Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Значения ^-фактора ионов металла

Как уже отмечалось, любой спектр ЭПР характеризуется двумя важнейшими параметрами — значением g-фактора и величиной сверхтонкого расщепления. В спектрах свободных радикалов значения ^-фактора почти всегда близки к 2,0023 (^-фактору сво­бодного электрона), поскольку неспаренные электроны находятся на сильпо делокализованных молекулярных орбиталях и прак­тически не взаимодействуют с орбитальным движением электронов какого-либо одного из атомов. В первых главах отмечалось, что отклонение величины g-фактора от 2,0 обычно служит мерой добавочного магнитного момента, обусловленного орбитальным движением электрона. Хотя в строгое выражение для g-фактора входят значения энергетических уровней исследуемого парамаг­нитного атома, в общей форме его можно записать в виде

G = 2,0023[l-/(A)j или (при наличии ковалентной связи)

2,0023 [l-aM (А)]. (5.1)

В этом уравнении Л — параметр, характеризующий величину спип-орбиталъной связи данного парамагнитного атома, Д — ве­личина расщепления между основным состоянием, в котором наблюдается электронный парамагнитный резонанс, и следую­щим более высоким орбитальным состоянием атома в конкретной конфигурации изучаемой молекулы. Член / (%/А) означает, что отклонение значепия g-фактора от 2,0023 выражено в виде функ-

Исследование ферментов

Иди отношения этих двух параметров; очень часто эта функция линейна. Подробное изложение теории g-факторэ и способы опре­деления этой функции для различных случаев можно найти в ли­тературе [1—3]; эта теория довольно сложна, и поэтому здесь мы не будем подробно останавливаться на ней. В биологических ирилоясениях ЭПР значения g фактора гораздо чаще исполь­зуются как средство для характеристики конкретного атома ме­талла и определения его валентности, чем для расчета системы энергетических уровней этого атома. Таким образом, для иссле­дователей, работающих в этой области, основной интерес пред­ставляет форма функции / Ш Д) и значения, которые она прини­мает для различных атомов. В качестве примера можно привести медь: для двухвалентных атомов меди, связанных ионной связью с окружающими лигандами [4], функция / (Xi А) имеет простой вид

Тогда как при наличии сильной ковалентной связи значение этой функции уменьшается в а2 раз.

Вид функции / (X/Д) зависит не только от валентности и, сле­довательно, от числа неспаренных электронов в исследуемом ионе металла, но т;у;же от природы nj симметрии кристаллического или молекулярного электрического поля, в котором находится этот ион. Эта " зависимость обусловлена воздействием внутренних электрических полей на расщепление орбитальных энергетиче­ских уровней электронов, и, следовательно, внутреннее поле определяет не только значение Д, но и квантовую характеристику самого основного уровня. Так, для случая, когда ион Сп2ь нахо­дился в Системе с кубической симметрией с некоторым тетраго­нальным искажением (как часто бывает в простых неорганиче­ских солях), величина Д з / (X/ Д) есть расщепление между основ­ным состоянием dx->__y-i и уровнем йху (гл. 6). Если, однако, сим­метрия окружения иона меди является тетраэдральной, а не куби­ческой!; расположение орбитальных энергетических уровней изме­нится таким образом, что dxlJ будет самым нижним уровнем и зна­чения Д и функции / (?:/Д) будут иными.

Таким образом, значение g'-фактора позволяет определить не только валентность иона металла, но и симметрию его молеку­лярного окружения.

Исходя из всего сказанного может показаться, что анализ и характеристика спектров ЭПР ионов металлов крайне просты, поскольку каждому валентному состоянию каждого иона соот­ветствует определенное значение G фактора и, следовательно, их можно легко идентифицировать по наблюдаемой линии погло­щения. К сожалению, это не совсем так, поскольку для этих ионов
часто наблюдается значительная анизотропия g-фактора. Эта анизотропия обусловлена конкуренцией между действием внеш него магнитного поля на магнитные моменты электронов и влия­нием внутреннего электрического поля на электроны, основанным на спин орбитальном взаимодействии. В результате смещение G Фактора меняемся в зависимости от угла между направлениями этих двух полей.

