Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Сигнал д = 1,94, обусловленный атомами железа

В предыдущих разделах неоднократно упоминалось о сигнале ЭПР G = 1,94, обусловленном атомами железа. В условиях вос­становления этот сигнал обнаруживается на многих биологических объектах и препаратах; его основная компонента характеризуется g-фактором 1,93—1,95, а более слабая — g-фактором 2,0. Сайде и Байнерт [22] установили, что присутствие двух компонент вызывается анизотропией g-фактора и что обе они обусловливаются ЭПР-поглощением, вызванным одним и тем же парамагнитным центром; отношение интенсивности этих компонент все время сохраняется постоянным. Это свидетельствует о том, что имеет место анизотропия g-фактора и что сигналы эти обусловливаются

1 3—1182 атомом железа, расположенным на участке, обладающем несфе­рической симметрией. Измерения, проведенные на частотах 12 и 35 ГГц, подтвердили предположение о том, что причиной возник­новения двух сигналов с разными g-факторами является именно изменение g-фактора, а не какая-либо форма электронного или сверхтонкого расщепления.

В более поздних работах [18, 23] удалось показать, что, как правило, в спектрах можно наблюдать три: основных значения g-фактора — Gx, Gy и Gz; это согласуется с предположением о том, что сигнал обусловливается атомом железа, присоединенным к белку на участке с частичной орторомбической симметрией. Более того, было продемонстрировано, что на такое связанное в комплексе железо, характеризующееся значением G — 1,94, хелатообразующие агенты не действуют до тех пор, пока белок не подвергнется частичной денатурации. Из этого следует, что комплекс железа теспо связан с микромолекулярной структурой самого белка. Добавление малых количеств изотопа Fe57 позволяет обнаружить отчетливое сверхтонкое расщепление [23], свидетель­ствующее о том, что электроны довольно тесно связаны с атомом железа, а не находятся на делокализованных орбиталях.

Теоретически для железа в низкоспиновом состоянии нельзя ожидать усреднения величины g-фактора до значений ниже 2,00; в гл. 6 будет показано, что для типичного белка, содержащего низкоспиновое железо, например азида метмиоглобина, усреднение дает величину G = 2,3- Следует, по-видимому, предположить, что в этих случаях атомы железа связываются каким-то специфи­ческим способом, характерным для связи негеминовый металл — белок. Такой вид связи встречается в биологических системах довольно часто. Для объяснения этого сигнала был выдвинут целый ряд гипотез. В некоторых из них предполагается, что такое значение g-фактора обусловливается сильными внутренними элек­трическими полями низкой симметрии.

Так, Ван Вурст и Хеммерих [25] предложили модель, в основе которой лежит структура восстановленного нитропруссида, харак­теризующаяся сильным тетрагональным искажением и не слишком низко лежащим лигандным уровнем. В этом случае атом железа мог бы делить неспаренный электрон с одним из лигандов и фор­мально валентность его была бы неопределенной. Подобным же образом Бринтцингер и сотр. [37] проанализировали различные комплексы, которые содержали как один, так и два атома железа и у которых сильное тетраэдральное искажение снижало величину g-фактора до значений ниже 2,0. По их представлениям, если комплекс включает два атома железа в окисленном состоянии, то вещество обладает диамагнитными свойствами и линия поглоще­ния уширяется, тогда как при добавлении к комплексу в процессе восстановления одного электрона один атом железа комплекса становится парамагнитным и потому возникает отчетливый СигпЙ' ЭПР. Совершенно другое объяснение было предложено Гибсоном и Торили [24], предположившими антиферромагнитное взаимо­действие между двумя высокоспиновыми валентными состояниями атомов железа, осуществляемое, возмояшо, через посредство какого-то лигапдного атома, например серы. Предполагается, что один атом железа находится в высокоспиновом состоянии S, — б/2, тогда как у второго S2 - 2. Антиферромагнитное взаимодействие этих атомов приводит к возникновению основного дублета со спи­ном */2. Тогда сигнал g = 1,94 можно объяснить, приняв, что нормальная величина g-фактора для трехвалентного железа равна 2,02, и выбрав соответствующую схему энергетических уровней для иона двухвалентного железа, в которой нижней орбиталыо является <322-орбиталь, следующей орбиталью — d^-орбиталь, а кар­тина расщепления типична для тетраэдрального искажения.

В последующие годы для проверки этих теорий были исполь­зованы самые различные экспериментальные подходы. Примером таких исследований может служить работа Орме-Джонсона, Хан­сена, Байнерта и др. [38], в которой изучались комплексы, обо­гащенные Fe®7 и S33. В спектрах ЭПР таких комплексов наблю­дается хорошо разрешенная сверхтонкая структура, обусловленная Fe57, и измерения величин сверхтонкого расщепления позво­ляют рассчитать волновые функции атомов железа. Эти результаты можно объяснить только на основании модели, согласно которой комплекс включает два атома железа, что дает, по-видимомуг определенные доказательства взаимодействия атомов серы с неспа­ренными электронами, ответственными за сигнал g = 1,94.

Следует заметить, что причина, по которой белки, содержащие негеминовое железо, дают сигнал ЭПР с таким значением g-фак­тора, еще полностью не установлена. Для окончательного объяс­нения этого сигнала и для выяснения природы самого комплекса необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее эти сигналы мояшо в настоящее время использовать как показатель количества н;елеза, связанного с белком в той или иной биологической системе.