生命科学中的EPR

Membrane proteins and spin labelling

Mobility analysis of nitroxides in spin labeled protein
EPR与位置定向的自旋标记(SDSL)结合使用,是研究膜蛋白结构和动力学的技术。EPR提供了有关自旋标签的本地环境的信息,该环境具有未配对电子,但当蛋白质内引入两个自旋标签时,也可以测量自旋间标签距离。

P-糖蛋白(3G5U.pdb)的晶体结构
EPR spectra of each attached nitroxide molecule showing correlation between position and mobility. Data courtesy of Prof. T. Prisner, University of Frankfurt (JACS, 2012, 134, pp 5857-5862)

金属蛋白

EPR表征细胞色素C氧化酶中的顺磁中心
Approximately 30% of all known proteins are metalloproteins. They are involved in a variety of biologically important processes such as electron transfer, drug metabolism, disease mechanisms, etc. EPR has an important role not only to study the electronic structure of metalloproteins but also to characterize their redox cofactors, binding sites, substrate reactions. For example, cytochrome c oxidase is a terminal protein in the respiratory chains from mitochondria and many bacteria. A low-spin heme, heme a, accepts electrons from a copper A (CuA) center bound to subunit II, and transfers them to a binuclear center.

Crystal structure (1OCC.pdb) of cytochrome c oxidase
EPR spectrum of cyt c oxidase showing heme a, copper A, and protein radical (in blue). Data courtesy of Prof. T. Prisner, University of Frankfurt (J. Phys. Chem. B, 2007, 111 (14), pp 3839–3846)

酶反应

检测和研究Cu的活性位点Zn-SOD
许多酶反应涉及单电子氧化步骤,并形成可通过EPR检测到的酶的顺磁性瞬态。不成对电子所在的路磁中心通常以过渡金属(金属蛋白)或氨基酸衍生的自由基为中心。顺磁中心的检测和鉴定对于了解酶的功能很重要。例如,在天然SOD1酶中,活性位点包含一个Cu(II)离子,具有非常有特征的EPR谱。

筛选DNP代理

EPR spectrum and dipolar coupling determination of bis-TEMPO
正确的浓度DNP偏振代理crucial to the success of a DNP experiment. Samples can be pre-screened before DNP experiments using the patented SpinCount module, even in the MAS rotor. Relaxation times are critical for DNP efficiency therefore P1/2 measurements at low temperature to estimate the DNP efficiencies of new polarization agents are invaluable. Another characteristic of importance in DNP measurements is the electron-electron dipolar coupling that is easily measured from solution and frozen solution EPR spectra.

DNP代理的EPR光谱(Bis-Tempo Biradical)
d [g] = 18562/r3 [Å]测量的偶极耦合:d = 7.9 g。确定距离:r =13Å数据由法兰克福大学T. Prisner教授提供(Angew。Chem。Int。Int。Int。Ed。,2009年),48,4996)

RNA和DNA氧化

CUCL2/H2O2处理后检测到的DNA衍生的自由基
EPR光谱与自旋陷阱结合使用已成功地检测和鉴定由活性氧(ROS)诱导的对生物大分子(例如DNAS和RNA)诱导的损害产生的高分子量物种。已知这些材料的破坏或改变在大量细胞损伤和疾病中起关键作用。必威手机客户端

CUCL2/H2O2治疗后,使用DMPO作为自旋陷阱,在DNA损伤后进行N中心自由基的EPR光谱。频谱还包括其他两个非DNA衍生的自由基。数据由Niehs R. Mason博士提供(免费Radic。Biol。Med。20112011 50(11)pp 1536
活性氧(ROS)的DNA损伤机理

使用自旋陷阱检测活性氧(ROS)

超氧化物和羟基自由基的定量EPR分析
细胞中的氧化应激和损伤与癌症,阿尔茨海默氏病,动脉粥样硬化,自闭症,感染和帕金森病的发展有关。活性氧(ROSS)是细胞中氧化应激和损伤的主要原因,导致蛋白质,脂质和DNA损害。两个领先的ROS是自由基,例如超氧化物自由基(O2• - )和羟基(HO•),如在黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统中所示,在emxnano中可以准确地跟随它们的产生和分解。

Spincount提供了一份报告,显示了自由基浓度的时间演变
黄氨酸/黄嘌呤氧化酶中DMPO自由基(超氧化物和羟基)加合物的EPR光谱和自旋拟合模拟

使用自旋探针检测活性氧(ROS)

Time course of superoxide formation using the spin probe CMH
In vascular cells, increased generation of superoxide (O2• - )被建议在高血压,糖尿病和心力衰竭中发生。因此,准确的检测和量化O的能力2• - 对于理解这些各种心血管疾病和其他非心血管疾病的发病机理至关重要。如下所示,随着时间的推移,超氧化物的产生可以轻松地使用emxnano进行监测。

通过超氧化物歧化酶(SOD)抑制EPR信号证实了超氧化物自由基(O2• - )的检测
CM的EPR光谱•由于反应:CMH + O2• - - »CM• + H2O2

一氧化氮

一氧化氮与在100 K处检测到的氧气血红蛋白的结合
一氧化氮(NO)是一种高度反应性的调节分子,具有许多重要的生理作用,例如中枢神经系统中的神经递质,心血管系统中血管舒缩张力的调节剂,以及免疫系统的细胞毒性介质。NO是一个自由基,其半衰期短(<30秒),使直接测量变得困难。可以通过使用无捕获技术来克服NO的不稳定性,在该技术中形成更稳定的复合物并随后由EPR检测到。例如,一氧化氮(NO)氧化(NO)通过氧降压蛋白(OxyHB)是NO生物学的基本反应,而NO与血红素的结合可以通过EPR来表征。

Crystal structure of NO-Hb (4G51.pdb)
NO-HB复合物的EPR光谱在100 K处有VT单元