Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Шсполъзование явлении насыщения и двоимого электронно-ядерного резонанса д. ая. исследования биологических молекул

Все исследования биологических соединений, обсуждавшиеся нами до сих пор (их постановка и анализ полученных результатов), проводились по общей схеме, сложившейся в ЭПР-спектроскопии за последние десять лет. Согласно этой схеме, вначале записы­вается спектр ЭПР исследуемого соединения, а затем опреде­ляются три основных параметра линии поглощения: 1) ее инте­гральная интенсивность, 2) значения g-фактора, 3) картина сверх­тонкого расщепления (если оно наблюдается). Полученные резуль­таты используются для качественной характеристики парамаг­нитных центров, а также для количественного определения их концентрации.

Так, для того чтобы определить содержание свободных радика­лов или каких-либо других парамагнитных промежуточных продуктов, образующихся в процессе реакции (в частности, фер­ментативной), измеряют интегральную интенсивность линии поглощения и строят зависимость интенсивности поглощения от времени, что дает возможность изучить общую кинетику иссле­дуемой системы. На основании сверхтонкой структуры спектра ЭПР можно идентифицировать свободнорадикальные промежу­точные продукты и ионы металлов, принимающие участие в реак­ции или входящие в состав исследуемого биохимического соеди­нения. Идентификацию ионов металлов можно осуществить также исходя из анизотропии g-фактора; этот параметр дает, кроме того, ■сведения о природе химических связей и окружении ионов метал­лов внутри молекулы. Таковы стандартные методы, применяемые при анализе любого обычного спектра ЭПР, и сейчас они уже хорошо отработаны и в теории и на практике.

Но помимо них, существуют и другие методы, с помощью кото­рых можно получать дополнительную информацию из спектров ЭПР; в настоящее время их начинают применять и при исследова­нии биологических образцов. Одну группу таких методов можно объединить под общим названием «исследования насыщения». Суть их состоит в измерении времени релаксации парамагнитных центров, содержащихся в молекуле, что практически сводится к измерению ширины линий поглощения при различных значе­ниях микроволновой мощности. Такие эксперименты могут дать полезные сведения о характере связей ионов металлов или свобод - норадикальных компонент в молекуле и об их взаимодействии с другими атомами. Общая теория уширения линий ЭПР при насыщении уже обсуждалась довольно подробно в разд. 3.7, а в разд. 3.8 описывался экспериментальный метод измерения времени релаксации. В следующем разделе мы на нескольких примерах покажем ценность этого метода для выяснения струк­туры ряда типичных биологических соединений.

В последние годы начал широко применяться еще один спе­циализированный метод — метод двойного резонанса, в частности ДЭЯР. Его основные принципы ужо обсуждались в разд. 3.9, где было показано, что главное достоинство метода ДЭЯР заклю­чается в том, что он позволяет разрешать очень малые сверх­тонкие расщепления в уширенных лилиях ЭПР. Этим способом можно получить точную информацию о том, имеют ли место сверхтонкие взаимодействия и какова их величина. Все перво­начальные исследования методом ДЭЯР проводились на монокри­сталлах, но в настоящее время с его помощью исследуют и рас­творы, чти позволяет использовать его для изучения биологиче­ских образцов. Некоторые примеры использования метода ДЭЯР в биологии будут описаны в разд. 7.3.

Помимо этих новых методов, развившихся на основе общей теории ЭПР, в последние годы появилось несколько методов, разработанных специально для биохимических исследований. Из них особенно интересен метод спин-меток. Сущность его состоит в том, что в исследуемое соединение вводятся парамагнитные соединения с хорошо известной структурой, а затем по спектрам ЭПР определяется положение, какое эта метка занимает в моле­куле исследуемого соединения. Вводя метод в различные части молекулы, мояшо определить общее расположение различных групп, а также магнитные взаимодействия в исследуемой моле­куле. Примеры, иллюстрирующие применение этого метода к исследованию различных биологических веществ, в том числе гемоглобина, будут приведены в разд. 7.4.