Kompendium_po_biofizike_1

оказывают большое влияние на протекание многих процессов в биологических системах.

Наиболее важную роль в биологических системах играют следующие виды радикалов:

1.свободные радикалы воды (гидроксильный, перекисный, супероксид);

2.свободные радикалы органических молекул, образующиеся при действии ионизирующей и ультрафиолетовой радиации;

3.свободные радикалы хинонов;

4.свободные радикалы липидов.

Основное физическое отличие свободных радикалов от других молекул состоит в том, что свободные радикалы парамагнитны, т.е. обладают собственным магнитным моментом, тогда как стабильные молекулы его не имеют, т.е. они диамагнитны. Именно это различие в магнитных свойствах и позволяет обнаруживать свободные радикалы среди других молекул.

Основным физическим методом изучения свободных радикалов в биологических системах является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Метод ЭПР получил большое распространение в биологии и медицине именно благодаря его способности определять наличие и вид свободных радикалов в биологических системах, исследовать кинетику биохимических реакций с их участием. При этом очень важно, что метод неинвазивный, безвредный, и позволяет исследовать процессы, протекающие в живых организмах не внося никаких изменений в их жизнедеятельность.

Явление ЭПР, открытое в 1944г. советским физиком Завойским Е.К., обусловлено тем, что молекулы парамагнитных веществ обладают собственным магнитным моментом, и благодаря этому, могут взаимодействовать с внешним магнитным полем. Такие взаимодействия ведут к изменениям в структуре энергетических уровней молекулы, что можно зарегистрировать специальной аппаратурой. Парамагнитные свойства свободных радикалов, а также других парамагнитных молекул обусловлены наличием у них не спаренных электронов.

231

Известно, что электрон обладает собственным механическим моментом j (спином), а поскольку электрон электрически заряжен, это приводит к наличию у него и соответствующего магнитного момента:

	e	j ,
s
	me

где e и me − соответственно заряд и масса электрона.

Но этот не спаренный электрон одновременно движется и по своей орбите в атоме или молекуле и, как любой круговой ток, он создает еще один орбитальный магнитный момент. В результате полный магнитный момент электрона в атоме или молекуле равен

	e g	e	j .
		2me

Множитель g , называемый фактором Ланде, зависит от вида свободного радикала и для большинства изученных радикалов принимает значения от 2,0000 до 2,0060.

Если бы в молекуле все электроны были спарены, то их магнитные моменты были попарно противоположны и скомпенсировали бы друг друга. Но если атом или молекула имеют не спаренный электрон, подобно свободным радикалам, то его магнитный момент скомпенсирован не будет, и молекула в целом будет иметь соответствующий магнитный момент, то есть обладать парамагнитными свойствами.

В отсутствие внешнего магнитного поля этот факт никак не проявляется, поскольку энергия электрона в атоме или молекуле в отсутствие поля имеет вполне определенную величину E0 , которая не зависит от величины и ориентации его магнитного момента в пространстве, или, другими словами валентный электрон имеет вполне определенный уровень энергии E0 в молекуле.

Если же поместить такую молекулу во внешнее магнитное поле индукцией B , то ее магнитный момент начнет взаимодействовать с этим внешним полем, стремясь сориентироваться относительно него определенным образом. При этом, согласно квантовой механике, магнитный момент

232

электрона может занять лишь два возможных положения: либо по направлению поля, либо противоположно ему.

Если говорить более точно, то квантово-механическое рассмотрение требует, чтобы проекция механического момент электрона на направление внешнего магнитного поля принимала лишь определенные значения:

j		h	m
	B
		2	s

где m

1

− магнитное спиновое квантовое число электрона.

s

2

Энергия взаимодействия магнитного момента электрона с

внешним магнитным полем равна:

E

(

)

B

g

e

j

B

1

g

B .

в

B

Б

вз.

s

2me

2

Постоянная

величина

eh

9, 274 10 24 A м2 называется

Б

4

me

магнетоном Бора.

Теперь полная энергия электрона в молекуле в магнитном

поле равна:

E E0

Eвз

E0

g Б B .

Знак

«+»

в

этом

уравнении

соответствует ориентации

магнитного момента электрона против направления поля, а знак «-» − вдоль поля. Таким образом, внесение молекулы во внешнее магнитное поле индукцией В приводит к расщеплению прежнего энергетического уровня E0 на два новых уровня энергии:

1

E1 E0 2 g

1

E1 E0 2 g

Б

Б

В( ) ,

В( ) .

