Struktur

Struktur des Wassermoleküls: Stabmodell und Kalottenmodell H₂O

Struktur (von lateinisch structura) ist die Zusammenfügung, Zusammensetzung oder Bauart eines Systems. Der Begriff wird zum Beispiel verwendet, um chemische Verbindungen zu beschreiben oder um die Eigenschaften eines Materials zu erklären. Chemische Stoffe können sich hinsichtlich der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome in ihren Molekülen unterscheiden, auch wenn ihre Zusammensetzung anhand der Summenformel gleich ist (Isomerie). Das kann sich in unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zeigen. Die Strukturanalytik umfasst als Teilgebiet der Analytischen Chemie chemische und physikalische Methoden zur Aufklärung der chemischen Struktur von Substanzen. Dabei wird oft mit Modellen gearbeitet. Verhältnismäßig einfache Modelle gibt es dagegen für Kristalle.

Auch die Strukturchemie, Festkörperchemie, Festkörperphysik und Kristallographie, sowie Werkstoffprüfung und Metallografie beschäftigen sich mit der Aufklärung und Beschreibung von Strukturen, der räumlichen Anordnung von Atomen, Molekülen und Ionen in Feststoffen. In der Oberflächenchemie und -physik ist die Struktur einer Oberfläche von besonderer Bedeutung, da an einem Phasenübergang oft besondere Effekte entstehen.

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1 Strukturen in der Chemie

Beispiel einer Strukturformel

Die Strukturformel ist in der Chemie ein Sammelbegriff für verschiedene Darstellungsweisen der Struktur eines Moleküls. Einige funktionelle Gruppen in organischen Molekülen lassen sich mit einfachen chemischen Nachweisreaktionen finden:

• Alkohole: Iodoformprobe
• Aldehyde: Fehlingsche Probe, Schiff's Reagenz, Tollensprobe, Nylanders Reagenz
• Carbonsäuren: Esterbildung mit Geruchsprobe
• C–C-Mehrfachbindungen: Elektrophile Addition von Brom oder Iod (Entfärbung)
• Organische Halogenide: Beilsteinprobe

Die einzelnen Ergebnisse dieser Reaktionen sind nicht immer als endgültiger Nachweis zu verstehen, da manche Ergebnisse nicht spezifisch sind oder in Gegenwart bestimmter anderer funktioneller Gruppen verfälscht werden. Besondere Anforderungen stellen die organische Chemie und die Biochemie, hier bringt meist nur die Kombination mehrerer Prüfmethoden Gewissheit über die Struktur der untersuchten Verbindung.

2 Strukturen in der Physik

3-D-Modell eines Monosaccharids

Durch die Elementaranalyse der Chemie lässt sich die Zusammensetzung, das heißt der Anteil von Atomen der einzelnen Elemente an einem Molekül, an einer chemischen Verbindung feststellen. Das reicht bei organischen Molekülen jedoch meist noch nicht aus, um eine Struktur des Moleküls zeichnen zu können. Um zusätzliche Informationen über die Topologie des Moleküls zu erhalten, stehen eine Reihe von Methoden zur Verfügung, die oft der Spektroskopie zugerechnet werden:

• Röntgenstruktur-Analyse: führt zu einem dreidimensionalen Modell (3-D-Modell) aller schwereren Atome
• Magnetische Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) liefert Informationen über bestimmte Nachbaratome, im Molekül die relativen Abstände der Atome, sowie begrenzte Information über die Verknüpfung der Atome
• Massenspektrometrie ermittelt die Gesamtmasse des Moleküls und abhängig von der eingesetzten Technik die Masse von Fragmenten, in die ein Molekül während der Massenspektrometrie zerfällt.
• Infrarot-Spektroskopie, Fluoreszenz und Phosphoreszenz lassen Rückschlüsse auf die Existenz bestimmter Atome und funktioneller Gruppen im Molekül zu
• Ramanspektroskopie
• Analyse der Neutronenstreuung

Insbesondere ist es oft nötig, das dreidimensionale Modell eines Moleküls zu bestimmen. Für diese Aufgabe kommen von den oben genannten Methoden nur die Röntgenstruktur-Analyse und in einigen Fällen die NMR-Spektroskopie in Frage. Für die Materialforschung können alle diese Methoden von Interesse sein.

Bevor diese Techniken bekannt waren, konnte in der Stereochemie die Struktur nur durch Zurückführen der noch nicht charakterisierten Substanz mittels chemischer Reaktionen auf bereits bekannte und charakterisierte Substanzen bestimmt werden; dies hatte vor allem für die Konfiguration der Zucker eine große Bedeutung, wobei die Forschung bei den Monosacchariden beginnt.

