background image

PUŁAPKOWANIE SPINOWE ERP 

 

Cel: 
 
1. Identyfikacja anionorodnika ponadtlenkowego generowanego w wyniku reakcji 
utleniania ksantyny tlenem, katalizowanej przez oksydazę ksantynową. 
2. Identyfikacja rodników hydroksylowych generowanych w reakcji Fentona. 
 

Wprowadzenie 

 

Ze względu na bardzo krótki czas życia wiele wolnych rodników nie można 

zaobserwować przy pomocy bezpośredniej spektroskopii ESR w warunkach stacjonarnych. Ich 
detekcja możliwa jest przy pomocy metody pośredniej, po zastosowaniu techniki tzw. 
pułapkowania spinowego. W metodzie tej używa się diamagnetycznego nitronu lub związku 
nitrozowego jako pułapki spinowej, która w wyniku oddziaływania z reaktywnymi wolnymi 
rodnikami tworzy znacznie bardziej stabilne addukty spinowe o charakterze wolnych rodników 
nitroksylowych. Reakcję pułapkowania spinowego rodnika 

R można przedstawić w postaci 

następującego schematu: 

 

R + ST 

→ ST-

 

 

Addukt spinowy wykazuje widmo ESR charakteryzujące się stałymi rozszczepienia 

nadsubtelnego zależnymi od rodzaju spułapkowanego rodnika; stanowi to podstawę do 
identyfikacji spułapkowanego wolnego rodnika. Wybór odpowiedniej pułapki spinowej opiera 
się na następujących kryteriach: 1) łatwość identyfikacji spułapkowanego rodnika na podstawie 
widma adduktu spinowego; 2) trwałość adduktu spinowego; 3) brak reaktywności chemicznej 
pułapki spinowej w obecności diamagnetycznych utleniaczy i reduktorów; 4) wysokie stałe 
szybkości reakcji z pułapkowanymi rodnikami. Teoretycznie, pułapkowanie spinowe może 
dostarczać danych zarówno jakościowych jak i ilościowych o tworzeniu się rodnikowych 
produktów przejściowych. Jednak w praktyce często okazuje się, że widmo adduktu spinowego 
nie jest wystarczająco specyficzne aby jednoznacznie stwierdzić jaki rodnik został 
spułapkowany. W dodatku, addukty spinowe mają skończony czas życia i ulegają rozpadowi np. 
w wyniku utleniania lub redukcji poprzez kinetykę pierwszorzędową, lub w wyniku 
dysproporcjonacji (kinetyka drugiego rzędu). Niestety nie istnieje jedna, uniwersalna pułapka 
spinowa, która by się nadawała do pułapkowania wszystkich rodzajów rodników. 
 

Pomimo tych ograniczeń, pułapki spinowe znajdują coraz częstsze zastosowanie w 

badaniach biologicznych. Jedną z najważniejszych zalet techniki pułapkowania spinowego jest 
możliwość wykonania pomiaru w warunkach fizjologicznych. Pułapkę spinową można 
wprowadzić nie tylko do roztworu wodnego, pH 7,4 i przy 37

°C gdzie przebiega interesująca nas 

reakcja wolnorodnikowa, ale również do hodowli komórkowej, izolowanych organów lub wręcz 
do  żywych zwierząt laboratoryjnych. Po określonym czasie mieszanina reakcyjna, homogenaty 
tkanek lub płyny, takie jak krew czy mocz, zawierające pułapkę spinową  są mierzone przy 
pomocy spektroskopii ESR. Większość adduktów spinowych ma wystarczająco długi czas życia, 

background image

przynajmniej 10

4

 - 10

5

 razy dłuższy niż wolne rodniki z których się wywodzą. W układach 

biologicznych pułapki spinowe stosowane są w stosunkowo wysokich stężeniach (10-100 mM w 
przypadku układów pozaustrojowych lub 0,5 mmola DMPO/kg wagi ciała zwierzęcia), co jest 
możliwe ze względu na niską toksyczność pułapek spinowych.  
 Najczęściej używanymi pułapkami spinowymi w układach biochemicznych i 
biologicznych są: 
1)  2-metylo-2-nitrozopropan, MNP 
2)  

α-fenylo-N-t-butylonitron, PBN 

3)  5,5-dimetylo-1-pyrolino-N-tlenek, DMPO 

Oddziaływanie tych pułapek z wolnymi rodnikami prowadzi do wytworzenia 

 

charakterystycznych adduktów spinowych (Rys. 1). Zwykle addukty spinowe tworzone w 
reakcjach nitronów (PBN lub DMPO) z wolnymi rodnikami są bardziej stabilne niż te, które 
powstają ze związków nitrozowych (MNP). 

