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电子顺磁共振波谱仪(EPR)丨生物医学应用

发布日期:2021/5/21 13:03:29




随着电子顺磁共振波谱技术的研究逐渐深入,其应用领域和方向也在不断拓宽,该技术可以直接检测自由基的优势也较大的推动了生物医学研究的发展。

EPR技术不仅可以直接检测到自由基,还可以得到分子结构和反应动力学方面的重要信息,从而可以应用在研究生物组织的稳定自由基上。例如来源于动物或植物的黑色素,它是经过自然和人工的聚合而形成的独特的基团,是一种稳定的有机自由基,EPR技术是其有效且直接的研究方法。此外,在冻干的动物和植物组织以及代谢活跃的组织样品中,均能检测出自由基的存在。


动物细胞内的羟基自由基





在研究生物过程中产生的活泼自由基方面,EPR技术也能够胜任。在许多生物过程中,尤其是包含氧化还原反应或是氧利用过程中,有自由基作为中间产物或最终产物产生。由于EPR技术可以实现原位检测,所以无论自由基是作为中间产物,抑或是最终产物,我们都可以利用EPR进行检测。例如叶绿体在有光照时会引起自由基的生成,曾有研究者使用EPR检测到过光合体系中超氧自由基的光合原初反应。而且EPR还可以用于研究酶促反应中的自由基,在合适的条件下甚至可以利用超精细耦合来鉴定自由基,从而得到酶催化的机理和酶的活性部位结构的相关信息。




在药物或辐射影响生物体后,常会伴随自由基的形成。EPR技术可以对此自由基进行定量或定性的检测,得出辐射损伤程度以及损伤部位的信息,还可以进一步来研究出涉及辐射效应的相关效应与机理。所以辐射事故发生后,使用EPR检测人体所受辐射的剂量也已经成为了一个非常重要的研究领域。例如牙齿,骨头,指甲等生物组织在收到辐射后都可以使用EPR进行检测,实现剂量重建。同时EPR技术也可以对药物代谢过程中产生的自由基进行检测,可用于药物作用的监控。已有研究结果表明,致癌物可以在组织中形成自由基,这在癌前诊断中可能会起到重要的作用。如下图所示:







一般来说,在化学反应中自由基会有高度的反应力,而在生物环境内,自由基浓度不会很高,反应能力也相对较低。若采用一种稳定的自由基结合到单分子或处于复杂系统内分子上的特定部位,则可以从EPR谱图上取得标记物的有关环境信息,这也就是EPR的自旋标记法。已有人利用此方法研究了天青蛋白疏水区的结构与P53蛋白的相互作用。所以自旋标记法结合EPR技术已成为检测蛋白质结构的强有力工具。

EPR研究对象是自由基等顺磁物质,这类物质往往直接参与生物体的某些生理或病理过程,甚至在某些疾病的发生与发生中其重要的作用,其优势也是其他研究手段无法替代的,所以其有着广阔的应用前景。

EPR是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术,可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子,并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言,轨道磁矩几乎不起作用,总磁矩的绝大部分(99%以上)的贡献来自电子自旋,所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”(ESR)。在此研究中的EPR实验结果均使用了先进的EPR技术(德国Bruker ESR5000)去证实。




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