Электронного спинового зонда

В последние годы в активе молекулярной биологии появились методы и подходы, основанные на использовании новых молекулярных датчиков — стабильных нитроксильных радикалов, связанных ковалентно с макромолекулами (спиновые метки) или введенных в качестве ничтожных примесей в исследуемую систему (спиновые зонды). Вращательная и трансляционная подвижность таких радикалов, измеренная с помощью техники электронного парамагнитного резонанса, дает информацию о структуре, кон-, формационной динамике, микрорельефе и топологии белков, ферментов, мембран и других биомолекул и биологических структурных элементов. Спиновые метки служат своеобразными сейсмическими станциями, чутко регистрирующими малейшие изменения биологических структур при их функционировании или при различных воздействиях на них. [c.3]

В книге полно и общедоступно изложены физические и физико-химические основы метода спинового зонда, который широко используется для изучения структуры и кинетических характеристик различных конденсированных сред с помощью электронного парамагнитного резонанса. В книге приведен обзор основных направлений исследований методом спинового зонда жидких, жидкокристаллических, кристаллических веществ, полимеров, биологических мембран и биополимеров. [c.2]

Изучение подвижности жирнокислотных цепей фосфолипидов и самих липидных молекул в биологических мембранах осуществляется в настоящее время главным образом методами радиоспектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В первом из этих методов измеряют сигналы ЭПР, даваемые спиновыми метками и спиновыми зондами. Основу спиновых меток и зондов составляет стабильный свободный иминоксильный радикал, имеющий такую структуру [c.115]

Форма спектра ЭПР нитроксильных радикалов обусловлена преимущественно электронно-спиновыми параметрами радикального фрагмента. Взаимодействие же зондов и меток с исследуемой средой обусловлено их структурой в целом. Для подбора радикалов, соответствующих исследуемой системе и поставленной задаче, с одной стороны, а также, чтобы по спектрам ЭПР спиновых зондов судить о поведении всего радикала, необходимо знание геометрической структуры радикала и ее возможных динамических преобразований. [c.15]

Как отмечалось во введении, одним из существенных условий успешного использования радикалов в качестве спиновых зондов является постоянство значений их электронно-спиновых параметров, в частности, в зависимости от структуры заместителей у радикального фрагмента. Однако наряду с делокализацией электронно-спиновой плотности по заместителям существует и обрат- [c.18]

Физическим фундаментом популярных в науке методов спиновых меток, парамагнитных зондов и радикальных ловушек является спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, а химической основой служат нитроксильные радикалы и нерадикальные реакции свободных радикалов. Данный сборник и освещает эти аспекты химии и применения стабильных нитроксильных радикалов. [c.4]

Электронно-спиновые параметры радикального фрагмента зависят не только от структуры нитроксильного радикала, но и от типа среды, исследуемой методом спинового зонда. [c.21]

Таким образом, переход к области предельно быстрого вращения приводит к необходимости учета дополнительных, к ранее рассмотренным, взаимодействий электронного спина. Однако в действительности область предельно быстрых вращений практически не используется в методе спинового зонда, по крайней мере для исследования вращательной подвижности радикалов. Прежде всего это связано с тем, что, как следует из приведенных выше соотношений, для AHf/l уширение компонент спектра, зависимое в этой области частот от интенсивности вращения, одинаково для всех компонент спектра и поэтому трудно определимо на фоне остаточных ширин. Иначе обстоит дело вне области предельно быстрых вращений, о чем пойдет речь в последующих разделах. [c.41]

Анализ формы спектра ЭПР нитроксильных радикалов, проведенный в рамках многих моделей в главе II, показал высокую чувствительность спектра к разнообразным изменениям в системе. Детальный анализ экспериментальных спектров предполагает, что сами спектры не искажены при регистрации и адекватно отражают поведение электронных спинов системы. Безусловно, корректный выбор условий работы ЭПР-спектрометра является общей проблемой для ЭПР-спектроскопии но результат ее решения в существенной мере определяется типом парамагнитного центра. В этом смысле и нитроксильные радикалы, используемые в рамках метода спинового зонда, приводят к специфическим и относительно общим для пих условиям ЭПР-эксперимента, которые будут рассмотрены ниже. Однако главное состоит все же не в указании конкретных условий эксперимента, а схемы их выбора, так как конкретные условия, несмотря на их общность для нитроксильных радикалов, могут изменяться от типа исследуемых систем, от интенсивности вращения радикала, а также от типа ЭПР-спектрометра. [c.122]