Rys. 1. Typowa reakcja addycji rodników do pułapki spinowej DMPO. 

 
 

Nitroksylowe addukty spinowe powstające w wyniku reakcji niskocząsteczkowych 

pułapek spinowych z reaktywnymi wolnymi rodnikami, charakteryzują się wyraźnymi sygnałami 
ESR przy g ~ 2,004, rozszczepionymi na trzy linie struktury nadsubtelnej o jednakowych 
intensywnościach wynikających z oddziaływania niesparowanego elektronu z magnetycznym 
jądrem azotu 

14

N (I = 1). Stała rozszczepienia nadsubtelnego związana z azotem a

N

 zmienia się w 

granicach 7-28 G w zależności od tego jaka grupa jest przyłączona do nitroksylu. 
 Każda z trzech linii jest zwykle rozszczepiona w wyniku oddziaływania z jądrami 
pobliskich atomów o niezerowym spinie, przede wszystkim atomów wodoru. Addukty spinowe 
MNP charakteryzują się dodatkowym rozszczepieniem nadsubtelnym (supernadsubtelnym) 
związanym z oddziaływaniem z jądrami wodoru znajdującymi się w pozycji 

α,  β i czasami 

również 

γ cząsteczki MNP. W niektórych przypadkach dodatkowe rozszczepienie związane jest z 

oddziaływaniem z jądrami atomów przyłączonego rodnika. 

W przypadku adduktów spinowych powstających przy zastosowaniu PBN lub DMPO 

jako pułapek, do identyfikacji spułapkowanego wolnego rodnika służy przede wszystkim 

background image

wielkość stałej rozszczepienia na jądrze wodoru 

β. Najważniejsze stałe rozszczepień 

nadsubtelnych wybranych adduktów spinowych zamieszczone są w Tab. 1. 
 

Tab. 1. Stałe rozszczepienia nadsubtelnego wybranych adduktów  spinowych w roztworach wodnych. 
 

Rodnik Pułapka 

spinowa 

Stałe rozszczepienia struktury nadsubtelnej 

O

2

  •

 DMPO 

PBN 

a

N

 = 14,3 G; a

H

β

 = 14,3 G; a

H

β

 =11,7 G; a

H

γ

 = 1,25 G 

a

N

 = 14,28 G; a

H

β

 = 2,25 G; a

H

γ

 = 1,25 G 

OH DMPO 

PBN 

a

N

 = 14,9 G; a

H

β

 =14,9 G 

a

N

 = 15,3 G; a

H

β

 = 2,8 G 

CH

3

HOH DMPO 

PBN 
MNP 

a

N

 = 15,8 G; a

H

β

 = 22,8 G 

a

N

 = 15,94 G; a

H

β

 = 3,34 G 

a

N

 = 15,5 G; a

H

β

 = 1,8 G 

N

3

 DMPO 

PBN 

a

N

 = 15,0 G; a

H

β

 = 14,3 G; a

N

 =3,17 G 

a

N

 = 15,25 G; a

H

β

 = 2,35 G; a

N

 = 2,0 G 

 
Stałe szybkości oddziaływania pułapek spinowych z wolnymi rodnikami zależą od typu 

pułapki i rodnika. I tak, stała szybkości pułapkowania rodników hydroksylowych przez  DMPO 
wynosi 3,4

×10

9

 M

-1

s

-1

, natomiast w przypadku anionorodnika ponadtlenkowego wynosi zaledwie 

10 M

-1

s

-1

, a dla OOH

 - 6,6

×10

3

  M

-1

s

-1

. Aby upewnić się,  że obserwowane addukty spinowe 

powstają na skutek oddziaływania danego rodnika z pułapką stosuje się dodatkowe testy 
diagnostyczne, i tak gdy podejrzewamy, że w reakcji generowany jest anionorodnik 
ponadtlenkowy stosujemy dysmutazę ponadtlenkową, która katalizując reakcję dysmutacji O

