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Prof.Dr.

Die enzymatische Übertragung von Phosphatgruppen auf Seitenketten der Aminosäuren Serin, Threonin und Tyrosin ist eine der zentralen posttranslationalen Modifikationen von Proteinen. Sie ist grundlegend für fast alle biologischen Prozesse.
Ausgehend von ATP übertragen Proteinkinasen — Enzyme aus der Klasse der Transferasen — Phosphatgruppen auf ihre Substrate und verändern so deren Konformation, Aktivität und Eigenschaften. Auf zellulärer Ebene sind den Kinasen die Phosphatasen entgegengeschaltet, die jene Phosphatgruppen wieder hydrolytisch entfernen. Die fein austarierte Balance zwischen Phosphorylierung und Dephosphorylierung ist die Grundlage der Signalübertragung, bei der eine Zelle Informationen zwischen ihren Kompartimenten austauscht. Mittlerweile gelten diese signaltransduzierenden Proteine als vielversprechende Zielproteine für die Wirkstoffforschung.1,2) Ein Grund dafür ist auch, dass diese komplexen Vorgänge biochemisch und biologisch immer besser verstanden werden. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass eine Fehlregulation im Zusammenspiel von Kinasen und Phosphatasen Krankheiten wie Krebs, Autoimmunerkrankungen, Diabetes oder neurologische Defekte verursachen kann. In den letzten Jahren entstand so ein Arsenal an Kinaseinhibitoren, die z. T. auf unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhen (Abbildung 1).
Das Verständnis, dass gewisse, durch mutierte Kinasen deregulierte Signalwege für das Tumorwachstum essenziell sind, führte dazu, dass für die Krebstherapie neue Ansätze rational entwickelt wurden, die auf diese genetischen Defekte (Läsionen) zielen.3 
Ein Beispiel ist die chronisch myeloische Leukämie (CML): Dieser Krebs entsteht durch eine Genfusion (Philadelphia-Chromosom) und der damit verbundenen konstitutiven Aktivierung der Tyrosinkinase Abl (BCR/Abl). Die Markteinführung des BCR-Abl-Inhibitors Imatinib als ersten, für die Krebstherapie zugelassenen niedermolekularen Kinaseinhibitor, brachte beachtliche Behandlungserfolge bei CML (Remissionsraten von über 90 %) und war der Start in das Zeitalter der zielgerichteten Tumortherapie.
Da Krebs auf ein instabiles Genom zurückzuführen ist, verschieben sich häufig die zentralen Signalwege. Dies führt dazu, dass Tumoren in ihrem Wachstum von gewissen Onkogenen regelrecht abhängig werden (”Oncogene Addiction“).4 Bei bis zu zehn Prozent der Patienten, die unter dem nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinom (NSCLC) leiden, ist eine Mutation der Rezeptortyrosinkinase EGFR zu beobachten, die dieses Onkogen besonders empfindlich gegenüber bestimmten Kinaseinhibitoren wie Gefitinib oder Erlotinib macht. Eine zielgerichtete Therapie mit diesen Inhibitoren kann die Gesamtüberlebensrate dieser Patienten verdoppeln.5 
Solche, leider viel zu seltenen Erfolge setzen allerdings nicht nur geeignete Inhibitoren voraus, sondern verlangen insbesondere, dass die genetischen Läsionen erkannt und biologisch verstanden werden. Hierzu liefern die chemische Biologie und die chemische Genomik neue Ansätze: Sie bringen genetisch exakt charakterisierte Tumorzelllinien mit vielen unterschiedlichen Kinaseinhibitoren zusammen, um zuerst das passende Onkogen-Inhibitor-Paar ausfindig zu machen und im nächsten Schritt im Rahmen der personalisierten Medizin das Therapieansprechen auf zielgerichtete Therapeutika vorherzusagen.6 


