Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Сверхтонкая структура в спектрах иопов металла

Общая картина сверхтонкой структуры спектров ЭПР обсуж­далась в начале книги, в частности в разд. 1.5, а сверхтонкая структура спектра свободных радикалов более подробно рассма­тривалась в гл. 4. Как уже было указано, ионы металлов дают обычно совершенно иную сверхтонкую структуру в спектрах ЭПР, нежели свободные радикалы. В последнем случае неспарен­ный электрон обычно находится на делокализованной орбитали и., следовательно, взаимодействует одновременно с несколькими ядрами, тогда как у ионов металлов неспаренный электрон в большинстве случаев локализован преимущественно на са­мом ионе металла, и поэтому сверхтонкое расщепление обу­словлено в основном взаимодействием неспаренного электрона с ядерным спином именно этото иона.

Так, в простейшем случае, скажем, неорганической соли, со­держащей ионы меди, должно иметь место прямое взаимодейст­вие неспаренного электрона с ядерным спином / атома меди, равным 3/2, и, следовательно, наблюдается (21 + 1) линий, т. е. сверхтонкая структура состоит из четырех линий. Такая сверх тонкая структура была показана на фиг. 11,А для монокристалла, содержащзго ионы Сп2+, и на фиг. 12,Б для ферментной системы, в растворе, содержащей те|же ионы. На фиг. 12.Б сразу обра­щает на себя внимание еще одна характерная черта спектра, а именно возможность легко идентифипчровать сверхтонкую структуру из четырех линий около положения |1, несмотря на беспорядочную ориентацию ионов металла в растворе. Такое со­хранение характерной сверхтонкой структуры ионов металла в раствсре дает возможность характеризовать входящий в со­став фермента ион металла в условиях, очень близких к условиям in vivo, что имеет существенное значение для биохимических исследований.

Однако даже если электрон в основном локализован на каком - то одном ионе металла, его молекулярная орбиталь может охва­тывать и некоторые соседние лигандные атомы. В этом случае возникает дополнительное сверхтонкое взаимодействие с ядер­ными спинами этих лигандных атомов, окружа гащих ион металла. В биологических соединениях часто встречается структура из четы­рех атомов азота, окружающих ион металла. Хорошими при­мерами систем такого рода служат плоские молекулы порфирипа и гема: каждая из них содержит центральный атом металла в окру­жении четырех атомов азота и в свою очередь является частью гораздо более протяженной плоской молекулярной единицы - Очень похожа на них и молекула фталоциапина, структура кото­рой уже приводилась в качестве примера на фиг. 14,А. В этой молекуле можно ввести в центральное положение ионы самых
различных металлов; вид сверхтонкой структуры спектра ЭПГ при введении Си2+ показан на фиг. 14,Б. ©та сверхтонкая струк­тура получена на монопристаллах, и поэтому ни усреднения, ни уширения линий не наблюдается. Как уже было сказано при кратком рассмотрении этого спектра в разд. 1.5, на каждой из четырех групп линий заметно добавочное расщепление, обуслов ленное суперсверхтонкой структурой, возникающей в результате

Взаимодействия неспаренного электрона с четырьмя атомами азота, окружающими атом меди [5]. Соотношение величин рас­щепления суперсверхтонкой структуры и расщепления между сверхтонкими компонентами, обусловленными медью, ирямо шо - казывает, какая часть спиновой плотности неспаренных^'дек- тронов находится на этих лигандных атомах и, следовательно, каков характер распределения их молекулярной орбитали по самой молекуле.

При исследовании растворов сохраняются щ разрешаются даже эти суперсьерхтонкие ^компоненты. На фиг. 80 попами спектр, наблюдаемый в водных растворах кональбумина, содер­жащего медь ГШ В левой части спектра вокруг положения gfl ясно видны четыре отдельные линии, обусловленные самими атомами

Меди, а справа — интенсивная одиночная линия, связанная с gj_- компонентами. Однако эта линия тоже оказывается сложной, так как на нее накладываются многочисленные сверхтонкие компо­ненты, обусловленные взаимодействием неспаренного электрона с атомами азота, окружающими атом меди; сверхтонкая струк­тура самого атома меди при данной ориентации практически исчезает. Этот пример еще раз показывает, что даже при иссле­довании водных растворов ферментов можно получить ценные количественные данные об их сверхтонкой структуре.

В табл. 3 суммированы данные о величине ядерных спинов и g-фактора, а также о характере сверхтонкого расщепления в спектрах металлов, входящих в состав ферментов. Этой табли­цей можно воспользоваться при проведении сравнительных иссле­дований ферментативных реакций, когда требуется идентифици­ровать участвующие в реакции ионы металлов и следить за изме­нением их валентности. Примеры таких исследований будут приведены в следующих разделах этой главы.