Ввиду практической нерастворимости радикала АХИ (14) в воде, значение изотропной константы а для водного окружения радикального фрагмента, необходимое для расчета к, брали из данных для радикала АХП(2), растворимого в воде и имеющего те же электронно-спиновые параметры, что и зонд АХП(14) [см., например, раздел 1.2 и данные в табл. 1.3 по величинам а для радикалов АХ1(п), аналогичных радикалам АХП(/()]. [c.169]

Работы последних лет уже наметили основные направления в развитии метода. Это прежде всего целая серия работ, посвященных исследованию формы спектра ЭПР в области крайне медленных частот вращения спиновых зондов. Как следует из данных, представленных в книге (см., например, раздел 11.2), анализ обычных спектров ЭПР (спектров поглощения в отсутствие насыщения и в условиях медленного прохождения через резонанс) позволяет регистрировать лишь частоты вращения нитроксильных радикалов, по порядку величины превышающие 10 сек . Исследование же формы спектров в условиях насыщения [115], в условиях быстрого прохождения [203—205], а также исследование спиновых зондов и меток с помощью комбинированных радиоспектроскопических методик, таких, например, как двойной электрон-электронный резонанс [206—207], позволяет на несколько порядков понизить частоты вращения, регистрируемые в методе спинового зонда. [c.196]

Как уже отмечалось (рис. 72), их структура весьма разнообразна. Основные компоненты биологических мембран — липиды и белки. Существует множество гипотез об их расположен 1и в мембране. Современные представления о структуре мембран отнюдь не умозрительны напротив, они основаны на экспериментальном исследовании мембран с использованием таких сложных методов, как электронная микроскопия, рентгеновское рассеяние, изучение свойств монослоев из компонентов мембран на поверхности воды, электронный спиновой резонанс и флуоресцентная спектроскопия введенных в мембрану молекулярных зондов и т. п. Широко применяется в последние годы и следующий эксперименталь- [c.212]

Липидная фаза биологических мембран при физиологических условиях (температуре, давлении, химическом составе окружающей среды) находится в жидком агрегатном состоянии. Это доказано методами флюоресцентного анализа (с использованием флюоресцентных зондов и меток), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), с использованием спиновых зондов и меток, и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). [c.16]

НОЙ подвижности ТОЙ группы (или молекулы В целом), в состав которой он входит. В среде с низкой вязкостью небольшие молекулы спиновых зондов, например зонд, изображенный на рис. 46, а, дают сигнал ЭПР. Этот сигнал состоит из трех узких полос, так как неспаренный электрон находится в магнитном поле, на которое накладывается магнитное поле ядра азота, обладающего спиновым числом, равным 1. Теория ЭПР и прямые эксперименты показывают, что, если вращение зонда заторможено, сигнал расплывается (рис. 46, е). [c.116]

Электронное строение нитроксильных радикалов определяет не только их стабильность, но и иные физико-химические свойства, существенные для подбора спиновых зондов и меток. Для метода спинового зонда наиболее интересны вопросы, связанные с распределением неспаренного электрона по молекуле радикала. Характеристики этого распределения определяют электронноспиновые параметры радикалов и таким образом — форму их спектра ЭПР. Поэтому ниже кратко изложены основные сведения по этим вопросам, которые значительно полнее освещены в монографии [8]. Здесь же будут приведены и некоторые данные по геометрии радикалов. [c.12]

Для определения локальных концентраций радикалов необходимо изучить концентрационную зависимость ширин линий ЭПР. В ширины линий ЭПР спиновых меток и зондов наиболее важные вклады дают три типа взаимодействий электрон-ядерное сверхтонкое взаимодействие, которое модулируется молекулярным вращением и зависит от частоты, анизотропии и амплитуды вращения обменное межмолекулярное взаимодействие электронов, которое модулируется столкновением (или, точнее, встречами радикалов) и дает информацию о динамике трансляционного перемещения [c.123]