<h2>Das Problem Türsteherrest</h2>
Trotz dieser Erfolgsgeschichten steht die Kinaseforschung vor großen Herausforderungen: Oft sind die Inhibitoren zu unselektiv oder am Patienten zu wenig wirksam; zudem treten während der Therapie häufig Wirkstoffresistenzen auf. Ein Großteil dieser Probleme liegt darin begründet, dass die meisten Kinaseinhibitoren ATP-kompetitiv sind: Sie binden durch ihren konservierten, von ATP abgeleiteten Bindungsmodus (Typ-I-Inhibitoren) in der Nähe des Türsteherrestes (gatekeeper residue) oder wechselwirken direkt mit diesem über Wasserstoffbrücken (Abbildung 1). Unter dem Türsteherrest versteht man eine konservierte Aminosäure innerhalb der Scharnierregion der ATP-Bindetasche, die den Zugang zu einer hydrophoben Untertasche kontrolliert. Da viele Kinaseinhibitoren in diese hydrophobe Tasche binden, beeinflusst die Größe des Türsteherrests entscheidend die Selektivität und Affinität der Inhibitoren. So verwundert es nicht, dass die häufigsten, klinisch relevanten Resistenzmutationen von Kinaseinhibitoren an eben dieser Türsteherposition auftreten.
Durch den Austausch einer kleineren Aminosäure wie Threonin (T) gegen eine sterisch anspruchsvollere Aminosäure wie Methionin (M) (EGFR-T790M) oder Isoleucin (I) (Abl-T315I) wird der Zugang zur hydrophoben Subtasche erschwert und die Bindung des Inhibitors beeinträchtigt. Darüber hinaus können diese Mutationen die Kinaseaktivität weiter steigern und so die Signalwege noch weiter deregulieren.
Um diesen Problemen entgegenzutreten, entwickelt die Kinaseforschung aktuell Inhibitoren, die auf die Scharnierregion der Kinase zielen, und darüber hinaus in eine weniger stark konservierte Tasche außerhalb der eigentlichen ATP-Bindestelle binden (allosterische Tasche) und so den Türsteher räumlich umgehen.7,8) Gegenüber Typ-I-Inhibitoren sollten solche Typ-II-Inhibitoren selektiver sein und ein besseres pharmakokinetisches Profil aufweisen, da die enzymatisch inaktive DFG-out-Konformation stabilisiert wird und sich so die Verweildauer der Inhibitoren an der Kinase erhöht.


<h2>Wie findet man Stabilisatoren inaktiver Kinasekonformationen?</h2>
Besonders die Strukturbiologie hat in den letzten Jahren das Verständnis der komplexen Regulation von Kinaseaktivitäten verbessert. Grundlegend war die Erkenntnis, dass Kinasen neben enzymatisch aktiven auch inaktive Zustände annehmen können. Viele unterschiedliche Mechanismen wie Phosphorylierung, Protein-Protein-Wechselwirkungen und Liganden-Bindung steuern diesen dynamischen Wechsel, der sich sinnvoll nutzen lässt, um Kinasen mit kleinen organischen Molekülen zu inhibieren.
An diesem Punkt setzt ein neuartiges Assaysystem an. Es verfolgt fluoreszenzspektroskopisch Konformationsänderungen und identifiziert diejenigen Moleküle, welche die inaktive Kinasekonformation stabilisieren (Abbildung 2). Bei diesem System werden Fluorophore über ein zuvor in die Aktivierungsschleife eingefügtes Cystein kovalent an die Kinasedomäne gebunden (Fluorescent Labels in Kinases (FLiK)).9,10) Die Aktivierungsschleife ist ein regulatorisches Strukturelement, das zentral an der Bildung der Substratbindetasche sowie an der Koordination des ATPs und der Ausrichtung der katalytischen Aminosäuren beteiligt ist. In der inaktiven Konformation ist die Aktivierungsschleife so ausgerichtet, das die Kinase kein Phosphat übertragen kann. Zusätzlich wird durch den Übergang von der aktiven in die inaktive Konformation eine neue Bindetasche (allosterische Tasche) freigelegt. Diese kann durch Typ-II- und Typ-III-Inhibitoren besetzt werden und hält dadurch die Kinase in der inaktiven Konformation (Abbildung 1b und 1c, S. 119).
Das Gleichgewicht zwischen der aktiven DFG-in- und der inaktiven DFG-out-Konformation wird physiologisch durch Phosphorylierung der Aktivierungsschleife, Protein-Protein-Interaktionen oder durch die Bindung verschiedener Liganden moduliert. FLiK ist daher eine leistungsfähige und empfindliche Methode, Liganden zu detektieren, die an diese weniger konservierte allosterische Bindetasche binden und dadurch die Kinase in ihrer inaktiven Konformation stabilisieren.
Darüber hinaus erlaubt FLiK, die Dissoziationskonstante (Kd) sowie die kon- und koff-Werte des Liganden direkt zu bestimmen. Mit diesem System wurden die ersten Typ-III-Inhibitoren der Tyrosinkinase cSrc entdeckt und mittels strukturbasierter Ansätze in potente Typ-II-Inhibitoren weiterentwickelt. Diese sind in der Lage, die ansonsten wirkstoffresistente Türstehermutationsvariante cSrc-T338M zu umgehen (Abbildung 3).7


