Sinh học phân tử vi phân tử
Các cấu trúc tinh thể của protein (không đều và hàng trăm lần so với cholesterol) bắt đầu được giải quyết vào cuối những năm 1950, bắt đầu với cấu trúc myoglobin cá voi tinh trùng của Sir John Cowdery Kendrew, mà ông chia sẻ giải Nobel Hóa học với Max Perutz vào năm 1962. Kể từ đó thành công, 132055 cấu trúc tinh thể X-quang của protein, axit nucleic và các phân tử sinh học khác đã được xác định. Để so sánh, phương pháp cạnh tranh gần nhất về cấu trúc đã được phân tích là quang phổ điện từ hạt nhân (NMR) đã giải quyết được 11904 cấu trúc hóa học . Hơn nữa, tinh thể học có thể giải quyết các cấu trúc của các phân tử lớn tùy ý, trong khi NMR của NMR giải pháp bị hạn chế cho các hạt tương đối nhỏ (dưới 70 kDa). Kết tinh tinh thể X-quang bây giờ được các nhà khoa học sử dụng thường xuyên để xác định cách thức một loại dược phẩm tương tác với mục tiêu protein của nó và những thay đổi có thể cải thiện nó như thế nào. Tuy nhiên, các protein màng nội tại vẫn còn thách thức để kết tinh bởi vì chúng đòi hỏi chất tẩy rửa hoặc các phương tiện khác để hòa tan chúng một cách riêng biệt, và chất tẩy như vậy thường gây trở ngại cho quá trình kết tinh. Các protein màng như vậy là một thành phần lớn của bộ gen, và bao gồm nhiều protein có tầm quan trọng sinh lý lớn, chẳng hạn như các kênh ion và các thụ thể. Híp cryogenic được sử dụng để ngăn ngừa sự tổn thương bức xạ trong tinh thể protein .
Ở đầu kia của quy mô kích thước, ngay cả các phân tử tương đối nhỏ cũng có thể đặt ra những thách thức đối với khả năng phân giải của tinh thể học tia X. Cơ cấu tổ chức năm 1991 đối với kháng sinh phân lập từ sinh vật biển, diazonamit A (C40H34Cl2N6O6, khối lượng phân tử 765,65 g / mol) đã chứng minh là không chính xác bằng chứng minh cấu trúc cổ điển: một mẫu tổng hợp không giống với sản phẩm tự nhiên. Sai lầm này được cho là do sự không khả thi của tinh thể học tia X để phân biệt giữa -OH /> NH và -NG-NH2 / CH- tương ứng với cấu trúc sai. Với những tiến bộ trong dụng cụ, tuy nhiên, bây giờ có thể phân biệt được giữa các nhóm tương tự như vậy bằng cách sử dụng máy phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể đơn.
Mối quan hệ với các kỹ thuật tán xạ khác
Thông tin thêm: Các kỹ thuật tán xạ tia X
Sự tán xạ đàn hồi và không đàn hồi
Kết tinh tinh thể X là một dạng phân tán đàn hồi; các tia X đi ra có cùng năng lượng, và do đó cùng bước sóng, như các tia X tới, chỉ với hướng thay đổi. Ngược lại, sự tán xạ không đàn hồi xảy ra khi chuyển năng lượng từ tia X đến tinh thể, ví dụ bằng cách kích thích electron bên trong đến mức năng lượng cao hơn. Sự tán xạ không đàn hồi làm giảm năng lượng (hoặc tăng bước sóng) của chùm đi ra. Sự tán xạ không đàn hồi rất hữu ích cho việc dò tìm sự kích thích của vật chất, nhưng không phải trong việc xác định sự phân bố các chất tán xạ bên trong vật chất, đó là mục tiêu của tinh thể học tia X.
Tia X có bước sóng từ 10 đến 0,01 nanomet; một bước sóng điển hình được sử dụng cho tinh thể học là 1 Å (0.1 nm) [cần dẫn nguồn], mà là trên quy mô liên kết hoá trị đồng hóa trị và bán kính của một nguyên tử. Các photon dài hơn bước sóng (như bức xạ cực tím) sẽ không có độ phân giải đủ để xác định các vị trí nguyên tử. Ở cực khác, các photon bước sóng ngắn như tia gamma rất khó sản xuất với số lượng lớn, khó tập trung, và tương tác quá mạnh với vật chất, tạo ra cặp hạt-phản hạt. Do đó, tia X là “sweetspot” cho bước sóng khi xác định các cấu trúc phân giải nguyên tử từ sự tán xạ của bức xạ điện từ.
Các kỹ thuật X-quang khác
Các dạng phân tán X-quang khác bao gồm nhiễu xạ bột, phân tán tia X góc nhỏ (SAXS) và một số nhiễu xạ sợi tia X, được Rosalind Franklin sử dụng để xác định cấu trúc xoắn kép của DNA. Nói chung, nhiễu xạ tia X đơn tinh thể cung cấp nhiều thông tin cấu trúc hơn các kỹ thuật khác; tuy nhiên, nó đòi hỏi một tinh thể đủ lớn và thường xuyên, mà không phải là luôn luôn có sẵn.
Các phương pháp tán xạ thường sử dụng các tia X đơn sắc, được giới hạn trong một bước sóng đơn lẻ với độ lệch nhỏ. Một quang phổ rộng các tia X (có nghĩa là sự kết hợp của tia X với bước sóng khác nhau) cũng có thể được sử dụng để thực hiện nhiễu xạ tia X, một kỹ thuật được gọi là phương pháp Laue. Đây là phương pháp được sử dụng trong khám phá ban đầu của nhiễu xạ tia X. Sự tán xạ Laue cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc chỉ với sự tiếp xúc ngắn với chùm tia X và do đó được sử dụng trong các nghiên cứu cấu trúc của các sự kiện rất nhanh (Thời gian giải quyết tinh thể học). Tuy nhiên, nó không phải là phù hợp nhất như tán xạ đơn sắc để xác định cấu trúc nguyên tử nguyên thủy của một tinh thể và do đó làm việc tốt hơn với tinh thể với sự sắp xếp nguyên tử tương đối đơn giản.
Chế độ phản chiếu ngược Laue ghi lại các tia X phân tán ngược từ một nguồn phổ rộng. Điều này rất hữu ích nếu mẫu quá dày cho tia X để truyền qua nó. Các máy bay nhiễu xạ trong tinh thể được xác định bằng cách biết rằng mặt phẳng bình thường tới mặt phẳng nhiễu xạ chia góc giữa chùm sáng và chùm nhiễu xạ. Một biểu đồ Greninger có thể được sử dụng [94] để giải thích hình ảnh phản chiếu Laue.