Parámetros da cela unidade.
Os cristais están formados por unha repetición periódica de moléculas en tres dimensións. O cristal pódese representar matematicamente