Kompendium_po_biofizike_1
.pdfоказывают 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