The problem of the structural biologist. Nobel Prize 1962 Physiology or Medicine Crick, Watson, Wilkins

Transcripción

1 The problem of the structural biologist 1953 Nobel Prize 1962 Physiology or Medicine Crick, Watson, Wilkins

2 The problem of the structural biologist 1959 For this, Perutz and Kendrew were awarded the 1962 Nobel Prize for Chemistry.

3 The problem of the structural biologist Biological function 3d structure of bio-molecules

4 Structure and basic knowledge? Pure carbon: diamond Pure carbon: graphite

5 The role of Crystallography Crystallography is the key discipline to study both: the molecular structure at the atomic level, and the recognition models among molecules The molecular folding The molecular details The molecular interactions

6 The concept of crystal

7 The crystalline state of matter Diamond Pyrite Escapolite Organic and protein crystals The inorganic world The structure of the solid is maintained through a threedimensional endless network of covalent or ionic bonds

8 The crystalline state of matter The organic and macromolecular world The concept of molecule appears as isolated entity. The molecules see each other and pack together through several interactions (van der Waals, hydrogen bonds, etc.). NON-COVALENT interactions are the forces maintaining the packing of organic crystals and defining the molecular recognition process.

9 The crystalline state of matter Packing in the inorganic and organic worlds

10 The crystalline state of matter The packing is not efficient!!! Large holes are produced Packing in the macromolecular world

11 Basic crystal concepts Periodicity, symmetry

12 Basic concepts: Periodicity - Networks The concept of periodicity is related to the crystal nature and with the absence of an origin

13 Basic concepts: Periodicity - Networks The concept of periodicity leads to the mathematical concept of network endless... The concept of network leads to the concept of elementary cell 1 st simplification

14 Basic concepts: Periodicity - Networks d

15 Basic concepts: Periodicity - Networks d d

16 Basic concepts: Periodicity - Networks d d d

17 Basic concepts: Periodicity - Networks El cristal el real, lo demás es nomenclatura 6 LAGARTOS Red tipo C

18 Basic concepts: Periodicity - Networks 6 LAGARTOS Red tipo P 3 LAGARTOS

19 Basic concepts: Symmetry Symmetry is the repetition of something in the space or in the time... Symmetry (beauty) is the result of a balanced or harmonious arrangement 2 nd simplification... and it is present in the crystals since molecules are arranged in networks and distributed around symmetry elements...

20 Basic concepts: Symmetry We use the symmetry elements to describe the symmetry of the objects, molecules.. Within this flower we may see a symmetry axis... Within each petal we may see a mirror plane... In this figure there are an inversion centre...

21 Basic concepts: Periodicity - Networks 6 LAGARTOS Red tipo P 3 LAGARTOS

22 Basic concepts: Periodicity - Networks 1 LAGARTO 6 LAGARTOS Red tipo P Compatibiliza simetría y red cristalina para nuestra comodidad 3 LAGARTOS

23 Simetría: grupo puntual El conjunto de elementos de simetría de un objeto finito (motivo) que pasan por un punto, definen la simetría total del objeto, denominada grupo puntual de simetría. 6mm

24 Simetría: grupo puntual El conjunto de elementos de simetría de un objeto finito (motivo) que pasan por un punto, definen la simetría total del objeto, denominada grupo puntual de simetría. m

25 Simetría: grupo puntual El conjunto de elementos de simetría de un objeto finito (motivo) que pasan por un punto, definen la simetría total del objeto, denominada grupo puntual de simetría. 3

26 Simetría: clases cristalinas Grupos puntuales hay muchos, pero en los cristales han de ser compatibles con la periodicidad (repetitividad por traslación) que los describe internamente. Así, en los cristales no son posibles las rotaciones de orden 5 (un objeto que se repita a sí mismo, mediante giro, 5 veces). En los cristales sólo hay 32 grupos puntuales Grupo puntual + translación = 32 clases cristalinas

27 Simetría: clases cristalinas Grupos puntuales hay muchos, pero en los cristales han de ser compatibles con la periodicidad (repetitividad por traslación) que los describe internamente. Así, en los cristales no son posibles las rotaciones de orden 5 (un objeto que se repita a sí mismo, mediante giro, 5 veces). En los cristales sólo hay 32 grupos puntuales Grupo puntual + translación = 32 clases cristalinas

28 Simetría: grupos de Laue De las 32 clases cristalinas sólo 11 contienen al operador centro de simetría y a éstas clases cristalinas centrosimétricas se les conoce con el nombre de grupos de Laue. Grupo puntual + centro de simetría = 11 grupos de Laue

29 Simetría: redes de Bravais En los cristales, las formas de repetición por traslación (las redes) tienen que ser compatibles con la simetría puntual. A estos tipos de redes compatibles con se les llama redes de Bravais. 32 clases cristalinas + translación = 14 redes de Bravais

30 Simetría: grupos espaciales Al combinar los grupos puntuales de los cristales (las 32 clases cristalinas) con las 14 redes de Bravais, nos encontramos con 230 maneras posibles de repetir un objeto finito (motivo) en el espacio de 3 dimensiones. 32 clases cristalinas + 14 redes de Bravais = 230 grupos espaciales Ejemplo de grupo espacial, según aparece en las International Tables for X-ray Crystallography

31 Simetría: sistemas cristalinos Estas 32 clases, 14 redes y 230 grupos espaciales pueden clasificarse, según la simetría mínima que albergan, en 7 sistemas cristalinos. La simetría mínima produce restricciones en los valores métricos (distancias y ángulos) que describen la forma y el tamaño de la red. Triclínico: a b c Monoclínico: a b c = =90 90 Ortorrómbico: a b c = = = 90 Tetragonal: a = b c = = = 90 Romboédrico: a = b = c = = 90 Hexagonal: a = b c = = 90 = 120 Cúbico: a = b = c = = = 90

32 4 mm

33 4 mm La periodicidad genera nuevos elementos de simetría

34 4 mm

35 2 mm

36 2 mm La periodicidad genera nuevos elementos de simetría

37 How do we interpret the crystal concept? Cell Network Motif Symmetry operators Crystal