3 Biologie und Medizin

Eine komplexe chemische Struktur hat der Arzneistoff Acarbose

In der Biologie spielen Makromoleküle eine wichtige Rolle. Nicht nur die Struktur von Eiweiß (Protein) unterscheidet sich von der kleiner Moleküle, auch die traditionelle Einteilung einiger Substanzen in Säure und Base reicht oft nicht aus. Da die Primärstruktur, d.h. die Verknüpfung der einzelnen Atome, bereits bekannt ist, gilt das Interesse den Funktionen der Substanzen und der Faltung (auch Proteinstruktur), d. h. der räumlichen Anordnung der Atome bzw. Moleküle. Vor den weitreichenderen Erkenntnissen der Genetik wurde meist die Körperstruktur von Lebewesen als Maßstab für die Einordnung in eine Systematik verwendet. Einen wesentlichen Fortschritt brachte hier die Erfindung des Elektronenmikroskops.

3.1 Makromoleküle

Von den oben genannten Techniken werden für die Aufklärung der räumlichen Struktur meist die Röntgen-Strukturanalyse und die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) eingesetzt.

Für die Röntgenstrukturanalyse ist es nötig, Einkristalle der Biomakromoleküle in ausreichender Größe zu erhalten. Dies ist oft nur mittels vieler unterschiedlicher Kristallationsversuche möglich, oft werden auch gar keine Kristalle erhalten, zum Beispiel weil das Protein flexible Bereiche aufweist. Die Erzeugung von Kristallen kann teilweise Monate in Anspruch nehmen. Sind die Kristalle vorhanden, lassen sich jedoch die entsprechenden Strukturen anhand der aufgenommenen Beugungsmuster in kurzer Zeit erhalten. Durch die Einbettung in ein Kristallgitter und die dadurch zusätzlich auf das Molekül einwirkenden Kräfte können die Ergebnisse verfälscht werden.

Die NMR analysiert die Makromoleküle direkt in der Lösung. Durch NMR zugänglich sind jedoch nur Atome mit einem magnetischen Moment (einer ungeraden Spinquantenzahl) des Atomkerns. Insbesondere sind dies Wasserstoff und das natürlich in Kohlenstoff zu 1 % neben ¹²C vorkommende Isotop ¹³C sowie Phosphor ³¹P (in DNA und RNA). Um mehr Informationen, auch über andere Atomarten, erhalten zu können, müssen Moleküle verwendet werden, in denen NMR-taugliche Isotope wie ¹³C oder ¹⁵N (Stickstoff angereichert wurden.

Die Analyse von zwei oder dreidimensionalen NMR-Spektren kann die folgenden Informationen über die Substanz liefern:

• Abstände z.B. zwischen zwei Wasserstoff-Atomkernen (Protonen) durch den NOE (Kern-Overhauser-Effekt, NOESY-Spektren)
• Orientierung von ¹⁵N-H Bindungen durch dipolare Restkopplungen
• Diederwinkel durch Bestimmung der skalaren Kopplung in eindimensionalen oder COSY-Spektren

Die Strukturaufklärung ist bei Proteinen von Interesse, da oft nur eine von mehreren möglichen Faltungen des Protein als Enzym zu wirkt. Ein Beispiel ist Ubiquitin.

3.2 Genetik

Die erste Strukturaufklärung von DNA geht auf Röntgenstrukturaufklärung durch Rosalind Franklin zurück. Ihre Röntgenbeugungsdiagramme lieferten die wesentlichen Hinweise auf die Struktur der DNA, welche im Jahre 1953 von James Watson und Francis Crick veröffentlicht wurde.

Die erste hochaufgelöste Struktur eines DNA-Duplex in B-Konformation, das sogenannte Dickerson-Dodecamer, wurde im Jahre 1981 von Drew, Dickerson et al. veröffentlicht. Die Koordinaten dieses Dodecamers sind in der Brookhaven Protein Data Bank unter dem Kürzel 1BNA zugänglich. Es gilt als ein Prototyp für die Struktur von "normaler" DNA in B-Konformation und wurde inzwischen in zahlreichen weiteren Studien verfeinert oder als Referenz verwendet.

Bei der Strukturaufklärung von DNA heute ist oft die Art der Anlagerung von DNA an ein Protein oder eines organischen Moleküls (zum Beispiel eines Arzneimittels) an die DNA von Interesse. Dies gilt insbesondere für chemisch modifizierte DNA, die in Forschung und Analytik eingesetzt wird. Zudem kann DNA Triplexe, Quatruplexe und Haarnadelstrukturen ausbilden.

Die strukturelle Vielfalt von RNA ist generell größer als die von DNA. Das bedeutet, dass RNA in größerem Umfang als DNA komplexe Strukturen ausbildet, wie zum Beispiel in t-RNA oder snRNA.

3.3 Medizin

Erste weitergehende Strukturuntersuchungen in der Medizin waren nach Entdeckung der Röntgenstrahlen möglich. Wegen des damit verbundenen Risikos wurde bald nach anderen Methoden gesucht, die in Sonografie und Tomografie unterteilt werden. Am bekanntesten ist die Computertomografie.

Sonografie

4 Literatur

• Hans Rudolf Christen: Vom Atom zum Makromolekül. Organische Chemie – Biochemie – Technische Anwendungen (mit Herbert Kiechle). Sauerländer, Aarau 1983, ISBN 3-7941-1484-1
• Hans Rudolf Christen: Struktur und Energie. Eine Einführung in die allgemeine Chemie. Sauerländer, Aarau 1985, ISBN 3-7941-1723-9