Другими словами, выражение для функции / (А/Д) ^ уравне­нии 1)кшвисит от угла; например, в рассмотренном выше слу­чае Cu2+ g фактор имеет следующие значения в двух взаимно пер­пендикулярных направлениях: = 2,15 и gj = 2,40. В этом "лучае мы допускаем, что ьнутреняее электрическое поле обла­дает аксиальной симметрией и есть значение G в том случае, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль оси симметрии, a gjB— когда оно перпендикулярно этой оси. Следует отметить, что константа спин-орбитальной связи % для Си2+ равна —850 см-1 (знак минус означает, что G > 2). Промежуточные значения g фактора при угле 0 между внешним магнитным полем и осыо симметрии могут быть определены из уравнения

Gb U gf| cos2 О - Ь Щ sin2 G. (5.3)

При изучении монокристаллов изменение значений ^-фактора независимости от угла можно проследить непосредственно, изме­няя направление внешнего магнитного поля относительно оси кристалла. Однако в громадном большинстве случаев, к которым относятся и биохимические системы, получить монокристалльк' невозможно, и кинетические измерения приходится проводить на растворах, в условиях, максимально близких к условиям m vrvo. Возникает вопрос, какой вид будет иметь спектр ЭПР, если g-фактор изменяется в таком широком диапазоне, соответ­ствующем всем разнообразным ориентациям различных молекул в Дйдком или поликрирталлическом образце. Пример такого спектра представлен на фиг. 78. На фиг. 78,4 показана (ижстин - ная линия поглощения в типичном спектре меди, на фиг. 78 Б — Первая производная этой кривой, т. е. спектр, каким мы его видим на выходе спектрометра. Из этих кривых, соответствую­щих случаю аксиально симметричного внутреннего молекулярного поля, отчетливо видно, что поглощение сосредоточено в основном около направления, соответствующего gW. Это совершенно есте­ственно, поскольку число молекул, ориентированных в направле­ниях, соответствующих gj", несравнимо больше числа молекул, ориентированных в единственном направлении, соответствую­щем Поэтому даже при исследовании жидких и поликристал - тшческих образцов эти два крайних значений g-фактора можно легко разделить и вычислить.

'Риг. 78. Кривые ЭПР-поглощешш для случая анизотропии ^-фактора при

Аксиальной симметрии.

Л — кривая поглощения, получаемая иа растворе соли Сп2+; Б — первая производная кривой поглощения для того же раствора.

Ситуация несколько осложняется, если местоположение иона металла в молекуле обладает не аксиальной симметрией, а сим­метрией более низкого порядка (например, орторомбической), при которой не все направления в перпендикулярной плоскости эквивалентны. В этом общем случае смещение g-фактора может быть выражено через три основных значения: gx, Gy, g2, причем Gz аналогично g|| в предыдущем случае, т. е. соответствует на­правлению, параллельному оси симметрии, a Gx и Gv представ­ляют собой максимальное и минимальное значения в плоскости, перпендикулярной этой оси.

Фиг. 79 показывает, какой вид имеют кривые поглощения и их первые производные в этом случае. Можно видеть, что кривые имеют три отчетливых перелома, что опять-таки позволяет опре­делить три различных значения g-фактора, хотя мы имеем дело - с растворами, а не с кристаллами.

Проводя все эти рассуждения, мы считали, что значение g-фак­тора в растворе и в твердом кристаллическом состоянии одина­ково, но в растворе оно смазывается из-за беспорядочной ориен­тации молекул. Обычно дело обстоит именно так, но возможны случаи, когда беспорядочное движение молекул в растворе очень интенсивно и тогда отклонение g-фактора от 2,0 усредняется до нуля, подобно тому как усредняется анизотропная сверхтопкая структура в большинстве растворителей. Но эффект усреднения в жидкости достигается не так легко, поскольку расщепление энергетического уровня электрона во внешнем магнитном поле гораздо больше, чем сверхтонкое расщепление. Беспорядочное движение больших молекул, с которыми чаще всего приходится иметь дело в биохимии, происходит, как правило, не настолько быстро, чтобы произошло усреднение. Однако забывать о том, что такой эффект может иметь место, не следует, и при идентифи­кации неизвестных атомов всегда нужно сравнивать наблюдае­мую анизотропию g-фактора с анизотропией g-фактора в раство­рителях или растворах примерно той же вязкости.

Следует также отметить, что в некоторых случаях, особенно тогда, когда ион металла находится в синглетном спектроскопи­ческом состоянии, т. е. отсутствует орбитальное движение, свя­занное с основным состоянием этого атома, значение g-фактора совпадает со значением, характерным для свободного электрона, т. е. близко к 2,0. Одним из примеров такого рода является двух­валентный ион марганца, часто присутствующий в качестве при меси в буферных растворах. Спектр Мп2 + обладает, как правило, характерной сверхтонкой структурой, состоящей из хорошо разрешенных шести линий, расположенных по обе стороны от линии, соответствующей g-фактору свободного электрона. Но в других случаях (см. ниже) сдвиги g-фактора оказываются довольно значительными.

ИЙЩ ЛЕД OB АННЕ' ФЕРМЕНТОВ