<h2>Ausblick</h2>
Proteinkinasen gelten zu Recht als eine vielversprechende Gruppe von Zielproteinen: Das Verständnis des dynamischen Zusammenspiels aus aktiven und inaktiven Kinasekonformationen sowie deren komplexe Regulation schafft die Basis für neue Inhibitoren, die als Sondenmoleküle in zellulären Systemen helfen, die Funktion fehlregulierter Kinasen und deren Signalwege besser zu verstehen. Im interdisziplinären Zusammenspiel aus Chemie, Strukturbiologie und Tumorbiologie entsteht so im Rahmen der chemischen Biologie eine Basis für die Entwicklung und Anwendung neuer Wirkstoffe.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Fehlregulierte Proteinkinasen können Krankheiten wie Krebs, Autoimmunerkrankungen, Diabetes oder neurologische Defekte verursachen.
Kinaseinhibitoren greifen in diesen Mechanismus ein und sind deshalb potenzielle Medikamente.
Um solche Wirkstoffe zu finden, ist es hilfreich, das dynamische Zusammenspiel aus aktiven und inaktiven Kinasekonformationen zu verstehen.


— — — Um der Bedeutung der Biochemie Ausdruck zu verleihen, schreiben Mitglieder der Fachgruppe Biochemie in unregelmäßigen Abständen in den Nachrichten aus der Chemie zu grundlegenden und aktuellen Themen ihres Fachs.


— — — Daniel Rauh, Jahrgang 1972, ist unabhängiger Nachwuchsgruppenleiter am Chemical Genomics Centre der Max-Planck-Gesellschaft in Dortmund. Neben der Strukturbiologie, dem strukturbasierten Design und der Synthese neuer Kinaseinhibitoren und Sondenmolekülen beschäftigt er sich im Rahmen der chemischen Biologie mit Fragen der Zielproteinidentifikation und Validierung sowie mit den molekularen Grundlagen der ligandeninduzierten Wirkstoffresistenz.



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Artikel

Inaktive Kinasekonformationen stabilisieren

Die enzymatische Übertragung von Phosphatgruppen auf Seitenketten der Aminosäuren Serin, Threonin und Tyrosin ist eine der zentralen posttranslationalen Modifikationen von Proteinen. Sie ist grundlegend für fast alle biologischen Prozesse. Ausgehend von ATP übertragen Proteinkinasen — Enzyme aus...

