Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Применение ЭПР-спектроскопии в биологии и медицине.

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ.

РОЛЬ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАТОЛОГИИ.

Свободные радикалы являются частицами, имеющими неспаренные электроны. Они могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными и нейтральными, и все три типа радикалов играют важную роль.

Радикалы имеют различную реакционную способность, зависящую, как и в случае других химических частиц, от температуры и концентрации окружающих молекул. Некоторые свободные радикалы удивительно стабильны. Примерами могут служить нитроксиды, которые используют в опытах со спиновыми метками и получают путем присоединения радикалов к нитронам.

Существует четыре типа процессов, в которых получаются свободные радикалы:

1) мономолекулярный гомолиз молекул, в которых имеются необычно слабые связи (так называемых инициаторов);

2) радиолиз;

3) фотолиз;

4) одноэлектронный перенос с ионов переходных металлов на органические соединения.

Кроме того, необходимо учитывать действие веществ, загрязняющих среду, таких, как озон, NO₂, синглетный кислород. Эти вещества могут вести себя как инициаторы. Кроме того имеются ферментативные процессы, в которых могут образовываться свободные радикалы.

Обнаружение свободных радикалов возможно с помощью метода ЭПР и ЯМР.

С помощью ЭПР-спектроскопии в сочетании с другими методами исследования было установлено, что свободные радикалы и другие парамагнитные частицы (преимущественно металлокомплексы) принимают участие в важнейших процессах жизнедеятельности клетки. Кроме того, активные свободнорадикальные частицы могут возникать в окружающей живые организмы среде, например, при действии света или проникающей радиации. Эти радикалы оказывают различного рода нежелательное действие на организмы, что может приводить к патологическим изменениям или к гибели организмов. Например, получающийся в ферментативных реакциях гидроксильный радикал (OH) может в некоторых условиях вызывать патологические процессы.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Применение ЭПР-спектроскопии в биологии и медицине.

Основу магниторезонансных методов составляет поглощение энергии электромагнитных волн микроволнового и радиочастотного диапазонов в присутствии внешнего постоянного магнитного поля. Первые эксперименты на конденсированных образцах были ыполнены в СССР Завойским Е.К. в 1944 году. Дальнейшее быстрое развитие эти методы получили благодаря успехам, достигнутым в микроволновой технике (Блох и Парселл).

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней. Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

Ядра, как и электроны, характеризуются собственным моментом количества движения (спином), который квантуется (то есть принимает не все, а лишь определенные значения), а также обладают и магнитным моментом.

В зависимости от типа частиц-носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЭПР наблюдается в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами.

Поглощение (или резонанс) происходит, когда величина DE = hn, энергия поставляемая осциллирующим полем, становится равной величине hn = gm_БB_рез, т.е. hn = gm_Б B_рез

где g - множитель Ланде (g-фактор), для заданного уровня энергииатома он зависит от квантовых чисел L, j, S;

m_Б = - магнетон Бора;

B - вектор магнитной индукции.

Магнитный резонанс наблюдается, если на частицу одновременно действует постоянное магнитное поле индукции B_рез. и электромагнитное поле с частотой n.

Из условия (1) видно, что обнаружить резонансное поглощение можно двумя путями: или при неизменной частоте плавно изменять магнитную индукцию, или при неизменной магнитной индукции плавно изменять частоту. Технически более удобным оказывается первый вариант.

Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердого тела и т.п.

Современная методика измерения ЭПР основывается на определении изменения какого-либо параметра колебательной системы, происходящего при поглощении электромагнитной энергии.

Прибор, используемый для этой цели, называют спектрометром ЭПР. Он состоит из:

1 - электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться;

2 - генератор СВЧ-излучения электромагнитного поля;

3 - специальная "поглощающая ячейка", которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор);

4 - электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись ЭПР;

5 - образец;

6 - осциллограф.

Практически на ЭПР-спектрометрах регистрируют не кривую поглощения энергии (E_погл (B)), а ее производную (то есть .

При помощи ЭПР можно изучать лишь объекты, обладающие неспаренными электронами; таковыми являются свободные радикалы и соединения, включающие ионы переходных металлов.

В зависимости от изучаемого объекта можно выделить три основных типа исследований:

- анализ свободных радикалов, в норме присутствующих в живом организме;

- исследования металлопротеидов (белков, содержащих ионы металлов, главным образом железа, меди и реже - марганца);

- исследования парамагнитных меток, искусственно вводимых в изучаемую систему, с тем чтобы установить механизм реакции или место связывания определенного соединения (например, выявить природу активного центра).

Метод спиновых меток - соединений, которые обычно представляют собой различные нитроксильные радикалы, является своего рода способом зондирования крупных молекул.