По мнению авторов работы [37], возможная причина несовпадения главных осей тензоров g и СТВ — взаимодействие радикала с матрицей, которое может вызвать изменение геометрии и электронной структуры фрагмента >N—О это следует иметь в виду при использовании радикалов в качестве спиновых меток и парамагнитных зондов (см. гл. XI). [c.157]

Многие биологические системы не содержат групп с неспаренными электронами. Чтобы исследовать такие системы методом ЭПР, в них вводят специфически связывающийся зонд, который содержит радикал. Наиболее распространенными зондами, или спиновыми метками, являются производные нитроксильного радикала. При введении их в биологическую систему необходимо соблюдать определенную осторожность и убедиться в том, что свойства системы существенно не меняются. При удачном включении такой метки она может служить весьма чувствительной репортерской группой. [c.176]

Последний вывод подтверждается исследованиями Бехта и Кауша [44—48], относящимися к деформированию высокоориентированных частично кристаллических волокон. В правильной сэндвич-структуре критические осевые силы могут оказывать воздействие на проходные сегменты только в том случае, если кристаллические ламеллы могут выдержать напряжения, сравнимые с прочностью цепи. Иными словами, разрушение кристалла предшествовало бы разрыву цепи. С помощью калориметрических измерений и измерений молекулярной массы методом спинового зонда Бехт [44—47] показал влияние деформации на целостность кристалла. Он облучал высокоориентированные образцы ПА-6, ПА-12, ПП, ПЭТФ и ПЭ электронами с энергией 1 МэВ при температуре жидкого азота. Затем все образцы в течение по крайней мере 5 мин нагревались до своей температуры стеклования (или выше ее). Таким образом, все радикалы в аморфной фазе исчезали, а оставались лишь радикалы в кристаллитах. Затем образцы деформировались в резонаторе ЭПР-спектрометра при комнатной температуре. [c.239]

СПИНОВАЯ ПЛ0ТНОСТЬ, M. Электронная плотность. СПИНОВОГО ЗОНДА МЁТОД (метод парамагнитного зонда), метод исследования мол. подвижности и разл. структурных превращений в конденсир. средах по спектрам электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) стабильных радикалов (зондов), добавленных к исследуемому в-ву. Если стабильные радикалы химически связаны с частицами исследуемой среды, их называют метками и говорят о методе спиновых (или парамагнитных) меток. В качестве зондов и Меток используют гл. обр. нитроксильные радикалы, к-рые устойчивы в широком интервале т-р (до 100-200 °С), способны вступать в хим. р-ции без потери парамагнитных св-в, хорошо растворимы в водных и орт. средах. Наиб, часто применяют радикалы ф-лы I. [c.399]

В методе электронного парамагнитного резонанса (ЭПР фиксируется перегиб на зависимости ширины линии в спектре ЭПР радикалов или парамагнитных зондов, введенных в полимер, от температуры, Исследования ведут на частотах 10 -10 Гц с использованием стабильных радикалов, в концентрациях не более 10 моль/л. В зависимости от способа ввода радикалов различают спиновые зонды - радикалы, растворенные в полимере, и спиновые метки - радикалы, химически связанные с макромолекулами. Считается, что зонды юкализуются в аморфной фазе, а метки могут присоединяться по всей длине или по концам макромолекулы, что позволяет разделить, идентифицировать движение отдельных участков цепей. [c.385]

С помощью электронного парамагнитного резонанса была исследована фоторецепторная мембрана с введенным в нее спиновым зондом. При освещении суспензип мембран наблюдаются [c.475]

Важной характеристикой поведения зондов и меток в конденсированных средах является кинематическая модзль вращательных реориентаций, которые могут осуществляться путем нескор-релированных скачков с поворотом на большой угол либо в результате свободной или броуновской диффузли [10, 16, 27, 28]. Спектры ЭПР диапазона 3 см мало чувствительны к модели движения, поэтому до сих пор вопрос о выбора модели остается открытым. Более того, имеются противоречивые выводы о движении радикалов в идентичных системах результаты анализа формы линии согласуются с моделью диффузии [10], в то время как данные, полученные методом электронного спинового эха, свидетельствуют в пользу скачков [29]. [c.202]

