Spin-Trapping
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Spin-Trapping ist eine analytische Methode in der Chemie und Biochemie zur Identifizierung und Charakterisierung kurzlebiger Radikale. Diese Radikale – insbesondere freie Radikale – sind hochreaktive Moleküle mit ungepaarten Elektronen, die in biologischen und chemischen Prozessen in wässrigen Lösungen oft nur für Bruchteile von Sekunden als Zwischenprodukte existieren. Da sie so flüchtig sind, gestaltet sich ihr Nachweis besonders schwierig.
Prinzip
Für den Nachweis solcher kurzlebiger Radikale wurde das "Spin-Trapping" entwickelt. Dabei reagiert ein diamagnetisches Reagenz in Lösung mit transienten Radikalen und bildet dabei beständigere Radikaladdukte. Das diamagnetische Reagenz wird als „Spin-Trap“ oder „Radikalfänger“, und das beständigere Radikaladdukt als „Spin-Addukt“ bezeichnet wird. Die Radikaladdukte akkumulieren sich bei der Reaktion bis zu einer Konzentration, bei der sie durch spektroskopischen Methoden – vor allem der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR/EPR) nachgewiesen und häufig auch identifiziert werden können. Die Schlüsselfunktion der Reaktion besteht meist in einer Anlagerungsreaktion.[1]
Beim "inverted Spin-Trapping" reagiert das Spin-Trap-Reagenz zunächst selbst mit einem Oxidationsmittel und bildet dabei ein Radikal. Dieses Radikal kann anschließend mit anderen Substanzen (z. B. Nucleophilen oder Antioxidantien) reagieren. So fungiert das Spin-Trap-Molekül nun als Radikalquelle, nicht als „Radikalfänger“.[2]
Die Methode wurde 1968 durch mindestens drei unabhängigen Forscherteam entwickelt.[3][4] Der Begriff „Spin-Trapping“ wurde erstmals in einem Artikel von Edward G. Janzen und Barry J. Blackburn verwendet, der 1969 im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde.[5] Eine quantitative Weiterentwicklung, bei der im Wesentlichen alle in einem bestimmten System gebildeten reaktiven Radikale abgefangen werden, wird als Spin-Counting bezeichnet. Spin-Trapping wurde auch auf das Abfangen von Radikalen übertragen, die in Gas- und Festphasen erzeugt wurden. In diesen Fällen wird das Spinaddukt in der Praxis in eine Flüssiglösung überführt, um die Interpretation der mittels EPR/ESR erhaltenen Radikalspektren zu erleichtern.[1]
Spin-Traps
Die bei der Reaktion als diamagnetische Reagenzien eingesetzten Spin-Trap-Verbindungen (kurz Spin-Traps) sind meist Nitronverbindungen oder C-Nitrosoverbindungen, die als Addukt Nitrylradikale bilden.[1] Ein Nitron ist eine funktionelle Gruppe, dessen Reaktivität chemisch der von Carbonylverbindungen wie Ketonen und Aldehyden ähnelt. Das doppelt an ein Stickstoffatom gebundene Kohlenstoffatom, auch als Nitronyl-Kohlenstoff bezeichnet, ist durch die ausgeprägte positive Ladung anfällig für nukleophile Additionen ist, was analog zu den Carbonyl-Kohlenstoffen ist.[6] Nitrone haben gegenüber Nitrosoverbindungen den Vorteil, dass sie thermisch und photochemisch stabiler sind. Weitere Nachteile von Nitrosoverbindungen ist ihre Neigung zur Bildung von Dimeren, die gegenüber Radikalfängern inert sind, und ihre Unzuverlässigkeit in Anwendungen mit sauerstoffzentrierten Radikalen. Es gibt jedoch keine perfekte Spin-Trap-Verbindung, daher muss diese für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden, wobei mehr als 100 Verbindungen bekannt sind, die sich als Spin-Trap eignen. Eine Hilfe bei der Auswahl einer geeigneten Verbindung ist die Verfügbarkeit von Geschwindigkeitskonstanten für viele Spin-Trapping-Reaktionen.[7]
Spin-Traps sollten nicht mit Spin-Probes oder Spin-Labels verwechselt werden, da diese bei anderen Verfahren eingesetzt werden.
Ein typisches Beispiel eines Spin-Traps ist 5,5-Dimethyl-1-pyrrolin-N-oxid (DMPO), das mit Sauerstoff- oder Kohlenstoff-basierten Radikalen reagiert. Eine häufig verwendete Spin-Trap-Verbindung ist auch 2-Methyl-2-nitrosopropan.[3]
5-Diisopropoxyphosphoryl-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid[S 2] (DIPPMPO) wird als Spin-Traps zur Messung der Superoxidproduktion in Mitochondrien verwendet. Es eignet sich für diesen Einsatzzweck besser als 5-Diethoxyphosphoryl-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid[S 3] (DEPMPO).[8][9]
Anwendungen
Spin-Trapping findet breite Anwendung in der Untersuchung von:[3]
- Oxidativen Stressvorgängen in biologischen Systemen (z. B. bei Entzündungen oder Zellschädigungen)
- Mechanismen photochemischer Reaktionen
- Radikalreaktionen in der Polymer- und Materialwissenschaft
Daneben hinaus wird in Studien erforscht, ob man damit nicht nur entsprechende Vorgänge untersuchen kann, sondern auch die Radikale abfangen und damit Schädigungen in Haut (durch den Einsatz in Kosmetika) oder anderen Organen vorbeugen kann.[10][11][12]