Электронный Парамагнитный резонанс в биологии
Электронный Парамагнитный резонанс в биологии
Д. Дж. Е. Инг рем
В последние годы метод электропного парамагпитного резонанса (ЭПР) все чаще и чаще применяется в биологических и биохимических исследованиях. Ценность этого метода состоит в том, что он позволяет обнаруживать неспаренные электроны даже при очень низкой их концентрации в любом веществе, не разрушая и не видоизменяя его, и при этом характеризовать их энергетические состояния или локализацию. Неспаренные электроны играют очень важную роль в любой химической или биологической системе благодаря тому, что обычно обладают высокой энергией и, следовательно, активностью; поэтому изучение их свойств часто дает в руки исследователя ключ к познанию свойств молекулярной системы, в состав которой они входят.
В первом приближении вещества, содержащие неспаренные электроны, можно подразделить на две группы. В веществах, относящихся к первой группе, неспаренные электроны связаны либо со всей молекулой, либо по крайней мере с большей ее частью. Эти неспаренные электроны перемещаются по сильно делокализо - ванным молекулярным орбиталям и обусловливают разнообразную активность атомных группировок, входящих в состав молекулы. В этом и состоит специфика свободнорадикальных реакций. Поэтому изучение этих делокализованных песпаренных электронов исключительно важно для понимания механизмов таких процессов, как радиационное повреждение биологической ткани или образование различных промежуточных молекулярных форм в ферментативном или каком-либо другом каталитическом процессе.
Ко второй группе веществ, содержащих неспаренные электроны, относятся те, в которых неспаренпый электрон связан только с одним каким-либо атомом, а не перемещается по делока - лизовапной молекулярной орбитали, охватывающей многие атомы. Такие неспаренные электроны обычно связаны с атомами переходной группы — железом, кобальтом или никелем, и их число в атоме, равно как и энергия, широко изменяется с изменением валентпости того атома, которому они принадлежат. Поэтому изучение электронного парамагнитного резонанса в биологических и биохимических системах, содержащих атомы таких металлов или их ионы, часто дает очень полезные сведения о характере связей исследуемого атома и степени его окисления. Измене - пия валентности тоже можно прослеживать непрерывно в ходе ферментативных или каких-либо других реакций и, следовательно, изучать их параллельно с изучением кинетики содержания свободных радикалов; такого рода параллельные исследования весьма перспективны.
Хотя большинство веществ, содержащих неспаренные элек- тропы, можно отнести к одной из двух указапных выше осповпых групп, существует много других специфических соединений, которые трудно вместить в такую грубую классификацию и следует отметить особо. Большой интерес представляют, например, неспаренные электропы, связанные с полупроводниковыми механизмами; в последние годы им уделяется особое внимание, поскольку было постулировано, что белки представляют собой системы с энергетическими уровнями, характерными для полупроводников, и высказапо предположение, что именно этим определяется канцерогенная активность некоторых белков. Методом ЭПР исследовали также процессы фотосинтеза; и хотя неспаренные электроны, участвующие в этих процессах, вряд ли связаны со свободными радикалами, они безусловно связаны со всей молекулярной системой в целом. Следует отметить, что многие широко исследуемые в настоящее время биологические и биохимические процессы интересны именно благодаря участвующим в них песпаренным электронам, и потому нужно ожидать, что метод ЭПР найдет очень широкое применение во всех областях биологии.
Прежде чем перейти к применению этого метода в исследованиях разнообразных биологических и биохимических систем, рассмотрим сначала некоторые основные принципы, лежащие в его основе, и затем — постановку эксперимента и приборы, применяемые в таких исследованиях. Эти разделы написаны в расчете на читателя, мало знакомого с деталями работ по физике или химии, выполненных методом ЭПР, и не требуют специального знакомства с электроникой или микроволновой техникой. Технические детали различных систем спектрометров будут описываться очень кратко, но всегда будут приводиться ссылки на специальные работы, в которых приборы рассматриваются достаточно подробно.