Um die Eigenschaften und die Wirkungsweise der meisten organischen Moleküle zu verstehen, ist es notwendig, deren genaue chemische und räumliche Strukturen zu kennen. Zu diesen Strukturen führen im Wesentlichen immer noch die Röntgenstrukturanalyse von kristallisierten Molekülen und die Lösungs-NMR-Spektroskopie gelöster Moleküle. Viele Moleküle übersteigen allerdings die Molmassegrenze für NMR-Messungen in Lösung, sind nur schwer löslich oder aggregieren. Dieselben Moleküle kristallisieren oft nur schwer oder überhaupt nicht und sind damit einer Röntgenstrukturanalyse nicht zugänglich. Manche besitzen auch nur eine lokale Ordnung, darunter viele molekulare oder supramolekulare Aggregate. Zu den problematischen Molekülen zählen selbst verhältnismäßig einfache Verbindungen, kleine Peptide, aber auch Biomoleküle wie Komplexe von DNA, RNA, Proteinen oder vielen Polymeren.
Die meisten dieser Probleme entfallen ganz oder zumindest teilweise bei der Festkörper-NMR-Spektroskopie, die sich für unterschiedlichsten Kristall- und Pulverproben eignet. Bis Anfang der neunziger Jahre diente sie hauptsächlich zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von kleinen niedermolekularen anorganischen oder organischen Verbindungen oder Gruppen. Heute können aufgrund einer Reihe von technischen und methodischen Entwicklungen selbst große Moleküle mit Molmassen von 100 kDa erfolgreich untersucht werden.
Im Vergleich zur Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie hat sich die Festkörper-NMR langsamer entwickelt. Der Grund ist die ungleich kompliziertere und aufwendigere Technik (siehe Kasten S. 124).


<h2>Struktur</h2>
Ein Anwendungsbeispiel sind Strukturuntersuchungen an Methoxycarbonylharnstoff (Methoxycarbonylurea, MCU):8) Dieses Harnstoffderivat wurde, zusammen mit verwandten Verbindungen, als möglicher Langzeitstickstoffdünger diskutiert. Um seine Löslichkeitseigenschaften besser verstehen zu können, ist es wichtig, die molekulare Konfiguration und die intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zu kennen.
Zunächst wurden durch Ab-initio-Rechnungen die wahrscheinlichen Konformere des MCU bestimmt. Diese lassen sich durch drei Torsionswinkel beschreiben (Abbildung 1a). Aufgrund des partiellen Doppelbindungscharakters der CN-Bindungen können die Torsionswinkel nur jeweils 0 ° oder 180 ° sein. Mit Redor an mehreren selektiv (13C/15N) markierten Isotopomeren des MCU wurden die Abstände zwischen 15N(Amid)-13C(Carbamat), 15N(Imid)-13C(Methoxy) und 15N(Amid)-13C(Methoxy) gemessen (Abbildung 1b). Die Analyse der intramolekularen Abstände ergab, dass das MCU in der EEZ-Konfiguration vorliegen muss. Diese erwies sich auch in der quantenchemischen Rechnung als die energetisch günstigste. Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung zwischen N(Amid) und C(Carbamat) stabilisieren die Konfiguration.
Zur Bestimmung der molekularen Packung der Moleküle sind intermolekulare Abstände und Winkelinformationen nötig. Aus der Analyse der Messungen an 13C15N2-MCU ließ sich die relative Orientierung der C-N-Vektoren bestimmen. Durch Verdünnungsexperimente konnte eine der Kopplungen als intermolekular identifiziert werden. Weitere intermolekulare Abstände ergaben sich aus Cokristallen aus selektiv 13C-markierten und selektiv 15N-markierten Molekülen. Die Kombination dieser Daten mit Rechnungen zeigte, dass sich die MCU-Moleküle in supramolekularen Ketten anordnen, deren Ränder die Methoxygruppen bilden und für die drei mögliche Packungsmuster in Frage kommen. (Abbildung 1c) 
Strukturuntersuchungen sind auch bedeutend bei Enzymsubstratkomplexen. Während die biochemische Funktion der meisten Enzyme geklärt ist, ist ihr molekularer Wirkmechanismus bis heute oft nicht oder nur in Ansätzen verstanden. Der Grund ist die kurzlebige, transiente Natur der Reaktionsintermediate. Für die spektroskopische Untersuchung des Wirkmechanismus ist eine chemische Modellierung des Enzymsubstratkomplexes notwendig. Ein Beispiel dafür ist die menschliche Mangan-Superoxiddismutase (MnSOD). Sie gehört zu einer Gruppe von Isoenzymen, die das Superoxidanionradikal abbauen, das im Verlauf des aeroben metabolischen Zyklus auftritt und unter anderem die mitochondriale DNA schädigt.9,10)
Um die Enzym-Substratbindung der menschlichen MnSOD zu charakterisieren, wurde eine Mutante des Enzyms untersucht, die mit einem Substratanalogon — 15N-markiertem Azid — komplexiert.11 In dem Enzym waren die Tyrosine durch am Phenylring einfach fluormarkierte Tyrosine (Tyf) als Spinlabel ersetzt. Aus 19F-15N-Redor-Messungen ergaben sich die Abstände von den fluormarkierten Tyrosinen zu den drei Stickstoffpositionen des Azids. Diese dienten dann als Grundlage für ein Molecular-Modelling-Experiment zum Einbau des Azids (Abbildung 2).


