Isotopenmarkierung

Die Methode d​er Isotopenmarkierung (auch Methode d​er isotopisch markierten Verbindungen o​der Tracer-Technik) beschreibt d​as systematische Einfügen definierter Isotope i​n organische Verbindungen.[1][2][3] Durch d​en Austausch v​on Isotopen lassen s​ich zwei markierte Moleküle o​der Atome i​m Verlauf chemischer Reaktionen unterscheiden.[1][3] Anhand d​er gewonnenen Informationen können Reaktionsmechanismen aufgeklärt werden.[1][3]

Eigenschaften

In einer chemischen Reaktion sind in der Regel nur die Edukte und die Produkte erkennbar.[1] Mit der Isotopenmarkierung lässt sich die Rolle zweier verschieden gebundener Atome im Reaktionsverlauf untersuchen.[1] Der Vorteil der Isotopenmarkierung ist dabei, dass kein Zusatz störender Substanzen erforderlich ist.[1] Das zur Markierung genutzte Isotop lässt sich im Anschluss an die Reaktion mittels Analyseverfahren, wie der NMR-Technik oder Massenspektrometrie in dem gebildeten Produkt und seiner entsprechenden Bindungssituation nachweisen.[1]

Beispiel einer Isotopen-markierten Verbindung

Da es sich bei den markierten Verbindungen meist um kostspielige Stoffe handelt, wird eine markierte Verbindung mit einem Überschuss an unmarkierter Verbindung verdünnt.[1] Beispiele eines Austausch von Isotopen sind der Ersatz von H, durch schweren Wasserstoff wie D (Deuterium) oder T (Tritium), 12C durch 13C, 14C oder 16O durch 17O, 18O.[1][3]

Anwendungen

Melvin Calvin wendete d​ie Isotopenmarkierung b​ei der Entdeckung d​es Calvin-Zyklus an.[4] Der Meselson-Stahl-Versuch i​st ein weiteres bekanntes Beispiel für d​ie Anwendung d​er Isotopenmarkierung, d​urch den Versuch w​urde die semikonservative Replikation d​er DNA nachgewiesen.[5]

Aufklärung von Reaktionsmechanismen

Ein Beispiel zur Anwendung der Isotopenmarkierung als Aufklärungsmethode in der organischen Chemie ergibt sich nach Roberts und Urey mit der Esterbildung.[1] Die Aufklärung des zugehörigen Mechanismus warf zunächst die Frage auf, ob das alkylgebundene hydroxide Sauerstoffatom des Alkohols nach Abschluss der Reaktion im Ester oder im entstandenen Wasser vorliegt.[1] Durch die Verwendung eines mit 18O-markierten Alkohols (nachfolgend blau dargestellt) ließ sich zeigen, dass das 18O-Isotop ausschließlich im Ester nachzuweisen ist, demnach nur der obere Reaktionsweg (A) abläuft (es wird lediglich eine Richtung der Reaktion betrachtet, wobei es sich bei dem gewöhnlich gebundenen Sauerstoff um das 16O-Isotop handelt):[1]

Beispiel zur Motivation der Isotopenmarkierung anhand einer Veresterungsreaktion

Mittels Isotopenmarkierung ließ sich zudem die Unbeständigkeit der Carbonylgruppe der Carbonsäure im Laufe der Esterbildung feststellen.[1]

Biotechnologische Methode – metabolische Markierung

Gezielt isotopenmarkierte Verbindungen, w​ie Arzneistoffe, Wirkstoffe i​n Pflanzenschutzmitteln o​der Proteine werden hergestellt, u​m den Metabolismus dieser Stoffe gezielt untersuchen z​u können. Mittels isotopenmarkierter Wirkstoffe k​ann der Abbau dieser Stoffe i​m Körper, d​ie Ausscheidung (z. B. über d​en Urin) u​nd deren Verbleib i​n der Umwelt studiert werden.[6] Dies w​ird beispielsweise m​it der Methode d​er metabolischen Markierung erreicht, b​ei der bestimmte Zellkulturen i​n speziellen Nährmedien u​nter anderen m​it isotopisch markierten Verbindungen (zum Beispiel 35S) angereichert werden können, u​m anschließend i​hren Verbleib i​m Metabolismus v​on Organismen untersuchen z​u können.[6]

SILAC-Methode

Das Verfahren d​er metabolischen Markierung findet beispielsweise i​m Rahmen d​er SILAC-Methode (zum Beispiel i​n Form e​iner 15N-Markierung) Anwendung.[7]

