Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

ЭПР-исследоваиия негемового железа

При исследовании природы связи железа в биологических соединениях и белках наибольшее внимание уделялось железу, входящему в состав гема. Но существует ряд других биологи­чески важных молекул, в которых тоже имеется железо, но не вхо­дящее в состав гема. Эти молекулы также исследуются методом ЭПР, и, хотя до сих пор такие работы еще не дали столь же точной и исчерпывающей информации, как и работы по гемсодержащим белкам, это направление, по всей вероятности, следует считать весьма перспективным.

Негемовое железо в белках обычно дает сигнал ЭПР, харак­теризующийся g-фактором 1,94; об этом сигнале мы уже говорили в разд. 5.7 при обсуждении железосодержащих ферментов. В том же разделе отмечалось, что природа иона железа, обусловливающего этот специфический сигнал, еще не выяснена, и в настоящее время существуют многочисленные теории относительно его пр оис хождения.

В определенных условиях железо, содержащееся в биологи­ческих объектах, дает сигнал ЭПР с эффективным значением g", равным 4,3. Впервые такой сигнал был описан Сандсом [29] в 1955 году при исследовании ЭПР-поглощения в стеклах. Проис­хождение этого сигнала можно объяснить следующим образом: в основном атомы железа находятся в высокоспиновом состоя­нии S — 6/2, но местоположение каждого из них обладает в боль­шой степени ромбической симметрией. Вследствие этого имеет место значительное примешивание энергетических уровней трех пар спиновых состояний, и при измерении на обычных частотах Х-диапазона переходы наблюдаются при значении поля, соот­ветствующем g — 4,3. Точно так же, как в случае кубической симметрии поля значение g8jM на самом деле не равно 6,0, а лишь кажется таким в определенных условиях, при ромбиче­ской симметрии gравное 4,3, в действительности вовсе не является истинным значением g-фактора. При интерпретации сигнала с таким g-фактором следует проявлять даже большую осторожность, чем в случае с сигналом g = 6: энергетические уровни в полях с высокой степенью ромбической симметрии легко изменяются в зависимости от длины волны, и поэтому в каждом случае очень важно измерять кажущиеся значения g-фактора при различных микроволновых частотах. Подробное изложение теории резонанса при g^S4>= 4,3 читатель, интере­сующийся этим вопросом, может найти у Блумберга [30[. Этот автор пришел также к выводу, что количество информации, кото­рую можно получить об атомах железа этого типа, быстро воз­растает с повышением используемой в эксперименте микроволно­вой частоты.

Вскоре после того как g-фактор, равный 4,3, был обнаружен в неорганических стеклах, он был описан также в различных биохимических соединениях [31, 32] и биологических образцах [33]. Хорошим примером может служить работа Уикмэна и сотр. [33] по исследованию ЭПР феррихрома — циклического гекса - пептида, выделяемого из гриба Ustillago sphaerogena. Как показал рентгеноструктурный анализ, центральный атом железа в этой молекуле окружен октаэдром из атомов кислорода. В первом приближении можно считать, что железо располагается на участке, характеризующемся кубической симметрией, но, как можно видеть из фиг. 113, связывание шести атомов кислорода приводит

К значительному ромбическому искажению. Такой атом железа дает относительно широкие линни ЭПР-поглощения с центром у g' = 4,3. Уикмэн и др. [33] показали, что полученные ими резуль­таты можно объяснить исходя из резкого изменения энергетиче­ских уровней, связанных с высокоромбическим полем, и что они хорошо коррелируют с данными рентгеноструктурного ана­лиза того же соединения.

Спектры ЭПР того же вида с центральным значением g-фактора, равным 4,3, были получены и на других биологически важных соединениях, содержащих железо. На фиг. 114 в качестве при­мера приводится спектр поликрпсталлического комплекса Fe3 +— ЭДТА [34], содержащий три отчетливо выраженные

Линии; по-видимому, они соответствуют величинам g-фактора для трех главных осей. Окружение атома железа для данного случая приводится на фиг. 114, Б; нетрудно заметить, что, как и в случае феррихрома, в первом приближении симметрию можно считать кубической, но имеет место сильное ромбическое искаже­ние. Блумберг [30] рассчитал на основании этих данных константы

17—1182 расщепления D и Е; полученные им величины D = 0,769 см"1 и Е = 0,236 см-1 хорошо согласуются с теоретически ожидае­мыми для данной конфигурации. Для анализа спектров ЭПР других биохимических соединений, содержащих железо нТ участках с низкой симметрией, та к^ке можно применить общий метод, предложенный Блумбергом Таким образом, молекулярное окружение центрального парамагнитного атома можно иссле­довать методом ЭПР даже в тех случаях, когда оно имеет сложную конфигурацию и относительно низкую симметрию. Более того, такого роде измерения можно проводить не только на монокри­сталлах, но и на поликристаллических или жидких образцах.