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Kristalle und Medikamente

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Kristalle und Medikamente. Heute kennen wir die molekulare Struktur von Medikamenten im Detail, vom alltäglichen Aspirin bis hin zu modernen Medikamenten zur Bekämpfung von AIDS. Diese Strukturinformation auf atomarer Ebene hat die Mineralogie, Chemie, Pharmakologie, Biochemie, Medizin und Materialwissenschaft für immer revolutioniert. Solche wertvollen Informationen verdanken wir der Kristallographie.

Die Macht der neuen Technik der Röntgenbeugung durch Kristalle, um die Struktur von Mineralien zu enthüllen, verblüffte die wissenschaftliche Gemeinschaft. Es war eine enorm wichtige Information für das Verständnis der Eigenschaften von Mineralien, der Reaktivität chemischer Verbindungen und letztlich für die Zuordnung der Struktur pharmakologischer Verbindungen zu ihren therapeutischen Eigenschaften und der Struktur biologischer Moleküle zu ihrer Funktion im Organismus.

Damit wurde die Röntgenbeugung zum leistungsfähigsten “Mikroskop” der Wissenschaft, das als einziges in der Lage ist, die molekulare Struktur von Kristallen zu sehen. Es war klar, dass es unerlässlich war, Kristalle der Verbindung zu haben. Die ersten Mineralien wurden verwendet, die Kristalle von der Natur bereitgestellt. In den späten 1920er Jahren war die Struktur von Sulfiden, Granaten und Silikaten bekannt, Verbindungen mit wenigen unterschiedlichen Atomen. Und auch die Strukturen wichtiger Metall-Legierungen wurden entdeckt.

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Kristalle und Medikamente

Verbindungen

Bald begannen sie, Verbindungen zu untersuchen, die kristallisiert werden mussten. Die erste organische Verbindung, deren Struktur durch Röntgenbeugung aufgelöst wurde, war Hexamethylentetramin. Es war eindeutig eine einfache Struktur mit vier Stickstoffatomen (in blau), sechs Kohlenstoffatomen (in schwarz) und zwölf Wasserstoffatomen (in grau).

Das Lösen von immer komplexeren und interessanteren Molekülstrukturen stellt eine unaufhaltsame Herausforderung dar. Dorothy Hodking zeichnete sich durch die Bestimmung der dreidimensionalen Struktur der ersten biochemischen Verbindungen aus, wie Cholesterin 1937, Penicillin 1945, Vitamin B12 1954 und Insulin 1969. Für ihre Forschungen erhielt sie 1964 den Nobelpreis.

Kristalle und Medikamente

Röntgenbild

Immer vorwärts, immer vorwärts. Komplexere Strukturen, größer und mit einer größeren Anzahl verschiedener Atome; aber es gab ein Hindernis für das vollständige Verständnis all der Informationen, die diese harmonisch auf der fotografischen Platte verteilten schwarzen Flecken enthielten, und das schien unüberwindbar. Es wurde das Phasenproblem genannt.

Die molekulare Information war da, an jenen Stellen, aus deren Größe und Schwärze wir die Intensität, also die Amplitude, entnehmen konnten, aber nicht die andere Information, die eine Welle enthält, die Phase. Es war, als würde man eine Symphonie aus einer Partitur neu komponieren, in der die Taktnummerierung fehlt, so dass es unmöglich ist, das Klavier mit den Streichern zu synchronisieren, innerhalb derer jede der Geigen, Bratschen und Celli ebenfalls “phasenverschoben” ist… Wir können die Sinfonie nur schätzen, wenn wir die Partituren zeitlich “ausrichten”, also “in Phase bringen”

Lange Zeit galt das Problem nicht nur als schwierig, sondern auch als unlösbar. Herbert Hauptman und Jerome Karle gelang es jedoch, die Gleichungen zu finden, die sie enträtseln und die Methode, sie direkt zu lösen.

Struktur der Moleküle

Und es war Isabella Karle, die diese Ideen in ein experimentelles Protokoll umsetzte. Damit lieferten sie das Werkzeug, das Chemikern und Biochemikern den Traum vom Verständnis von Reaktionen und Leben auf molekularer Ebene ermöglichte: die Bestimmung der wahren Struktur von Molekülen. Für diesen bewundernswerten Beitrag zu den so genannten direkten Methoden der Strukturbestimmung erhielten Herbert Hauptman und Jerome Karle 1985 den Nobelpreis für Chemie.

Fluoxetin (bekannt als Prozac, sein erster kommerzieller Name) ist ein Antidepressivum, das zur Behandlung von Major Depression, bipolarer Störung, Zwangsstörung und Bulimia nervosa eingesetzt wird. Im Jahr 2012 wurde entdeckt, dass es auch ein starkes antivirales Mittel ist.

Acetylsalicylsäure, im Volksmund als Aspirin bekannt, ist ein Medikament aus der Familie der Salicylate, das häufig als entzündungshemmendes und schmerzstillendes Mittel eingesetzt wird. Weltweit werden etwa 25 Millionen Pfund pro Jahr verbraucht. Doch wie die Abbildung zeigt, wurde seine räumliche Anordnung erst 1964 entdeckt. Das Molekül besteht aus neun Kohlenstoffatomen, acht Wasserstoffatomen und vier Sauerstoffatome.

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