Anwendung in weiteren Methoden

Eine chemische Variante d​er Isotopenmarkierung i​st die Dimethyl-Markierung (ICAT).[8]

Die Isotopenmarkierung findet z​udem Anwendung i​n Form d​er Isobarenmarkierung.[9][10]

Mögliche Herstellung einer isotopenmarkierter Verbindungen

Exemplarisch lässt sich, ausgehend von 13C-markiertem Bariumcarbonat (1), mittels Zusatz von Schwefelsäure 13C-markiertes Kohlenstoffdioxid herstellen.[11][12] Über eine Grignard-Reaktion mit Butylmagnesiumbromid kann das markierte Kohlenstoffdioxid anschließend zur Carbonsäure (2) mit 13C-markierter Carbonylgruppe umgesetzt werden.[13]

Exemplarische Synthese einer 13C-markierten Carbonsäure

Einzelnachweise
  1. Ivan Ernest: Bindung, Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie. Springer-Verlag, Wien, 1972, S. 72–74, ISBN 978-3-211-81365-2, doi:10.1007/978-3-7091-8437-0.
  2. Hans Rudolf Christen, Günther Baars: Chemie. 1. Auflage, Verlag Sauerländer; Aarau und Diesterweg Verlag; Frankfurt am Main, 1997, S. 35, ISBN 3-7941-3768-X (Sauerländer), ISBN 3-425-05393-0 (Diesterweg).
  3. Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.): RÖMPP. Lexikon. Chemie H–L. 10. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1997, S. 2015–2016, ISBN 3-13-734810-2.
  4. Richard E. Dickerson, Harry B. Gray, Marcetta Y. Darensbourg, Donald J. Darensbourg: Prinzipien der Chemie. 2. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1988, S. 747, ISBN 3-11-009969-1.
  5. Matthew Meselson, Franklin W. Stahl: The replication of DNA in Escherichia coli. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 44, Nr. 7, 1958, S. 671–682, doi:10.1073/pnas.44.7.671.
  6. Kurt E. Geckeler, Heiner Eckstein (Hrsg.): Bioanalytische und biochemische Labormethoden. Springer-Verlag, Wiesbaden, 2013, S. 457–458, ISBN 978-3-642-63745-2, doi:10.1007/978-3-642-58820-4.
  7. Shao-En Ong, Blagoy Blagoev, Irina Kratchmarova, Dan Bach Kristensen, Hanno Steen, Akhilesh Pandey, Matthias Mann: Stable Isotope Labeling by Amino Acids in Cell Culture, SILAC, as a Simple and Accurate Approach to Expression Proteomics. In: Molecular & Cellular Proteomics. Band 1, 2002, S. 376–386, doi:10.1074/mcp.M200025-MCP200.
  8. Steven P. Gygi, Beate Rist, Scott A. Gerber, Frantisek Turecek, Michael H. Gelb, Rudolf Hans Aebersold|Ruedi Aebersold: Quantitative analysis of complex protein mixtures using isotope-coded affinity tags. In: Nature Biotechnology. Band 17, Nr. 10, 1999, S. 994–999, doi:10.1038/13690.
  9. Thompson A, Schäfer J, Kuhn K et al.: Tandem mass tags: a novel quantification strategy for comparative analysis of complex protein mixtures by MS/MS. In: Anal. Chem.. 75, Nr. 8, 2003, S. 1895–904. doi:10.1021/ac0262560. PMID 12713048.
  10. Ross PL, Huang YN, Marchese JN, Williamson B, Parker K, Hattan S, Khainovski N, Pillai S, Dey S, Daniels S, Purkayastha S, Juhasz P, Martin S, Bartlet-Jones M, He F, Jacobson A, Pappin DJ: Multiplexed protein quantitation in Saccharomyces cerevisiae using amine-reactive isobaric tagging reagents. In: Mol. Cell. Proteomics. 3, Nr. 12, 2004, S. 1154–1169. doi:10.1074/mcp.M400129-MCP200. PMID 15385600.
  11. Barium carbonate-13C als Rohstoff im Katalog von Sigma-Aldrich/Merck. Website des Rohstoffherstellers Sigma-Aldrich/Merck. Abgerufen am 10. November 2017.
  12. Nils Wiberg, Egon Wiberg, Arnold Frederik Holleman: Anorganische Chemie – Grundlagen und Hauptgruppenelemente. Band 1, 103. Auflage, Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, 2016, S. 235–237 & S. 1031, ISBN 978-3-11-026932-1.
  13. Hauptmann Siegfried: Organische Chemie. 1. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt am Main, 1985, S. 400, ISBN 3-87144-902-4.
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