Для растворителей, специфическим образом взаимодействующих с нитроксильными радикалами, зависимость между электрон-но-спиновыми параметрами радикального фрагмента и характеристиками среды, естественно, более сложная, чем разобранная выше. Так, например, в случае воды, которая входит как составная часть во многие системы, исследуемые методом спинового зонда, и которая соответствует практически максимально возможным значениям а нитроксильных радикалов (см. табл. 1.3), зависимость между а и е, представленная на рис. 1.5, удовлетворяется лишь качественно [для водного окружения радикала СИ (13,2) величина а = 15,6 гс при комнатной температуре [45], тогда как по зависимости рис. 1.5 она должна составлять 14,6 гс]. Резкое увеличение а в этом случае обусловлено тем, что NO-rpynna радикала образует водородную связь с молекулами воды. Это приводит к существенному изменению равновесия между структурами А и Б радикального фрагмента (1.10) в пользу структуры Б, характеризуемой более электроотрицательным атомом кислорода. [c.22]

Монотонную зависимость электронно-спиновых параметров радикального фрагмента, и в первую очередь изотропной константы СТВ а, от полярности окружающей радикал среды и способности ее молекул к образованию водородных связей с NO-группой радикала можно использовать в методе спинового зопда для характеристики полярности окружения радикала-зонда или метки. При этом вместо размерной величины а удобно ввести безразмерный параметр h, характеризующий степень гидрофобности окружения радикала [47], [c.23]

Начиная с работы [180], в которой сделана попытка с помощью зонда АХ 1(6) изучить состояние мембран электроно-транспортных частиц митохондрий в зависимости от их функционирования, простейшие спиновые зонды достаточно широко используются для установления корреляций между физическим и функциональным состоянием мембран. Так, например, обнаружено [181], что спектр радикала AVII, включенного в митохондриальную мембрану, является наложением спектров, которые относятся к областям быстрого вращения радикала и характеризуются разными значениями изотропных констант, а следовательно и разной полярностью его окружения (см. разделы 1.2 и III.5). При этом оказалось, что добавление АТФ к митохондриям и их фрагмента.м приводит к изменению относительного вклада различных спект- [c.178]

Влияние температуры и гидратации. На рис. ХХУП1.8 показаны температурные зависимости эффективности фотоиндуцированного прямого переноса электрона ТУ в системе хинонных акцепторов, а также времен корреляции вращательной диффузии спиновой метки, ковалентно присоединенной к 8Н-группам белка и гидрофобного спинового зонда в мембранах хроматофоров (см. 2,гл. X). В интервале 140-180 К величина т (эффективный параметр времени корреляции) изменяется мало, что указывает на отсутствие быстрых движений в системе. Однако при повышении температуры происходит резкое уменьшение т до значений 10 с, что свидетельствует о размораживании движений в белково-липидном локальном окружении нитроксильных фрагментов. В том же температурном диапазоне, где возрастает внутримолекулярная подвижность белка РЦ, увеличивается и функциональная активность. Нри Г < 180 К сильному торможению подвижности соответствует и низкий (близкий к нулевому) уровень электрон-транспортной активности. [c.374]

Рис. 17.3. Функциональная активность (1) и конформационная динамика (2,3) реакционных центров в спин - меченых хроматофорах R. rubrum в зависимости от температуры N-эффективность фотоиндуциро-ванного переноса электрона от Qa на Qb (кривые 1) т - эффективный параметр времени корреляции врашательной диффузии гидрофобного спинового зонда (2) и спиновой метки на SH - группы (3)

Соложенкин П.М., Эйгелес М.А., Копиця Н.И. и др. Исследование закономерностей взаимодействия собирателей с поверхностью минералов методом спиновых зондов, методик и электронных ловушек. - В кн. XIII Междунар. конгр. по обогащению полез, ископаемых. Варшава Вроцлав, изд-во Наука , 1979, т. 2, с. 2—7. [c.101]

