22. EPR-Spektroskopie an biologischen Systemen

Die Elektronen-Paramagnetische-Resonanz- (EPR-)Spektroskopie, die auch Elektronenspinresonanz (ESR) genannt wird, ist eine spektroskopische Methode (► Kap. 8), mit der Informationen über die Art, Struktur, Dynamik und lokale Umgebung paramagnetischer Zentren erhalten werden können. Solche Zentren zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen. In biologischen Makromolekülen sind dies (◘ Abb. 22.1): Metallionen (z. B. Cu(II), Fe(III), Mn(II), Mo(V)), Metallcluster (z. B. Eisen-Schwefel-Cluster oder Mangancluster) oder organische Radikale. Organische Radikale werden u. a. als Zwischenprodukte in Elektrontransferreaktionen in Proteinen (z. B. Semichinonradikale, Thiylradikale oder Tyrosinradikale) oder strahlungsinduziert in DNA (z. B. Zucker oder Basenradikale) gebildet. Häufig sind diese Zentren katalytisch aktiv, oder sie sind in biologisch relevante Reaktionen involviert, sodass strukturelle und dynamische Informationen über diese Stellen wichtig für das Verständnis der Funktion dieser Biomoleküle sind. Diamagnetische Systeme, also Moleküle, in denen alle Elektronen gepaart sind, können für die EPR-Spektroskopie zugänglich gemacht werden, indem gezielt sog. Spinlabel kovalent an das Biomolekül gebunden werden. Üblicherweise werden hierfür entsprechend funktionalisierte Nitroxide verwendet. Für EPR-Messungen an spinmarkierten Biomolekülen in Zellen müssen die Label gegen die reduktiven Bedingungen in der Zelle genügend stabil sein, deswegen werden hierfür auch Gd(III)-Komplexe oder Tritylradikale eingesetzt, wobei die letzteren auch Verwendung für Nanometer-Abstandsmessungen bei Raumtemperatur finden (► Abschn. 22.4.7). EPR-spektroskopische Methoden erlauben dann z. B., die Anordnung von Untereinheiten oder die Bindung zwischen Biomolekülen zu untersuchen.