Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Угловые изменения сверхтонкой структуры

Все три приведенных выше примера касались спектров, полу­чаемых на монокристаллах. Как отмечалось в конце раздела 1.4.3, электронное расщепление в значительной степени зависит от угла между внешним магнитным и внутренним электрическим полями, и если объектом служит не монокристалл, а вещество, в котором оси молекул ориентированы беспорядочно, линии поглощения полностью смазываются в результате рандомизации. Во многих случаях сверхтонкая структура также обладает этим свойством, т. е. может смазываться и даже исчезать при исследовании раство - juiu, аморфных или поликристаллических образцов. Однако взаимодействие между неспаренными электронами и ядром зависит иг угла не целиком; в первом приближении его можно разделить па два члена. Первый — это взаимодействие типа классического дпполь-дипольного взаимодействия двух малых стержневых маг­нитов; с изменением угла оно изменяется так же, как и описанное нише электронное расщепление, т. е. его зависимость от угла 6 между направлением внешнего магнитного поля и направлением пинии, соединяющей электрон и ядро, описывается выражением (:•, cos20 — 1). Кроме этого члена, зависящего от угла, имеется еще так называемый член Ферми, или контактный член, который 11с зависит от угла и прямо пропорционален величине волновой функции электрона в месте расположения ядра. Какую-либо конечную интенсивность в месте расположения ядра могут иметь лишь электроны, находящиеся на s-орбиталях, и, следовательно, контактное взаимодействие, дающее изотропную сверхтонкую структуру, целиком обусловлено s-opбиталыо неспаренных элек­тронов. В растворах или поликристаллических образцах это взаимодействие не обращается в нуль в результате усреднения, так как его величина постоянна независимо от ориентаций молекулы или кристалла в приложенном магнитном поле. Это имеет особое значение при исследовании биологических объектов, которое часто приходится проводить в растворе и в условиях, по возмож­ности приближающихся к условиям in vivo. В таких случаях зависящие от угла члены сверхтонкого расщепления, которые обычно в результате усреднения обращаются в нуль, не поддаются наблюдению, но изотропные взаимодействия могут быть иденти­фицированы.

Два примера такого рода приведены на фиг. 12. Первый из них представляет собой обсуждавшийся выше спектр, наблюдаемый на растворе, содержащем ионы Мп. Мы видели, что монокристалл, •содержащий эти ионы, дает пять групп сверхтонких компонент и эти пять групп быстро перемещаются с изменением угла. Центральная группа остае'тся, однако, на месте. В растворе электронные расщепления усредняются вследствие беспорядочной ориентации молекул, и четыре боковые группы сверхтонких линий исчезают. Оставшаяся центральная группа имеет хорошо разре­шенную изотропную сверхтонкую структуру. Такой спектр (фиг. 12, А) часто дают используемые в биохимии буферные раство­ры, так как все реактивы, как правило, содержат некоторую примесь марганца, а метод ЭПР позволяет обнаруживать его в очень низких концентрациях.

На фиг. 12, Б приведен другой пример спектра, наблюдаемого в растворе, на этот раз в ферментной системе, содержащей ионы меди. Входящая в состав фермента медь дает спектр ЭПР, g-фактор которого зависит от угла. Природа этого явления и информация, которую можно получить из такого спектра, будут подробно рас­смотрены в гл. 5. Здесь же мы лишь отметим, что изменение g-фак - тора, т. е., по сути дела, изменение величины магнитного поля, при которой возникает резонанс, прплодит к возникновению очень широкой линии поглощения. Одна часть спектра соот­ветствует значению g-фактора, получаемому в том случае, когда

Внешнее магнитное поле параллельно оси молекулярного электри­ческого поля (gN), а другая —перпендикулярному направлению (gj_). При наличии осевой симметрии число ионов с ориентацией, близкой к перпендикулярному направлению, будет примерно вдвое больше числа ионов, ориентированных параллельно полю; следовательно, сигнал, наблюдаемый в перпендикулярном напра­влении, будет более интенсивным, что позволяет различить эти два направления. В некоторых случаях с изменением угла изме - ■мк'тся также и расщепление между сверхтонкими компонентами — и параллельном направлении расстояние между линиями оказы­вается значительно большим, чем в перпендикулярном. Именно 1.1 кой случай представлен на фиг. 12, С; здесь, хотя исследуемый Фермент находится в растворе и все угловые изменения усред­ни ются за счет беспорядочного движения молекул растворителя,, пнгко выявляется хорошо разрешенная сверхтонкая структура ii:i четырех линий.