Isotopenmarkierung

Die Methode der Isotopenmarkierung (auch Radioisotopenmarkierung oder Tracer-Technik) beschreibt das systematische Einfügen definierter Isotope in organische Verbindungen.<ref name="MechanismenBuch">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.</ref><ref name="Tracernachweis">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).</ref><ref name="RömppIsotopenmarkierung">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.</ref> Durch den Austausch von Isotopen lassen sich zwei markierte Moleküle oder Atome im Verlauf chemischer Reaktionen unterscheiden.<ref name="MechanismenBuch" /><ref name="RömppIsotopenmarkierung" /> Anhand der gewonnenen Informationen können Reaktionsmechanismen aufgeklärt werden.<ref name="MechanismenBuch" /><ref name="RömppIsotopenmarkierung" />

Eigenschaften

In einer chemischen Reaktion sind in der Regel nur die Edukte und die Produkte erkennbar.<ref name="MechanismenBuch" /> Mit der Isotopenmarkierung lässt sich die Rolle zweier verschieden gebundener Atome im Reaktionsverlauf untersuchen.<ref name="MechanismenBuch" /> Der Vorteil der Isotopenmarkierung ist dabei, dass kein Zusatz störender Substanzen erforderlich ist.<ref name="MechanismenBuch" /> 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.<ref name="MechanismenBuch" />

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.<ref name="MechanismenBuch" /> Beispiele eines Austausches 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.<ref name="MechanismenBuch" /><ref name="RömppIsotopenmarkierung" />

Anwendungen

Melvin Calvin wendete die Isotopenmarkierung bei der Entdeckung des Calvin-Zyklus an.<ref name="Calvin">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.</ref> Der Meselson-Stahl-Versuch ist ein weiteres bekanntes Beispiel für die Anwendung der Isotopenmarkierung, durch den Versuch wurde die semikonservative Replikation der DNA nachgewiesen.<ref name="Meselson">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.</ref>

Aufklärung von Reaktionsmechanismen

Ein Beispiel zur Anwendung der Isotopenmarkierung als Aufklärungsmethode in der organischen Chemie ergibt sich nach Roberts und Urey mit der Esterbildung.<ref name="MechanismenBuch" /> 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.<ref name="MechanismenBuch" /> 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):<ref name="MechanismenBuch" />

Beispiel zur Motivation der Isotopenmarkierung anhand einer Veresterungsreaktion

Mittels Isotopenmarkierung ließ sich zudem die Unbeständigkeit der Carbonylgruppe der Carbonsäure im Laufe der Esterbildung feststellen.<ref name="MechanismenBuch" />

Biotechnologische Methode – metabolische Markierung

Gezielt isotopenmarkierte Verbindungen, wie Arzneistoffe, Wirkstoffe in Pflanzenschutzmitteln oder Proteine werden hergestellt, um den Metabolismus dieser Stoffe gezielt untersuchen zu können. Mittels isotopenmarkierter Wirkstoffe kann der Abbau dieser Stoffe im Körper, die Ausscheidung (z. B. über den Urin) und deren Verbleib in der Umwelt studiert werden.<ref name="Geckeler">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.</ref> Dies wird beispielsweise mit der Methode der metabolischen Markierung erreicht, bei der bestimmte Zellkulturen in speziellen Nährmedien unter anderen mit isotopisch markierten Verbindungen (zum Beispiel ³⁵S) angereichert werden können, um anschließend ihren Verbleib im Metabolismus von Organismen untersuchen zu können.<ref name="Geckeler" />

SILAC-Methode

Das Verfahren der metabolischen Markierung findet beispielsweise im Rahmen der SILAC-Methode (zum Beispiel in Form einer ¹⁵N-Markierung) Anwendung.<ref name="Silac">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.</ref>

Anwendung in weiteren Methoden

Eine chemische Variante der Isotopenmarkierung ist die Dimethyl-Markierung (ICAT).<ref name="pmid10504701">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.</ref>

Die Isotopenmarkierung findet zudem Anwendung in Form der Isobarenmarkierung.<ref name="pmid12713048">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:

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Mögliche Herstellung isotopenmarkierter Verbindungen

Exemplarisch lässt sich, ausgehend von ¹³C-markiertem Bariumcarbonat (1), mittels Zusatz von Schwefelsäure ¹³C-markiertes Kohlenstoffdioxid herstellen.<ref>Barium carbonate-¹³C als Rohstoff im Katalog von Sigma-Aldrich/Merck. Website des Rohstoffherstellers Sigma-Aldrich/Merck. Abgerufen am 10. November 2017.</ref><ref name="Säure">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.</ref> Über eine Grignard-Reaktion mit Butylmagnesiumbromid kann das markierte Kohlenstoffdioxid anschließend zur Carbonsäure (2) mit ¹³C-markierter Carbonylgruppe umgesetzt werden.<ref name="Organische Chemie">Hauptmann Siegfried: Organische Chemie. 1. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt am Main, 1985, S. 400, ISBN 3-87144-902-4.</ref>

Exemplarische Synthese einer 13C-markierten Carbonsäure

Exemplarische Synthese einer ¹³C-markierten Carbonsäure

Einzelnachweise