Isotopenmarkierung

Grundidee und Eigenschaften

Die Isotopenmarkierung, auch Radioisotopenmarkierung oder Tracer-Technik, ist das systematische Einfügen definierter Isotope in organische Verbindungen. Isotope sind Varianten eines Elements, die sich unter anderem in ihrer Masse unterscheiden. Durch den Austausch eines Isotops können Moleküle oder Atome, die sonst chemisch gleich wirken, während einer Reaktion unterschieden und verfolgt werden. Das hilft besonders bei der Aufklärung von Reaktionsmechanismen, also der Frage, welche Bindungen und Atome sich im Verlauf einer Reaktion verändern.

In einer gewöhnlichen chemischen Reaktion sind meist nur Edukte und Produkte erkennbar. Mit einer Isotopenmarkierung lässt sich dagegen untersuchen, welche Rolle zwei unterschiedlich gebundene Atome spielen. Dafür muss keine zusätzliche, möglicherweise störende Substanz zugesetzt werden. Nach der Reaktion wird das markierte Isotop im Produkt und in seiner Bindungssituation beispielsweise durch NMR-Technik oder Massenspektrometrie nachgewiesen.

Markierte Verbindungen sind meist kostspielig. Deshalb verdünnt man sie häufig mit einem Überschuss derselben unmarkierten Verbindung. Typische Markierungen sind der Ersatz von H durch schweren Wasserstoff: D (Deuterium) oder T (Tritium), von ^{12}C durch ^{13}C oder ^{14}C sowie von ^{16}O durch ^{17}O oder ^{18}O.

Wichtige Anwendungen

Melvin Calvin verwendete Isotopenmarkierung bei der Entdeckung des Calvin-Zyklus. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist der Meselson-Stahl-Versuch, mit dem die semikonservative Replikation der DNA nachgewiesen wurde.

Gezielt isotopenmarkierte Arzneistoffe, Wirkstoffe in Pflanzenschutzmitteln oder Proteine werden hergestellt, um ihren Metabolismus gezielt zu untersuchen. So können ihr Abbau im Körper, ihre Ausscheidung, zum Beispiel über den Urin, sowie ihr Verbleib in der Umwelt verfolgt werden.

Beispiel: Esterbildung

Bei der von Roberts und Urey untersuchten Esterbildung war zunächst unklar, ob das alkylgebundene hydroxide Sauerstoffatom des Alkohols nach der Reaktion im Ester oder im entstandenen Wasser liegt. Ein Alkohol wurde deshalb mit ^{18}O markiert; gewöhnlich gebundener Sauerstoff ist ^{16}O.

Das ^{18}O-Isotop war ausschließlich im Ester nachweisbar. Daraus folgt, dass bei der betrachteten Reaktionsrichtung nur der Reaktionsweg A abläuft. Durch Isotopenmarkierung ließ sich außerdem feststellen, dass die Carbonylgruppe der Carbonsäure während der Esterbildung unbeständig ist.

Metabolische Markierung und weitere Verfahren

Bei der metabolischen Markierung werden bestimmte Zellkulturen in speziellen Nährmedien mit isotopisch markierten Verbindungen angereichert, beispielsweise mit ^{35}S. Anschließend kann deren Verbleib im Metabolismus von Organismen untersucht werden.

Die SILAC-Methode nutzt dieses Verfahren, zum Beispiel als ^{15}N-Markierung. Weitere Anwendungen sind die chemische Dimethyl-Markierung (ICAT) und die Isobarenmarkierung.

Herstellung markierter Verbindungen

Eine ^{13}C-markierte Carbonsäure kann aus ^{13}C-markiertem Bariumcarbonat (1) hergestellt werden. Durch Zusatz von Schwefelsäure entsteht zunächst ^{13}C-markiertes Kohlenstoffdioxid. Dieses wird anschließend über eine Grignard-Reaktion mit Butylmagnesiumbromid zur Carbonsäure (2) umgesetzt. Die Carbonylgruppe der Carbonsäure trägt dabei die ^{13}C-Markierung.