Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Общим характеристика спектров свободным’ радикалов

Все соединения, изучаемые методом ЭПР, можно разделить на две основные группы. К первой относятся соединения, в которых неспаренные электроны находятся на сильно делокализованных молекулярных орбита лях, т. е., иными словами, волновые функ­ции неспаренных электронов перекрывают несколько атомов.. Во вторую пруппу входят соединения, в которых неспаренный электрон располагается в непосредственной близости к какому - либо одному атому или химической группе и интенсивно взаимо­действует с орбитальным моментом этого центра. Большинство соединений первой группы — это так называемые свободные ради­калы, образующиеся, как правило, в результате разрыва в а л (ли­пой связи. В состав этих молекулярных структур часто входят ароматические углеродные кольца. Неспаренный электрон сво­бодного радикала переходит на молекулярную л-орбиталь, охва­тывающую большинство атомов молекулы. Спектры ЭПР, обуслов­ленные такой делокализ ов анной электронной орбиталыо, обладают рядом общих свойств; два из них обусловлены тем, что для такой делокализованной орбитали характерно очень слабое взаимодей­ствие между спином и орбитальным моментом.

От силы спин-орбитального взаимодействия непосредственно зависят два важных параметра спектров ЭПР. Первый из них — величина g-фактора или, точнее, ее отклонение от 2,0023, т. е. g-фактора свободного спина. Второй — величина спин-реше­точного взаимодействия, поскольку наиболее эффективно оно про­является через спин-орбитальную связь. Так как у свободного радикала эта связь очень слаба, значения g-фактора свободно - радикальных спектров ЭПР по большей части очень близки К g'-фактору свободного электрона, и, следовательно, подробное изучение такого спектра зачастую не дает никакой точной инфор­мации. Слабое спин-решеточное взаимодействие означает отсут­ствие уширения, обусловливаемого коротким временем жизни спинового состояния. Но при этом вполне может иметь место уши­рение, вызываемое насыщением, поскольку слабое спин-решеточ - ное взаимодействие предполагает большое время спин-решеточной релаксации, что служит одной из главных причин эффектов насы­щения (см. уравнение 3.11).

Часто наблюдаемая сверхтонкая структура является третьим общим параметром спектра, обусловленным сильно делокализован - ной орбиталью. В разд. 1.5 было уже показано, что при взаимо­действии неспаренного электрона только с одним ядром, спин которого равен /, получается простой спектр из (21 4- 1) линий одинаковой интенсивности. Если, однако, неспаренный электрон одновременно взаимодействует с несколькими различными ядрами, ситуация оказывается более сложной. В разд. 1.5 рассматривался частный случай равного взаимодействия с небольшим числом экви­валентных ядер (протонов), и было показано, что п одинаково сопряженных протонов дают (п -]-■ 1) сверхтонких линий, интен­сивность которых распределена по биномиальному закону. Более - подробно такие сверхтонкие спектры будут анализироваться в сле­дующем разделе, но уже здесь можно отметить, что, хотя такие - спектры довольно сложны, их анализ часто дает очень специфиче­скую количественную информацию об истинном распределении волновой функции неспаренного электрона в данной молекуле. Зачастую такие спектры позволяют идентифицировать активные - группы молекулы, и потому они представляют значительный интерес при анализе биологических процессов.

Прежде чем обсуждать специфические особенности свободно - радикальных спектров, рассмотрим различие между спектрами одних и тех же соединений, находящихся в растворе и в кристал­лическом состоянии. Вообще говоря, и значение g-фактора, и вели­чина сверхтонкого взаимодействия меняются в зависимости от угла между приложенным магнитным полем и внутренним электри­ческим полем кристалла (или каким-либо другим избранным направлением в кристалле). Поэтому при вращении кристалла относительно направления приложенного магнитного поля резо­нансные значения поля для линий поглощения и величины рас­щепления между электронными или сверхтонкими компонентами будут меняться. Анализ этих угловых изменений может дать специфическую информацию об орбиталях, на которых находится неспаренный электрон, и, следовательно, о типе химической связи в исследуемой активной группе.

