IMG 1404015223

" •--

Krystalografia to dość wąska a jednocześnie wyjątkowo interdyscypl^ nama dziedzina wiedzy. Zakorzeniona jest w fizyce, bo fizyczne są obiekty jej badaii, kryształy, i fizyczny jest arsenał stosowanych metod, z dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego na czele. Jednak na wynik badania struktury kryształu krystalograf spogląda przede wszystkim okiem chemika, starając się zrozumieć właściwości i funkcjonowanie cząsteczek chemicznych na podstawie ich budowy. Jeśli tymi cząsteczkami są biomolekuły, to odczytywanie ich struktury przekłada się na rozszyfrowywanie procesów chemicznych, które określamy jako „życie". Tak więc biokrystalografia, ulokowana na pograniczu fizyki, chemii i biologii, daje nam wyjątkową okazję niemal dosłownego wniknięcia w strukturę cząsteczek życia.

Krystalografia jako nauka nowożytna wiąże swoje początki z rokiem 1611, kiedy to Johannes Kepler opublikował książeczkę De Nive Sexanguln (O sześciokątnych płatkach śniegu). Ostatnie lata swego życia Kepler spędził w Żaganiu (Sagan). W roku 1669 Duńczyk Nicolaus Steno odkrył prawo j stałości kątów mówiące, że kąty pomiędzy ściankami kryształów danej sub- i stancji (a ściślej, konkretnej fazy krystalicznej) są stałe, mimo że kryształy te mogą na pozór wyglądać bardzo różnie, tak jak różnorodne są płatki śniegu, mimo że zawsze charakteryzują je kąty 60° i 120° widoczne w ich pokroju. Racjonalne wyjaśnienie tej cechy kryształów podał francuski mineralog Rene-Just Haiiy (1784), opierając budowę kryształów na koncepcji sieci przestrzennej. Kryształy według niego powinny być zbudowane z maleńkich, identycznych cegiełek powtarzających się monotonnie w trzech kierunkach przestrzeni. Ścisłe wyprowadzenie 14 możliwych typów sieci przestrzennych podał w 1850 roku fizyk francuski Augustę Bravais. W roku 1891 jednocześnie, ale niezależnie od siebie, Rosjanin Jewgraf Stiepanowicz Fiodorow i Niemiec Arthur Moritz Schónflies wyprowadzili wszystkie możliwe rodzaje symetrii sieci przestrzennych. Jest ich 230. Warto wiedzieć, że Schónflies działał w Landsbergu, dziś noszącym nazwę Gorzów Wielkopolski. Najbardziej przełomowe odkrycie w krystalografii przyniósł rok | 1912, kiedy to Max■ Laue (później von Laue) dokonał po raz pierwszy dy-frakcji promieni X (odkrytych przez Conrada Róntgena w 1895 roku) na krysztale. Pięć lat swojego uczniowskiego życia spędził Laue w Poznaniu, uczęszczając do Fńedtichs-Wilhelms-Gymnasiurn (obecnie Gimnazjum i Liceum im. św. Jana Kantego).

W krystalografii makromolekuł najważniejsze daty to rok 1840, gdy i Hiinefeld opisał po raz pierwszy krystalizację hemoglobiny („kryształów krwi"), 1934, gdy Desmond Bemal zarejestrował po raz pierwszy dyfrakcję rentgenowską na krysztale białka (pepsyny) oraz 1937, gdy młody Austriak Max Perutz postanowił za temat wykonywanej w Anglii pracy doktorskiej wybrać oznaczenie struktury krystalicznej hemoglobiny! Zrealizowanie

tego zadania zajęło Perutzowi 22 lata. Tuż przed metą wyprzedził go kolega, John Kendrew, który rozwiązał pierwszy, w roku 1957, strukturę czterokrotnie mniejszej mioglobiny. W międzyczasie, w roku 1953, pracujący w Cavendish Laboratory Anglik Francis Crick i Amerykanin James Watson zbudowali poprawny model podwójnej helisy DNA, opierając się m.in. na zdjęciach dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na włóknach DNA autorstwa Rosalind Franklin i Maurice'a Wilkinsa. Warto podkreślić, że zarówno Perutz i Kendrew, jak i Watson i Crick pracowali w Cavendish Laboratory pod kierunkiem Williama Lawrence'a Bragga (syna), twórcy krystalografii strukturalnej.

Dziś, ponad 50 lat po tych pionierskich odkryciach, wiemy już bardzo dużo o strukturze białek i kwasów nukleinowych. Ale nadal wiele zagadek biologii strukturalnej czeka na rozwiązanie. Co więcej, kolejka tych zagadek wydłuża się w miarę, jak genomika dostarcza w lawinowym tempie trudnych do ogarnięcia informacji o sekwencji genomów. Krystalografia białek dziś to nie tylko spojrzenie wstecz na już zgromadzoną, fascynującą informację strukturalną - to również pełne wyobraźni spojrzenie w kierunku nowych wyzwań.

Definicja kryształu

Obiektem badania krystalografii są oczywiście kryształy. Trudno podać prostą, obejmującą wszystkie aspekty definicję kryształu, choć intuicyjnie wydaje nam się, że dobrze wiemy, o co chodzi. (Z tą intuicją, jak się okaże, może być jednak problem). Podamy dwie uzupełniające się definicje kryształu.

Definicja makroskopowa: jest to ciało stałe, jednorodne, mające właściwości anizotropowe. Wiemy, co to jest stały stan materii. Ciało jednorodne ma takie same właściwości w różnych elementach objętości. Anizotropią natomiast nazywamy zależność właściwości fizycznej od kierunku. Dla przykładu, kryształ może być bardziej twardy w jednym kierunku niż w innym, jego współczynnik załamania światła może zależeć od kierunku itp. W definicji makroskopowej kryształu jest kilka pułapek. Przykładowo kryształami nie są ciała szkliste, które na pozór są bardzo „krystaliczne". Mówimy np. „kryształy" na ozdobne przedmioty wykonane ze szkła „krystalicznego". Jest to błąd. Szkła nie są kryształami, gdyż ich struktura wewnętrzna jest taka jak w cieczy (zahaczamy tu o definicję mikroskopową ciał); nazywamy je również przechłodzonymi cieczami. Z biegiem czasu, bardzo powoli (bo są bardzo lepkie), szkła mogą przechodzić w stan krystaliczny (przekrystalizowują); dlatego szyby w bardzo starych oknach mato-