В таблицу не включены также такие основные методы, как электроосаждение, кулонометрия, ионоселективные электроды, хронопотенциометрия, амперо-метрия, турбидиметрия и нефелометрия, атомно-флуоресцентная спектроскопия, микроскопия с электронным зондом, термогравиметрический анализ, дифференциальный термический анализ, термический анализ, термометрическое титрование, электронная микроскопия, рентгеновская кристаллография, поляриметрия оптическая вращательная дисперсия, рефрактометрия, магнитная восприимчивость, спектроскопия электронного спинового резонанса, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия (включая искровую и МС с изотопным разбавлением), органический микроанализ, тонкослойная хроматография хроматография с кольцевым термостатом, активационный анализ, анализ с помощью радиоизотопного разбавления, масс-спектрометрия с вакуум-плавлением мессбауэровская спектроскопия и фотоэлектронная спектроскопия. Описание этих методов можно легко найти в литературе [10—12], а некоторые из них Описаны ниже. В шапке табл. ХХ-2 использованы следующие заголовки [c.584]

Здесь первое число, записанное в каждом уравнении,— наблюдаемый скалярный сдвиг для комплекса, — доля неспаренного электрона на а-орбитали, а у — доля неспаренного электрона на я-разрыхляющей орбитали. Решения этой системы уравнений дает х = 4,20-10 и у = = 8,08-10 . Ион металла рассматривается просто как зонд для внесения спина на молекулярные орбитали металла. Мы снова подчеркиваем, что, если механизм я-спинового вклада включает я-поляризацию, на молекулярной орбиталн комплекса, составляющей главным образом эту я-систему, плотность неспаренного электрона отсутствует. Величина у говорит о вкладе я-орбитали в результирующую спиновую делокали- [c.182]

Метод ЭПР может быть сделан вполне релаксационно-спектро-метрическим при использовании принципа электронного парамаг-интного зонда (ЭПЗ), или спиновой метки. [c.280]

Методьт заключаются во введении в биологический объект парамагнитных или флуоресцирующих молекул (зондов), спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) или флуоресценции которых дают информацию о свойствах микроокружения зонда - полярности, вязкости, присутствия зарядов и т. д. При этом структурные изменения в белках или мембранах клеток, сопровождающиеся изменением вязкости, полярности или подвижности тех или иных фрагментов биообъекта, где находится зонд, приводят к изменениям параметров спектров ЭПР спиновых или флуоресцентных зондов. Оптические свойства (прозрачность) изучаемого биообъекта при этом не имеет значения. [c.560]

Идея метода спиновых меток и зондов состоит в том, что спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нитроксильных радикалов весьма чувствительны к их вращательной и трансляционной подвижности характер и частоты вращения радикалов определяются структурой и подвижностью той среды, в которой они находятся. Теория метода и способы анализа спектров ЭПР подробно изложены в [3]. В монографии [5] приведены многочисленные примеры теоретических спектров ЭПР спиновых меток и зондов, сопоставление которых с экспериментальными прзволяет определить частоту и характер вращения радикалов. [c.121]

С молекулярной точки зрения предпочтительное сродство бензола к поверхности раздела мицелла - вода может быть объяснено способностью тг-электронных систем образовывать водородные связи [ 67]. Значение чрезвычайно высокого отношения поверхности к объему определяется суммированием множества мапых эффектов. Вероятно, вышеизложенные соображения важны для всех исследований, в которых рассматриваются солюбилизованные вещества и. используются спектроскопические зонды в мицеллярных и мембранных системах, если они содержат ароматические группы ипи другие группы, более полярные, чем углеводороды. Нитроксидные спиновые ао -ды, используемые в исследованиях методом ЭПР, также относятся к этой категории. Интересно отметить, что из-ва специфических свойств бензола, солюбилизованного в мицеллах, сам бензол можно рассматривать как плохой "аонд" для исследования свойств мицелл как таковых. [c.160]

