Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Механизм образования вторичных радикалов

Экспериментальные данные, коротко изложенные выше, сви­детельствуют о том, что радикалы, обнаруживаемые методом ЭПР в биологических тканях, подвергнутых жесткому облучению,
и большинстве случаев представляют собой совсем не те первичные радикалы, которые образуются непосредственно под действием излучения. В связи с этим возникает интересная проблема, касаю­щаяся механизма образования вторичных свободных радикалов из первичных продуктов облучения.

Горди и сотр. [17, 20] предположили, что этот механизм основан на внутримолекулярной миграции электронов. По их мнению, в веществе, подвергнутом действию ионизирующего излучения, на первом этапе происходит неупорядоченное образование элект-

По белковой молекуле к серусодержащим группам и остаткам глицина, где в результате отрыва атома водорода и происходит образование вторичных радикалов. Поскольку такого рода про­цесс предполагает исключительно легкое и быстрое движение электрона или дырки вдоль белковой молекулы, было предпо­ложено, что волновые функции пептидных групп перекрываются через асимметричный атом углерода. Этот механизм изображен на фиг". 60, где показана ориентация плоскостей пептидных групп, и можно наглядно представить себе, как может происходить перекрывание волновых функций через промежуточный атом угле­рода.

Другой механизм (в какой-то степени схожий с механизмом Горди), который также позволяет объяснить высокую подвижность электронов, был предложен Блюменфельдом и Калмансоном [21].

Выдвигая свою гипотезу, авторы исходили из своих ранних работ, в которых было показано, что при одинаковой дозе облучения белковая молекула получает меньшее радиационное повреждение, чем входящие в ее состав аминокислоты. Поэтому авторы пред­положили, что в белковой молекуле существует система полос проводимости, возникающая в результате взаимодействш. меяеду

Соседними витками спиральной поли­пептидной цепи. Такой возможный ка­нал проводимости показан на фиг. 61; электронные волновые функции сосед­них витков спирали перекрываются через посредство водородных связей, и таким образом создается прямой и быстрый путь для движения электро­нов вдоль скелета белковой молекулы. Проведенное в дальнейшем более тща­тельное сравнение числа центров пора­жения в белках и в составляющих их аминокислотах показало, однако, что статистически значимого различия ме­жду этими числами нет, а следовательно, отпадает необходимость в таком канале быстрой проводимости электронов вдоль белковой молекулы. Сейчас, по-види-

СМому, ужеЛгет нужды в этом первона­чальном варианте механизма радиа­ционной защиты, основанном на суще­ствовании в белках полос проводимости, однако возможность самого их сущест­вования является интересным предпо - ложегшем, которое будет либо под­тверждено, либо отвергнуто в будущих экспериментах.

В качестве! альтернативы к этим двум механизмам, объясняющим образо­вание вторичных радикалов миграцией электронов, Хенриксен [15, 22] пред­положил, что вторичные свободные радикалы образуются е результате прямого взаимодействия с фраг­ментами молекулы, а не в результате миграции электрона. По его мнению, первичные центры, не обнаруживаемые методом ЭПР,' представляют собой смесь положительных и отрицательных ионов, возникших, под действием ионизирующего излучения, а также радикальных фрагментов, образовавшихся в результате разрыва химических связей. Эти первичные радикалы реагируют друг с другом и с соседними неповрежденными молекулами, что и при­
водит к образованию вторичных белковых радикалов. Таким образом, здесь в отличие от обсуждавшихся выше внутримолеку­лярных процессов предполагается межмолекулярный процесс. На первый взгляд представляется затруднительным выбрать такую программу эксперимента, которая позволила бы отдать предпочте­ние какому-либо из этих механизмов. Но если образование вторич­ных радикалов действительно обусловлено взаимодействием между молекулярными фрагментами и неповрежденными молекулами, а не миграцией электрона внутри данной молекулы, то это можно продемонстрировать, добавляя в изучаемую систему некоторые специфические молекулы и наблюдая, атакуются ли они в про­цессе образования свободных радикалов.

Такой метод и был применен Хенриксеном и его сотрудниками. Они исследовали спектры ЭПР первичных и вторичных радикалов, полученных при рентгеновском облучении смеси определенных белков с соединениями меньшего молекулярного веса. Эти смеси сначала облучали при 77 К и в этих же условиях (без нагревания до комнатной температуры) записывали спектры ЭПР. Как и сле­довало ожидать, вид спектров показал, что и белковые молекулы и добавленные низкомолекулярные соединения повреждаются облучением и в них появляются свободнорадикальные центры. Поскольку полученные спектры были в точности такими же, что и спектры белков, облученных в отсутствие примесей, можно было сделать вывод, что добавление низкомолекулярного вещества не производит никакого заметного действия на первичные ради­калы, образовавшиеся в белках. Но когда затем эти смеси нагре­вали до комнатной температуры (что давало возможность первич­ным радикалам реагировать друг с другом и с остальными моле­кулами) и снова записывали спектр ЭПР, становилось очевидным, что неспаренные электроны, первоначально возникшие в белках под действием облучения, переходят на добавленные в смесь компо­ненты. К тому же выводу привели и опыты с мечеными атомами серы. Эти эксперименты весьма убедительно доказывают, что обра­зование по крайней мере некоторых вторичных радикалов осно­вано на межмолекулярном механизме, т. е. на реакциях обломков молекул друг с другом. Но, конечно, не исключено, что какая-то часть вторичных радикалов образуется все же в результате внутри­молекулярной миграции электронов по самим белковым молекулам.