Величина этого расщепления прямо пропорциональна величине внешнего магнитного поля:

E E2 E1 g Б B .

Таким образом, основной энергетический уровень парамагнитных ионов и молекул во внешнем магнитном поле расщепляется на два энергетических состояния E1 и E2 , отличающихся противоположным направлением спина валентного электрона (см. рисунок 91).

233

E

E

E

B=0

B≠0

Рисунок 91.Расщепление электронного уровня парамагнитной молекулы в магнитном поле

Большая часть молекул (ионов) при этом будет находиться в нижнем энергетическом состоянии E1 , как энергетически более выгодном.

Если теперь облучит такую систему электромагнитным полем резонансной частоты (энергия кванта равна энергии перехода)

	E2 E1	1		g Б B ,
рез	h		h
то будут наблюдаться как переходы снизу вверх (с уровня E1
на уровень			E2 ), соответствующие поглощению кванта

электромагнитного поля, так и переходы сверху вниз (с уровня E2 на уровень E1 ), соответствующие испусканию такого же кванта. И те и другие переходы сопровождаются переориентацией спина электрона и, соответственно, магнитного момента электрона.

Поскольку на нижнем энергетическом уровне E1 всегда находится больше молекул, чем на верхнем, то поглощение будет преобладать над испусканием, и в целом будет наблюдаться явление резонансного поглощения электромагнитного излучения частоты рез .

Явление резонансного поглощения электромагнитного излучения атомными или молекулярными парамагнитными системами, находящимися в магнитном поле и

234

сопровождающееся переориентацией спина электрона называют электронным парамагнитным резонансном (ЭПР).

Электромагниты 1 создают постоянное магнитное поле индукцией В, величина которого может изменяться по желанию экспериментатора (за счет изменения тока в обмотках электромагнита) (см. рисунок 92).

1

N

5

hv

3 2 4

S

Рисунок 92. Схема установки для наблюдения ЭПР

В это поле помещается исследуемый образец 2. Источник 3 облучает образец электромагнитным полем фиксированной частоты (обычно СВЧ диапазона), приемник 4 определяет интенсивность прошедшего излучения, система регистрации 5 записывает ЭПР-спектр.

Поскольку частота используемого в установке электромагнитного излучения строго фиксирована, то выполнения резонансного поглощения добиваются изменением индукции магнитного поля: увеличивая ток в обмотках электромагнитов, увеличивают величину налагаемого на образец магнитного поля В, а, следовательно, и величину энергетического расщепления E в молекулах. Когда величина этого расщепления становится равной энергии электромагнитного кванта hv , наблюдается резкое возрастание коэффициента поглощения образца К, что и фиксируется приемником излучения.

235

Но по техническим причинам удобнее регистрировать не зависимость К от В, а зависимость dK dB от В (см. рисунок 93).

dK/dB

B

Bрез

Рисунок 93. Спектр ЭПР

Спектр ЭПР позволяет получить следующую информацию:

Каждый свободный радикал характеризуется своим значением фактора Ланде, что позволяет уверенно идентифицировать свободные радикалы по положению линий в ЭПР-спектре (по значению Врез.). Поскольку частота электромагнитного излучения известна и строго фиксирована, то зная из спектра ЭПР значение Врез., можно вычислить фактор Ланде исследуемого радикала:

ghv

БBрез. ,

иопределить тем самым вид этого свободного радикала.

Площадь S под линией ЭПР позволяет судить о количестве N свободных радикалов (парамагнитных молекул) в образце:

N S ,

где S – площадь под кривой поглощения, − коэффициент пропорциональности.

Форма ЭПР-линий несет информацию о физических свойствах среды, в которой находится исследуемый радикал: чем

236

шире линия, тем более вязкая среда и наоборот. Таким образом, определяется вязкость липидного бислоя и других клеточных структур.

Воздействие электронов между собой и с магнитным полем ядра проявляется в виде расщепления линий ЭПР на несколько близких компонент.

В спектрах ЭПР имеется 2 типа таких расщепления:

1.электронное расщепление – обусловлено наличием у атома или молекулы не одного, а двух и более не спаренных электронов;

2.сверхтонкое расщепление – вызвано взаимодействием магнитного момента электрона не только с внешним магнитным полем, но и магнитным полем ядра атома.