2

 •

powinna zmniejszać obserwowaną intensywność sygnału DMPO_

OOH. Z kolei, aby 

potwierdzić pułapkowanie rodników hydroksylowych, używa się np. etanolu lub azydku, w 
stężeniach takich aby efektywnie konkurowały z DMPO (stała oddziaływania OH

 z etanolem 

wynosi 1,8

×10

9

  M

-1

s

-1

, a z N

3

 

 1,1×10

10

  M

-1

s

-1

). Powstają wówczas odpowiednio rodniki 

etanolowe lub azydkowe, które reagują z DMPO tworząc charakterystyczne addukty spinowe 
DMPO_

CHCH

3

OH i DMPO_

N

3

 

Wykonanie ćwiczenia: 

 
1.  Pułapkowanie anionorodnika ponadtlenkowego generowanego w wyniku reakcji utleniania 

ksantyny tlenem, katalizowanej przez oksydazę ksantynową. 

 

Oksydaza ksantynowa generuje anionorodnik ponadtlenkowy w aerobowych reakcjach z 

purynami lub aldehydami. Wydajność generacji O

2

  •

 zwiększa się ze wzrostem ciśnienia 

parcjalnego tlenu i pH, maleje natomiast (chociaż w mniejszym stopniu) przy dużych stężeniach 
substratu. W roztworach zrównoważonych z powietrzem przy pH 7.8 15% ze strumienia 
elektronów zaangażowanych w reakcji katalizowanej enzymem zostaje zużytych do produkcji 

background image

O

2

  •

, natomiast przy pH 10.0 i przy ciśnieniu parcjalnym tlenu 1 atm ten udział wzrasta do 

100%. 

 

Odczynniki: 
Bufor węglanowy, pH = 10,2 (0,1 M); bufor fosforanowy, pH = 7,4 (0,1 M); DMPO (1 M); 
ksantyna (0,2 mM); roztwór oksydazy ksantynowej o podanej aktywności w przeliczeniu na ml 
objętości; roztwór dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) o podanej aktywności w przeliczeniu na 1 
ml objętości 

Oksydaza ksantynowa w stężeniu odpowiadającym jednostce aktywności przekształca w ciągu 1 sekundy 1

µmol 

ksantyny do kwasu moczowego przy pH 7.5 i w temperaturze 25

°C. Aktywność oksydazy ksantynowej można 

mierzyć spektrofotometrycznie monitorując przekształcenie ksantyny do moczanu przy 295 nm. Zmiana molowego 
współczynnika absorpcji wynosi około 11000 M

-1

cm

-1

 przy pH 7.8. 

 

Materiały: 
Naczynia do przygotowywania próbek, pipety, końcówki, płaska kuweta kwarcowa ESR. 
 
Aparatura: 
Spektrometr ERP 

 

a)  Wylicz jakie objętości oksydazy ksantynowej powinno się wprowadzać do 0,2 ml próbki aby 

w ciągu kilku minut przereagowała cała ksantyna obecna w próbce. 

 
b)  Przygotuj 0,2 ml próbki zawierającej  
•  50 mM bufor fosforanowy (100 µl) 
•  0,1 M DMPO (20 µl) 
•  50 µM ksantyny (50 µl) 
•  wyliczoną objętość oksydazy ksantynowej (w razie potrzeby dopełnić próbkę do 0,2 ml 

wodą). 

 
c)  Możliwie szybko po dodaniu oksydazy ksantynowej do próbki, wprowadź próbkę do kuwety 

pomiarowej i umieśc wypełnioną kuwetę we wnęce rezonansowej spektrometru ESR. 

 
d)  Zarejestruj kilka kolejnych widm w czasie inkubacji próbki używając następujących 

parametów aparaturowych: czas przemiatania: 20 - 40 s; stała czasowa: 160 - 320 ms; 
modulacja amplitudy – 0,5 G, moc mikrofalowa - 10 mW, zakres przemiatania pola 100 G.  

 
e)  Przygotuj próbkę jak w p. c) ale zamiast buforu fosforanowego użyj buforu węglanowego. 