Однако во многих случаях, особенно при биологических и био­химических исследованиях, изучаемая система может находиться только в жидком состоянии и исследовать монокристаллы невоз­можно. В растворе отдельные молекулы имеют, естественно, слу­чайную ориентацию относительно друг друга и относительно - направления приложенного магнитного поля. На первый взгляд может показаться, что случайное усреднение различных резонанс­ных положений линии поглощения и различных сверхтонких компонент этой линии должно было бы привести к полному размазыванию спектра, который захватывал бы такой широкий диапазон поля, что стал бы совершенно неразрешим. К счастью, однако, дело обычно обстоит не так, и случайная ориентация, характерная для жидкого состояния, приводит к такой форме усреднения, которая позволяет получить вполне отчетливый' спектр.

Можно показать, что сверхтонкое расщепление обусловлено в основном двумя типами взаимодействия. ПервыйИйз них можно рассматривать как простой классический случай диполь-дипольного взаимодействия между магнитным моментом электронного спина и магнитным моментом ядерного спина. Изменение этого прямого дипочь-дипольного взаимодействия в зависимости от угла 0 опщЛ сывается функцией (3 cos2 0 — 1) ЯЯ следовательно, при измене­нии угла от 0 до л/2 меняется от максимума, равного 2, до мини­мума, равного —1. Второй тневзаимодействия, не имеющий такой классической аналогии,1:известен под названием контактного в зам модействия, «пни взаимодействия Ферми, ш возникает благодаря тому, что волновая функция электрона, находящегося в s-состоя нии, имеет конечную вероятность существования в какой-либо точке самого ядра. Этот s-электрон взаимодействует с магнитным моментом ядра независимо от величины угла 0. Эти два разных типа взаимодействия можно описать следующим уравнением:

Энергия сверхтонкого в за имо действия =

О а Г(3Cos2G — 1)-S I 8л а т С, ч1 ич

= ft>-ftvP-P_v ' — —~ - -"з S-I-b(r) |, (4.1)

Где Ge и GN — значения G фактора электрогшйи ядра соответственно, а р '<и (3jv —магнетон Бора и ядерный магнетон. Первцй-^член в скобках выражает диполь-дипольное взаимодействие зависящее от угла 6. Такое взаимодействие будет иметь место с каждым ядром, находящимся поблизости от неспаренного электрона. В твердом веществе эти! взаимодействия суммируются. В растворе, однако, молекулы, окружающие неспаренный электрон, быстро меняют свое местоположение — как правило, за промежуток времени, много меньший времени спинового перехода. Поэтому результат рующее магнитное поле, действующее на данный неспаренный электрон, представляет собой среднее по всем полям, создаваемым различными молекулами, присутствующими в растворе в момент спинового перехода Но среднее значение (3cos20 — 1) равно нулю. Поэтому при условии'достаточно быстрого беспорядочного движения молекул в жидкости неспаренные электроны не будут испытывать воздействия дипольного поля.

Второй член в уравнении (4.1) выражает контактное взаимо - действие«:щ£н взаимодействие Ферми. Оно совершенно не зависит, от угла между приложенным магнитным полем и данной ориента цией молекул,- щ следовательно, одинаково для всех молекул в растворе. Такое изотропное взимодействие для свободных радика­лов в жидких растворителях легко поддается наблюдению; более

Того, поскольку большинство молекулярных орбиталей имеет при­месь s-состояния, часто наблюдается довольно большое расщеп­ление, обусловленное этим механизмом. Отметим также, что вследствие беспорядочного движения молекул в жидкости обра­щается в нуль не только анизотропное сверхтонкое взаимодей­ствие, но (по тем же причинам) и уширение, обусловленное обыч­ным диполь-дипольным взаимодействием между спинами соседних электронов, чг, о резко уменьшает ширину линии резонансного поглощения (динамическое обменное сужение). Именно поэтому на растворах удается получить спектры очень высокого разреше­ния, тогда как то же соединение в твердом состоянии дает только лшрокне* линии. Приступая к исследованию какой-либо неизвест­ной свободнорадикальной системы, более разумно исследовать ее сначала в жидком состоянии, в котором проявляется толкко изотропное сверхтонкое взаимодействие. Затем, после того как эти взаимодействия охарактеризованы, можно получить да тьней - шую, значительно более подробную информацию из экспериментов по наблюдению анизотропии расщепления (если, конечно, те же молекулы можно изучать в виде монокристаллов). Такие исследо­вания монокристаллов были1 проведены щ на некоторых биологи чес™ важных веществах, однако большинство биохимические"' и биологически»1 Исследований было выполнено на растворах. Таким образом, информация, полученная в этих 'исследованиях, была почерпнута из анализа. хорошо разрешенной изотропной сверхтонкой структуру, г спектров, суженных за счет беспорядоч­ного движения молекул.