Парамагнитные метки и зонды. В последнее время с помощью ЭПР изучают поведение в биологических системах не

только свободных радикалов, но

CH3

и других биологических молекул

– белков, нуклеиновых кислот,

CH3

предварительно

превратив

их в

R1

парамагнитные зонды, поскольку

C

сами

они

обычно

не

N O

парамагнитны.

Парамагнитный

зонд

представляет

собой

R2

соответствующий белок

или

C

липид, в котором одна из групп

замещена

на

устойчивый

CH3

свободный

радикал,

CH3

называемый

парамагнитной,

или спиновой меткой.

Основу

многих

меток

Рисунок 94. Структурная

формула иминоксильного

составляет

иминоксильный

радикала

радикал,

парамагнитные свойства

которого

определяются

не

237

спаренным электроном, локализованным в группе N-O (см. рисунок 94).

Форма сигнала ЭПР от такого зонда зависит от вращательной подвижности той химической группы или макромолекулы в целом, в состав которой он входит. Чем сильнее заторможено такое вращение, тем шире сигнал ЭПР. На интенсивность сигнала также влияет полярность окружающей среды (растворителя).

Метод ЭПР обладает чувствительностью и избирательностью для непосредственного наблюдения свободных радикалов, возникающих при протекании многих биологически важных реакций: окислительно-восстановительных, радиационного поражения, фотосинтеза и др.

238

ТОРМОЗНОЕ И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЕГО СВОЙСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1. Рентгеновское излучение: характеристическое и тормозное. Закон Мозли

Рентгеновским излучением называются электромагнитные волны с длиной волны от 80 нм 10-5 нм. Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное, обладающее непрерывным спектром, и характеристическое, – с линейчатым спектром.

Тормозное излучение возникает при торможении заряженных частиц в электрических полях, при взаимодействии заряженной частицы с магнитным полем; также в рентгеновский спектр попадает тепловое излучение некоторых космических тел, нагретых до высоких температур.

Характеристическое излучение может возникать при переходах электронов в атоме с вышележащих энергетических уровней на энергетические уровни внутренних оболочек (K, L и т.д.); при ядерных реакциях, при взаимодействии фотона с атомом.

Закон Мозли связывает частоту характеристического излучения с порядковым номером элемента:

A(Z B) , где – частота излучения, Z – порядковый номер элемента, A , B - постоянные.

В отличие от оптического излучения, характеристическое излучение не зависит от химического окружения атома: один и тот же химический элемент будет иметь постоянный характеристический спектр в разных соединениях. Это связано с тем, что характеристический спектр зависит от конфигурации внутренних оболочек атома, а она остаѐтся постоянной для данного элемента.

2. Основные свойства и характеристики рентгеновского излучения

239

Как уже упоминалось, рентгеновское излучение делится на характеристическое и тормозное. Спектр тормозного излучения сплошной, характеристического – линейчатый.

Длина волны РИ находится в интервале от 10-5 нм до 80 нм. РИ делят на мягкое (с большой длиной волны) и жѐсткое (с малой длиной волны).

Если источником излучения выступает рентгеновская трубка, то параметры излучения определяются следующим

образом:
а)	min	hc /(eU) 1.23 /U , где	min	– минимальная длина
волны РИ		(выраженная в нм), U	– ускоряющее напряжение

между катодом и антикатодом трубки (выраженное в кВ). Большая часть излучаемой энергии приходится на длину волны

m 1.5	min .
б)	kIU 2 Z , где	– поток	излучения, k 10 9 (В-1) –
коэффициент пропорциональности,			I – сила тока в трубке, U –
напряжение в трубке.

3. Устройство простейших рентгеновских аппаратов

Простейший рентгеновский аппарат структурно состоит из рентгеновской трубки, цепи накала катода (цепь низкого напряжения) и катодной цепи (цепь высокого напряжения), трансформатора и выпрямителя.

Цепь накала катода необходима для подогрева катода. Регулируя температуру накала катода, влияют на анодный ток без изменения напряжения в трубке. Что позволяет регулировать поток излучения без изменения жѐсткости излучения. Напряжение, используемое в этой цепи – небольшое: 6–12 В.

Катодная цепь питает непосредственно рентгеновскую трубку; используемое напряжение составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кВ. Изменение напряжения в этой цепи вызывает изменение потока излучения и изменение жѐсткости излучения.

Рентгеновская трубка является источником излучения. Помимо прочего, рентгеновская трубка обязательно снабжается системой охлаждения во избежание перегрева.

240