<h2>Wandel</h2>
Die Linienform von NMR-Spektren hängt stark vom Bewegungszustand des beobachteten Kerns und seiner Umgebung ab. Insbesondere auf Orientierungsänderungen (Rotationen) molekularer Gruppen oder ganzer Moleküle reagiert sie extrem empfindlich. Dies ist am deutlichsten, wenn ein Molekül gelöst ist und sich die anisotropen Anteile der Wechselwirkungen herausmitteln.
Sobald die Rotationsbewegung nicht mehr isotrop oder schnell ist, mitteln sich anisotrope Wechselwirkungen nicht mehr vollständig aus den Spektren heraus. Diese unvollständige Mittelung lässt sich zur Analyse der Dynamik der Moleküle einsetzen. Hier ist die 2H-Festkörper-NMR von besonderer Bedeutung, da sie sehr empfindlich auf Änderungen der C-D-Bindungsrichtung reagiert.2 Aus diesem Grund wurde sie zur Untersuchung der Dynamik organischer Adsorbate in den Poren und auf den inneren Oberflächen periodischer mesoporöser Silicate (PMS) wie MCM-41 oder SBA-15 eingesetzt.12—14) Da auf den Porenwänden Silanolgruppen sitzen, sind diese Materialien leicht zu funktionalisieren. Dadurch eröffnen sich Anwendungen in der Katalyse, beim Medikamententransport oder für die größenselektive molekulare Trennung. PMS sind aber auch für grundlegende Studien interessant: Dazu zählen etwa die Wechselwirkungen von Oberflächen mit Substraten, die molekulare Dynamik von Gastmolekülen in beschränkten Porengeometrien oder die Wirkung der Beschränkung auf die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.
Als Beispiel soll die Dynamik von Benzol als Gast in den Poren mesoporöser Silicate dienen.15,16) Reines Benzol (Abbildung 3a) zeigt temperaturabhängig drei unterschiedliche Rotationszustände: 
<list list-type="order">
<list-item>
</list-item></list>Unbewegliche Moleküle, die durch ein Pake-Spektrum mit einer Aufspaltung von rund 130 kHz charakterisiert sind, 

<list-item>
Moleküle, die eine anisotrope Rotation um die sechszählige Achse ausführen und deren Pake-Spektrum auf die Hälfte reduziert ist, 
</list-item>
<list-item>
sowie Moleküle, die in der Flüssigkeit isotrope Rotationen ausführen und nur eine einzige scharfe Linie zeigen.
</list-item>