Zarejestruj kilka kolejnych widm jak w p. e). 

 
f)  W celu upewnienia się,  że otrzymany addukt spinowy powstaje w wyniku oddziaływania 

DMPO z anionorodnikiem ponadtlenkowym przeprowadź test z dysmutazą ponadtlenkową 
(SOD). Przygotuj próbkę jak w p. b) lub e) zawierającą dodatkowo odpowiednią ilość SOD 

background image

(wylicz na podstawie podanej aktywności ile należy dodać SOD aby efektywnie zmniejszyć 
ilość pułapkowanego anionorodnika ponadtlenkowego). 

 
g)  Po wprowadzeniu kuwety z próbką do wnęki rezonansowej zarejestruj kilka kolejnych widm 

jak w p. e).  

 
h)  Zmierz stałe rozszczepień nadsubtelnych i porównaj je z wartościami literaturowymi dla 

adduktu spinowego DMPO-

OOH. Używając odpowiedniego programu do symulacji widm 

wygeneruj widmo DMPO-

OOH w oparciu o dane literaturowe i porównaj je z widmami 

zebranymi doświadczalnie. 

 
i) Przedyskutuj otrzymane wyniki. 
 
2.  Pułapkowanie rodników hydroksylowych generowanych w reakcji Fentona 
 

Rodniki hydroksylowe generowane są w wyniku reakcji Fentona, tzn. utleniania 

zredukowanych jonów metali tj. żelazo(II) lub miedź(I) przez nadtlenek wodoru: 
 

H

2

O

2

 + Fe 

2+

 

→ OH

 + OH

 + Fe 

3+

 

 
Odczynniki: 
2 mM siarczan żelaza (II) przetrzymywany na lodzie w przeargonowanej wodzie w obecności 3 
mM EDTA; 4 mM roztwór H

2

O

2

; 0,1 M roztwór DMPO; etanol; 1 M azydek sodu; woda 

redestylowana; 20 mM bufor fosforanowy pH 7,4. 
 
Materiały: 
Naczynia do przygotowywania próbek, pipety, końcówki, kwarcowa kuweta ESR. 
 
Aparatura: 
Spektrometr ESR 
 
a)  Przygotuj 200 

µl próbki zawierającej: 

„

  10 mM bufor fosforanowy 

 

100 

µl 

„

  0,4 mM H

2

O

2

 

 

 

 

 20 

µl 

„

  10 mM DMPO    

 

 

 20 

µl 

„

  woda  

 

 

 

 

 50 

µl 

„

  0,2 mM FeSO

4

/EDTA  

 

 

20 

µl 

 
b)  Zarejestruj kilka kolejnych widm w czasie inkubacji próbki używając następujących 

parametrów aparaturowych: czas przemiatania: 20 - 40 s; stała czasowa: 160 - 320 ms; 
modulacja amplitudy - 1 G, moc mikrofalowa - 10 mW, zakres przemiatania pola 100 G). 
Sprawdź czy otrzymane widmo adduktu można przypisać do DMPO-

OH. 

 

background image

c)  Przygotuj próbkę jak poprzednia ale zamiast 50 

µl wody wprowadź 30 µl wody i 20 µl 

etanolu. Zarejestruj kilka kolejnych widm jak w p. c). Sprawdź czy otrzymane widmo można 
przypisać adduktowi DMPO_

CHCH

3

OH. 

 
d)  Przygotuj próbkę jak poprzednia ale tym razem zamiast 50 

µl wody wprowadź 30 µl wody i 

20 

µl azydku sodu. Zarejestruj kilka kolejnych widm jak w p. c). Sprawdź czy otrzymane 

widmo można przypisać adduktowi DMPO-

N

3

 
e)  Przedyskutuj otrzymane wyniki. 
 

Literatura: 

 
Sarna, T.: Udział tlenu singletowego i wolnych rodników w reakcjach fotouczulanych i 
zjawiskach fotodynamicznych. Zagadnienia Biofizyki Współczesnej 14(1): 5-30, 1989. 
 
Bartosz, G.: "Druga twarz tlenu" PWN, Warszawa, 1995.