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Tutorial MenueKernresonanzspektroskopie (NMR)Lerneinheit 13 von 13

Anwendungen der NMR-Spektroskopie

Beispiel: Untersuchung des Energiestoffwechsels am menschlichen Unterarm mittels in vivo-31P-NMR

Kurze Einführung in den Energiestoffwechsel der Muskulatur:

Ganz zu Beginn einer körperlichen Belastung erhält die Muskulatur die Energie aus ATP (Adenosin-triphosphat, energiereiches Phosphat). ATP wird zu ADP (Adenosin-diphosphat) und Phosphat-Ionen (Pi) unter Freisetzung von Energie gespalten.

Abb.1

ATP wird vom Organismus nur in äußerst geringen Mengen im Muskel gespeichert, der Vorrat ist schon in den ersten drei Sekunden intensiver Muskelarbeit aufgebraucht. Die Muskeln benötigen für die Fortführung intensiver Arbeit aber weiterhin ATP.

Durch die Speichersubstanz Kreatinphosphat (PCr) wird das für die Muskelkontraktion gebrauchte ATP wieder zur Verfügung gestellt, indem die energiereichen Phosphat-Gruppen des PCr auf das ADP übertragen werden, so dass erneut ATP gebildet wird.

PCr + ADP ⇋ ATP + Cr

Abb.2

Kreatinphosphat speichert der Körper in den Muskelzellen und es liefert für die ersten 10 Sekunden anstrengender Muskelarbeit die benötigte Energie. Nachdem auch das PCr aufgebraucht ist, beginnt der Körper mit der Verwertung von Kohlenhydraten zur Energiegewinnung.

31P-in vivo-NMR-Spektrum des menschlichen Unterarms

Im Folgenden ist das 31P-in vivo-NMR-Spektrum des menschlichen Unterarms zu sehen, das mit einer Oberflächenspule (Durchmesser 4 cm) in einer Messzeit von 1,5 min aufgenommen worden ist.

Abb.3
Friebolin "Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie", WILEY-VCH, 3. Auflage, 1999, S. 358

Im Spektrum erscheinen fünf Signale:

δ ≈ 5 ppm: freie Phosphat-Ionen δ ≈ 0 ppm: PCr (Singulett) δ ≈ -2 ppm: ATP, Phosphor in γ-Stellung, Dublett durch P-P-Kopplung mit P in β-Stellung δ ≈ -8 ppm: ATP, Phosphor in α-Stellung, Dublett durch P-P-Kopplung mit P in β-Stellung δ ≈ -16 ppm: ATP, Phosphor in β-Stellung, Triplett durch P-P-Kopplung mit P in α- und γ-Stellung

Die Signale von ADP sind von denen des ATP (δ ≈ -2 und -8 ppm) überlagert. Im Spektrum können noch die Signale weiterer phosphororganischer Verbindungen enthalten sein, die jedoch im Rauschen liegen.

31P-in vivo-NMR-Spektren des menschlichen Unterarms vor und nach intensiver Arbeit

Abb.4
Friebolin "Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie", WILEY-VCH, 3. Auflage, 1999, S. 360

A-Spektrum im Ruhezustand (10 Scans, 2 s Relaxationszeit → 22 s Gesamtmesszeit)

→ Testperson musste außerhalb des Magneten die Hand öffnen und schließen und dabei immer wieder einen Ball zusammendrücken.

→ Aufnahme der Spektren B-E (gleiche Messbedingungen wie A).

Das B-Spektrum wurde unmittelbar nach der Arbeitsleistung aufgenommen, der Anteil an Kreatinphosphat (PCr) im Muskel ist abgesunken, wogegen sich der Anteil an freien Phosphat-Ionen erhöht hat.

C-E: Erholungsphase des Muskels; der PCr-Anteil steigt wieder an, der Anteil an Pi wird geringer. Nach 66 s hat sich der Muskel vollkommen erholt (Intensitätsverhältnisse im Spektrum E entsprechen denen von Spektrum A).

Weiterhin zeigt sich, dass sich nach intensiver Arbeit in den Spektren die Lage der Pi-Signale leicht verschiebt (der Signalabstand Pi - PCr wird geringer), was durch eine Veränderung des pH-Wertes im Muskel verursacht wird. Die pH-Änderung beeinflusst das Dissoziationsgleichgewicht der Phosphorsäure und somit die Lage des P-Signals des anorganischen Phosphates. Folglich können mit Hilfe der 31P-NMR-Spektren Aussagen über eine Veränderung des pH-Wertes in der Zelle gemacht werden.

Dissoziationsgleichgewicht der Phosphorsäure

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