Die Übergänge zwischen diesen Rotorphasen sind im reinen Benzol scharf und durch wohldefinierte Aktivierungsbarrieren charakterisiert. Wird hingegen das Benzol in den Poren der mesoporösen Silicate untersucht, beobachtet man ein gänzlich anderes Verhalten (Abbildung 3b): Anstelle der scharfen Phasenübergänge gibt es bei kleinen Porendurchmessern sehr breite Übergangsbereiche zwischen den Rotorphasen. Diese sind ein klarer Hinweis auf eine amorphe, glasartige Benzolphase in den Poren, die durch den Einfluss der Oberfläche entsteht. Messungen an Poren mit größerem Durchmesser (Abbildung 3c) zeigten, dass drei amorphe Lagen nötig sind, um den Einfluss der Oberfläche soweit zu glätten, dass sich ein innerer Kristall bilden kann.
Ein zweites Beispiel beschreibt das Verhalten von Reaktanden auf den Oberflächen katalytisch aktiver Metallnanopartikel.17—19) Diese Metallnanopartikel mit typischen Durchmessern um 2 nm bestehen aus einem inneren Kern aus Metallatomen, die durch äußere organische Liganden oder Einbettung in eine Polymermatrix stabilisiert sind. Aufgrund ihrer großen Oberflächen lässt sich die Adsorption von Substraten auf ihren Oberflächen direkt mit Festkörper-NMR-Spektroskopie nachweisen. So zeigt Abbildung 4a die Adsorption von D2-Gas auf der Oberfläche. Durch Vergleich mit Referenzmessungen an molekularen Komplexen und DFT-Rechnungen folgt, dass die beobachtete Quadrupolkopplung charakteristisch für hydridartig gebundenen Wasserstoff ist. Während der Wasserstoff bei Raumtemperatur eine schnelle Oberflächendiffusion auf den Nanopartikeln zeigt, ist er bei 200 K lokalisiert.
Schließlich ist 2H-MAS-Festkörper-NMR auch in der Lage, transiente Reaktionsintermediate auf den Nanopartikeln nachzuweisen. Beim Vergleich der Spektren des experimentellen mit dem simulierten 2H-MAS-NMR-Spektrum der katalytischen Hydrierung von Ethen-d4 zu Ethan sind deutlich zwei Komponenten zu erkennen (Abbildung 4b): einerseits Methylengruppen mit einer Breite von etwa 120 kHz und andererseits Methylgruppen mit einer Breite von etwa 45 kHz. Letztere stammen von immobilisierten Methylgruppen, d. h. vom Intermediat der Hydrierung.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Mit der Festkörper-NMR-Spektroskopie lassen sich heute selbst große Moleküle mit Molmassen von 100 kDa erfolgreich untersuchen.
Untersuchungen der Dynamik von Wirts-Gast-Systeme sind möglich — z. B. das Verhalten von Benzol in den Poren mesoporöser Silicate.
Auch die Struktur von Enzym-Substrat-Komplexen lässt sich mit speziellen Techniken wie Rotational Echo Double Resonance (Redor) studieren.


