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.