【精品】电子自旋共振(ESR)技术在生物和医学中的应用

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1、第27卷第1期2010年3月波谱学杂志Vol.27No.1ChineseJournalofMagneticResonanceMar.2010文章编号：1000-4556(2010)01-051-17电子自旋共振(ESR)技术在生物和医学中的应用赵保路"(中国科学院生物物理研究所.脑与认知国家硕点实脸牢.北京10010】〉摘要：电子自旋共R(electronspinresonance.ESR)是检测自由基最］*［接最有效的方法，是fl由基生物学和医学不可缺少的虫要研究技术.作者综述了ESR、自旋标记、自旋捕集和ESR成像技术的凤新发展及ESR技术在细胞腿、蛋白质结构和•些巫

2、大疾病如心脏病、老年痴呆症、帕金淼综合症和中风等疾病研究及辐射损伤和植物疾病研究中的应用.关權词：电子白旋共振＜ESR)»自旋标记；自旋捕集；ESR成像技术；生物；灰学中图分类号：0482.53文献标识码：A引言电子自旋共振(electronspinresonance,ESR)乂称电子顺磁共振(electronparamagneticresonance,EPR),是研究电子口旋能级跃迁的一门学科，是检测自由勒最立接最有效的方法.自由基在生物体系发挥着重要作用，体内自由星的产生和清除应当是平衡的，或者说体内魚化和还原应当是平衡的，这样人体才能保持健康.如果自由基产生过多和

3、清除自由基的能力下降，体内就会有多余的自由基，待别是氧自由基，会损伤细胞成分，但并不出现疾病的症状.但是如果，不加以调整，继续发展下去就会导致疾病和衰老的发生.因此自由荃和多种疾病有关，比如癌症、心脑血管疾病、老年痴呆症和帕金森综合症等疾病.这样ESR就是自由基生物学和医学不可缺少的重要研究技术，在生物会医学领域有着广泛的应用.但是，ESR的原理又是比较深奥的，学习需要校好的数学和物理知识.我在初学期间就遇到不少困难.徐广智教授的“电子自旋共振波谱基本原理”⑴为我们提供了一本很好的教科书，他深入浅出地论述了电了自旋共振波谱基本收稿日期：2009-12-30作者简介：赵保路

4、(1943-).男.河北柏乡人，研究员.研究方向为自由基生物学.电话：010-64888569.Email：zha-obl@sun5.ibp.ac.cn.»通讯联系人.原理，为我以后利用ESR技术开展生物和庚学中的应用研究发挥了重耍作用.在我30多年的生物和医学研究工作中几乎没冇离开过ESR技术，特别是在天然抗皱化剂方面的研究，完成了多个基金和项目，取得了一系列研究成果⑵.饮水思源，十分感谢徐广智教授等ESR领域前辈的教诲.为了庆祝徐广智教授八I•华诞，特写此文在《波诜学杂志》上发表.予以祝贺！本文综述了ESR在生物医学研究中的技术发展及在生物学和一些重大疾病如心脏病、神

5、经退行性疾病、老年痴呆症、帕金森综合症和中风等疾病研究中的应用，其中包括对我们多年研究工作的总结.1ESR在生物医学研究中的技术发展ESR虽然是研究自由基的最直接和最冇效的技术，但是这些自由堆必须是相对稳定的，而冃要达到一定浓度才能用ESR技术检测和研究.而生物体系中产生的自山基人部分是不稳定的，因为门由卑本身的特点就是活泼和反应牲强，只有少数口由基是稳定的.ESR的另外-个局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物物质都不是顺磁件的.这就限制了ESR的应用.为了克服ESR技术的这些局限性，一方血对仪器进行改进.另一方面近年来发展起来的自旋标记和口旋捕集技术解决了这些问题

6、，为ESR应用开辟了一个新天地，获得了迅速的发展和广泛的应用.也为白由基研究作出了朿要贡献.1.1自旋标记技术ESR的最大局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物物质，例如细胞膜、蛋白质、核酸等都不址顺磁性的.这就大大限制了ESR的应用范围・1965年McConnell等人引人自旋标记的概念和方法—】・为ESR应用开辟了一个新天地，也可以说自旋标记技术把ESR的应用范閘从一个冇限范围扩展到「无限.所谓门旋标记，就是将一顺磁性报告基团加到被研究体系，借助报告垄团的ESR波特征反映该基团周LM坏境的物理和化学性质及其变化和规律.自旋标记技术包括自旋标记物的合成、II旋标记E

7、SR波谱解析和应用.到目前为止已经合成100多种自旋标记物.现在自旋标记技术已经广泛应用于生物学的各个领域，特别是在细胞膜的流动性、蛋白质的结构和动力学性质、药理学及ESR成像方面研究中的应用.1.1.1自旋标记物的选择自旋标记物应当符合以下条件：足够稳定，能够以某种方式结合或嵌人到被研究物质的某个位置.其ESR波谱对被研究物质及其周围环境的物理化学性质和变化极为敏感，而报告基团本身对体系的扰动甚微.氮氧自由基化合物是最符合以上条件的自旋标记物，它有儿个共同的特点，一是都有氮氧自由基，在氮氣之间冇一个未成对电子，这是报告基团，