<h2>— — — Memo: Festkörper-NMR</h2>
Die Wechselwirkungen der Kernspins lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: isotrope Wechselwirkungen, deren Stärke nicht von der Orientierung des Moleküls oder der molekularen Gruppe zum angelegten Magnetfeld abhängt, und anisotrope (orientierungsabhängige) Wechselwirkungen. In der Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie führen die schnellen isotropen Rotationsbewegungen der gelösten Moleküle dazu, dass die anisotropen Wechselwirkungen verschwinden: Im Spektrum sind nur die isotropen Wechselwirkungen (chemische Verschiebung, J- Kopplung) sichtbar.1,2)
In der Festkörper-NMR hingegen ändern sich die Linienpositionen mit der relativen Orientierung des Moleküls zur Magnetfeldrichtung. Sofern man Einkristalle untersucht, können auch im Festkörper relativ scharfe Linien beobachtet werden. Allerdings verschieben sich die Linienpositionen bei Drehung des Einkristalls im Magnetfeld, und bei magnetisch inäquivalenten Positionen der Kerne in der Einheitszelle können mehrere Linien von chemisch äquivalenten Kernen beobachtet werden.
Liegen dagegen ungeordnete Pulverproben vor, was in der Praxis meist der Fall ist, so werden die Linien einerseits sehr breit und anderseits bekommen sie eine typische Struktur: Im einfachsten Fall bilden sich die Pake-Spektren.
Magic-Angle-Spinning (MAS), das wichtigste Verfahren zur Linienverschmälerung, folgt aus der Analyse der Orientierungsabhängigkeit von chemischer Verschiebungsanisotropie und dipolarer Wechselwirkung. Diese hat eine Knotenfläche bei 54,7°, dem magischen Winkel. Wird die Probe schnell um diesen Winkel rotiert, so heben sich die Komponenten der Wechselwirkung senkrecht zur Rotationsachse auf, und eine scharfe Linie bei der isotropen chemischen Verschiebung erscheint anstelle des breiten Spektrums. Bei langsamerer Rotation entsteht ein kammartiges Spektrum, bei dem in Abständen der Rotationsfrequenz die Rotationsseitenbanden auftauchen.
Zu Beginn eines NMR-Experiments müssen die Kerne magnetisiert sein. Im thermischen Gleichgewicht ist die Stärke der Magnetisierung proportional zur NMR-Frequenz des Kerns, also bei gleicher Zahl von Kernen für Protonen beispielsweise rund vier Mal größer als für 13C.
Die Einstellung des thermischen Gleichgewichts wird als Spin-Gitter-Relaxation bezeichnet. Ein häufig auftretendes Problem in der NMR-Spektroskopie vieler Spin-1/2-Kerne wie 13C sind die im Vergleich zu Protonen langen Relaxationszeiten. Mit der Kreuzpolarisationstechnik (CP) gelingt es, die Magnetisierung von Protonen auf 13C-Kerne zu übertragen3) und damit einerseits die höhere Magnetisierung und andererseits die kürzeren Relaxationszeiten zu nutzen.4)
Die größte Hürde zur praktischen Anwendung der 13C-MAS-Spektroskopie überwanden Mitte der Siebziger Jahre Schaefer und Stejskal, die beide Verfahren kombinierten und zeigten, dass die Kreuzpolarisation auch unter MAS-Bedingungen funktioniert.5) Damit hatten sie das CP-MAS-Experiment erfunden, dass sich in mehreren Varianten zum Arbeitspferd der hochauflösenden Festkörper-NMR entwickelt hat.
Magic Angle Spinning (MAS), das wichtigste Verfahren der Festkörper-NMR zur Linienverschmälerung, unterdrückt die magnetischen dipolaren Wechselwirkungen und verhindert dadurch, dass sich internukleare Abstände bestimmen lassen. Dieses Problem überwinden mehrere neue Verfahren, zum Beispiel Redor,7) Drama,21) Melodrama,22) Rotational Resonance,23) RFDR,24) RIL,25) C726) und viele andere. Sie unterteilen das MAS-NMR-Experiment in einzelne Phasen, in denen Hochfrequenzeinstrahlung die dipolare Wechselwirkung selektiv ein oder ausschaltet (Recoupling).6) Für heteronukleare Spinpaare ist die Rotational Echo Double Resonance (Redor7)) die wichtigste und robusteste dieser Techniken. Dieses Verfahren liefert dann eine Reihe von Abständen der untersuchten Kerne zueinander. Da diese normalerweise nicht ausreichen, um die Struktur vollständig festzulegen, müssen sie mit Strukturvorschlägen aus chemischer Intuition, aus Computerrechnungen oder mit weiteren Strukturdaten kombiniert werden.


— — — Gerd Buntkowsky, Jahrgang 1960, ist seit dem Jahr 2009 Professor für physikalische Chemie an der Technischen Universität Darmstadt. Er promovierte 1991 in Physik an der FU Berlin, anschließend wechselte er in die Chemie, wo er sich im Jahr 2000 in physikalischer Chemie habilitierte und 2004 einen Ruf an die Universität Jena annahm. Schwerpunkt seiner Forschung ist die Untersuchung der Struktur und Dynamik kondensierter Materie mit Festkörper-NMR-Verfahren. <a href="mailto:gerd.buntkowsky@chemie.tu-darmstadt.de">gerd.buntkowsky@chemie.tu-darmstadt.de</a> Hergen Breitzke, Jahrgang 1963, leitet seit dem Jahr 2009 an der TU Darmstadt das Festkörper-NMR-Labor der Arbeitsgruppe Buntkowsky und untersucht unter anderem Funktionalisierungen von Silikatoberflächen sowie Ermüdungsverhalten von Schichtoxidsystemen und Ferroelektrika.



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