25. Röntgenstrukturanalyse

Röntgenkristallographie ist die meistverwendete Methode in der molekularen Strukturbiologie. Bis Mitte 2019 wurden über 150.000 dreidimensionale Modelle von biologischen Makromolekülen in der Protein Data Bank (PDB; ► www.​rcsb.​org) deponiert. Etwa 89 % dieser Strukturen sind Kristallstrukturen. Magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR, ► Kap. 21) und Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM, ► Kap. 23) tragen 8 % bzw. 2 % der Strukturen bei. Mit Röntgenkristallographie können Moleküle beliebiger Größe analysiert werden. Im Gegensatz dazu ist NMR-Spektroskopie auf Moleküle <40 kDa beschränkt, und Kryo-EM erfordert heutzutage noch molekulare Massen >50 kDa. Röntgenstrukturanalyse im weiteren Sinn umfasst alle Methoden, die Röntgenlicht verwenden. Dazu gehören neben der klassischen Kristallographie die Röntgen-Kleinwinkelstreuung SAXS (Small Angle X-ray Scattering), WAXS (Wide-Angle X-ray Scattering), die Röntgenptychographie (eine Variante der Röntgenmikroskopie), EXAFS- (Extended X-ray Absorption Fine Structure) Spektroskopie und XANES- (X-ray Absorption Near Edge Structure) Spektroskopie. Hier werden lediglich Röntgenkristallographie und SAXS besprochen. Kristallographie liefert Auflösungen im einstelligen Ångstrøm-Bereich (1 Å = 0,1 nm = 100 pm = 10⁻¹⁰ m) und ist damit mit NMR und Kryo-EM vergleichbar. Die Auflösungen bei SAXS liegen im Bereich von mehreren Nanometern und entsprechen damit denen der konventionellen Elektronenmikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie (► Kap. 24; ◘ Abb. 25.1). Dabei ist Auflösung definiert als der minimale Abstand zweier Objekte, bei dem sie noch als getrennt identifiziert werden können.