Из анализа ширины линий ЭПР радикалов в кристаллических и стеклообразных полимерах можно определять частоты молекулярных и сегментальных движений. По сужению линий ЭПР макрорадикаЛов найдены температурные области фазовых переходов, области размораживания движения боковых групп и сегментальных движений и частоты этих движений. Так, для макрорадикалов полиизобутилена —С(СНз)2СНС(СНз)2— в интервале 77—220 К частота движений, усредняющих анизотропное СТВ неспаренного электрона с а-протоном, равна 3-10 ехр(—2000/i r) " [40]. В полиформальдегиде размораживание молекулярных движений и сужение линий ЭПР радикала ОСНО происходят при более низких температурах и энергия активации этих движений, по-видимому, ниже [41]. Однако такой способ исследования молекулярной подвижности в полимерах неприменим при высоких температурах, когда макрорадикалы быстро гибнут. Для исследования высокотемпературной молекулярной подвижности разработаны методы парамагнитного зонда и спиновых меток [42, 43]. [c.43]

Очевидно, что макромолекулярные белковые компоненты этих комплексов не являются пассивными носителями простетических групп (Р, Qi, Qii). Напротив, структура центров существенно динамическая. Это отчетливо проявляется при сопоставлении изменения характера их функциональной активности, например скорости переноса электрона между Qi и Qn, определенной по формуле (12.22), с параметрами введенных в препараты спиновых, а также мёссбауэровских зондов и меток — индикаторов внутримолекулярной подвижности — при изменении температуры и степени влажности [Берг и др., 1979а, б Кононенко, 1980 Paraketal., 1980]. [c.257]

Метод ЭПР основан на введении в липидный бислой парамагнитных меток и зондов. Основу спиновых меток и зондов составляет стабильный свободный иминоксильный (нитроксильный) радикал с неспаренным электроном, локализованным п еиму-щественно у атома азота [c.206]

Большинство биологических молекул не содержат неспаренных электронов и потому не могут давать сигнала ЭПР. Для исследования этих молекул методом ЭПР к ним присоединяют один или несколько радикалов, известных под названием спиновых меток. Таким образом, спиновая метка — это искусственный зонд, своего рода репортерская группа. При введении таких групп нужно убедиться в том, что свойства исследуемой молекулы существенно не меняются. Для этого, например, можно измерить биологическую активность исследумых молекул (скажем, каталитическую активность фермента) или проследить за другими их свойствами в присутствии и в отсутствие спиновой метки. Если эти контрольные измерения показывают, что конформация или активность молекул меняется незначительно, то с известной долей уверенности можно утверждать, что исследования с помощью спиновой метки дают достоверную информацию о состоянии системы. [c.174]

Наиболее часто используемые парамагнитные зонды — это нитроксидные радикалы (рис. 25.15). В спектре ЭПР одного из этих соединений обычно наблюдаются три линии (рис. 9.29) — результат сверхтонкого расщепления из-за взаимодействия электрона с ядром атома азота. (Спиновое квантовое число I ядра атома азота равно 1 при взаимодействии электрона с ядром, имеющим спиновое квантовое число /, в спектре ЭПР появляется и + 1 линий.) Форма и ширина линий определяются анизотропией сверхтонкого взаимодействия электрона с ядром азота и анизотропией -фактора нитроксидной группы (гл. 9). В свою очередь степень анизотропии этих параметров зависит от движения молекулы-зонда. [c.466]

С помощью спиновой метки было проведено исследование факультативного термофила из рода Ba illus, штамм Т1 (ВТ1) ( han et al., 1973). Используя в качестве зонда нитроксид стеариновой кислоты, авторы обнаружили включение этой жирной кислоты в мембранную фракцию. Клетки, выращенные при 55°С, содержали в процентном отношении больше жирных кислот изоряда, чем клетки, выращенные при 37°С, тогда как у последних была выше доля представителей анти- зо-ряда. Мембраны клеток, выращенных при 37°С, характеризовались высокой скоростью перехода в жидкое состояние при повышении температуры, что согласуется с данными о более высоких температурах плавления жирных кислот 30-ряда. Исследования с использованием метода электронного парамагнитного резонанса показали, что [c.252]