Электронды парамагнитті резонанс (ЭПР) əдісі

37
дың спектроскопиясының биологияда қолданылуы тірі жүйелердегі 
парамагнитті бөлшектердің іс-əрекеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. 
ЭПР құбылысының ашылуына байланысты онымен биофизика, 
биохимия саласындағы ғалымдар айналыса бастады. 
ЭПР əдісінің физикалық негізі парамагнитизм құбылысымен 
түсіндіріледі. Атомдардың жəне молекулалардың магнитті қасиеттері 
электрондардың магнитті моменттерімен, сонымен қатар атом 
ядросының құрамына кіретін протондар мен нейтрондар арқылы 
анықталады. Атом ядроларының магнитті моменттерінен айтарлықтай 
кіші, сондықтан заттардың магнитті қасиеттері ең алдымен 
электрондардың магнитті моменттерімен анықталады.
Атом ядросының магниттік күйі электрондардың магниттік күйіне 
қарағанда баяу болып келеді, сондықтан ЭПР əдісі электронның 
магниттік күйімен айқындалады. Атомдағы ядроны орбита бойын-
ша айналып жүретін электронның магниттік қасиетін немесе соны-
мен бірге электронның өзінің механикалық іске қосылуын спином деп 
атайды.
Атомдардағы электрондардың магнитті қасиеті олардың ядро 
айналасындағы орбиталық қозғалысымен, сонымен қатар спин деп 
аталатын электронның жеке механикалық моментінің болуымен 
түсіндіріледі.
Электронды құрылымға байланысты атомдар жəне молекулалар 
өздерінің магнитті сипаттамаларымен ажыратылады. Атомдар мен 
молекулалардағы электронның орналасуына байланысты олардың 
магниттік əсерлері де əртүрлі болады. Егер молекулалардың магниттік 
кезеңдері 0-ден ауытқыса, онда оны парамагнетик деп атайды. Кейбір 
газдар (молекулярлы оттегі, O
2
, азот тотығы, N
2
O), сілтілі металдар, 
темір тотығының элементтері парамагнетиктер болып табылады. 
Парамагнитті заттардың магнитті моменттері оларға кіретін молекула 
мен атомдардың парамагниттерінен қалыптасады.
Парамагнитті заттардың магниттік кезеңі оған кіретін парамаг-
нетик молекулалары мен атомдарының магниттік кезеңінен жиналады. 
Биологияда ЭПР спектроскопы тірі жүйе бөліктерінің парамагнетиктік 
қасиетін зерттегеннен бастап, онымен жұмыс жүргізу мүмкіншілігі 
жоғары қолданысқа ие болады. 
20 жылдардың аяғында америкалық биохимиг Л. Михаэлс былай деп 
тұжырымдады: тірі клеткада өтетін тотығу-тотықсыздану үдерісінде, 
биохимиялық реакциялардың аралық өнімі ретінде жұпталмаған 

38
электрондары бар бос радикалды молекулалар пайда болуы ке-
рек. Электрондардың саны жұп болатын молекулалардың жиынтық 
магнитті моменті нөлге тең, мұндай молекулалар диамагнитті. Егер-
де химиялық өзгерулер нəтижесінде, мысалы, тотығу-тотықсыздану, 
химиялық байланыстар үзілуі нəтижесінде молекулаларда бос молеку-
лалар болса, мұндай молекулалар парамагниттік қасиетке ие болады. 
Көптеген əртүрлі молекула сандарынан тұратын күрделі биологиялық 
жүйелерде парамагнитті молекулалардың мөлшері көп емес. Мұндай 
болуының себебі – көптеген бос радикалдардың реакциялық қабілеті 
жоғары болуы. Бос радикалдар түрлі клеткаішілік қосылыстармен 
химиялық реакцияға оңай түседі, осының нəтижесінде олардың 
тіршілік ету уақыты өте қысқа. Сондықтан дəстүрлі магнитометриялық 
əдістермен күрделі биологиялық жүйелердегі парамагнитті молекула-
лардың химиялық айналуларын бақылау мүмкін емес еді. 
Əртүрлі молекулалардан құралған күрделі биологиялық жүйелерде 
парамагнитті молекулалардың мөлшері көп емес. Себебі, оларда 
көптеген еркін радикалдар жоғары реакциялық қасиетке ие болады. 
Еркін радикалдар клеткаішілік түрлі химиялық реакцияға түседі. 
Сондықтан олардың өмір сүру уақыты аз болады. Бұндай үдерісте 
күрделі биологиялық жүйедегі парамагнитті молекулалардағы 
химиялық өзгерістерді магнитометриялық зерттеу қолайсыз. ЭПР 
əдісі пайда болғаннан бастап түрлі парамагнитті бөлімдердегі 
электрондардың түзілуін зерттеуге, сұрыптап ажыратуға жəне де 
күрделі биологиялық жүйелердегі парамагнитті молекулалардың 
химиялық айналымын бақылауға мүмкіндік береді.
Биологиялық нысандарды ЭПР əдісімен зерттеу ең алғаш рет 50 
жылдардың ортасында жүргізілді. 1954 жылы Барри Коммонер өзінің 
əріптестерімен бірге биологиялық бейнелерді ЭПР-дың дабылымен 
анықтады. Зерттеуге алынған биологиялық бейнелері лиофильді 
кептірілген өсімдік пен бауыр дəрі-дəрмектері болатын. Ал Еуро-
пада биологиялық нысандарды ЭПР əдісімен зерттеу жұмыстары 
алғаш рет 1955 жылы тəуелсіз жүргізілді. Бұл зерттеулер биология 
мен медицинада кең қолдануға жол ашты. 50 жылғы ЭПР əдісінің 
дамуы ғылым мен техниканы зерттеу аймағында микротолқынды 
электромагниттік сəулеленуімен жұмыс жасауға үлкен мүмкіндік 
берді. ЭПР спектрометрін құруға қажетті барлық элементтер 
радиотехникалық өндірістерде шығарыла бастады. Бірақ алғашқы ЭПР 
спектрометрінің сезімталдығы төмен болды. Ол кездері лиофильді 

39
тазаланған биологиялық бейнелер қолданылған болатын. Онда табиғи 
биологиялық жүйелердегі сулардың микротолқынды сəулелерді 
жұтуға қабілеті жоғары болды. ЭПР спектрометр резонансты емес 
микротолқынды сəулелерді пайдаланғаннан бастап, оның суды сіңіруі 
сезімталдығы тез төмендейді. 
ЭПР спектроскопияның техникалық үздіксіз дамуы биологияда 
кең қолданыла бастады. Қазіргі таңда нативті биология жүйесінде 
ЭПР спектрометрі парамагнитті молекулалардың түрлі деңгейдегі 
құрылымды-функционалды ұйымдастыруын зерттеуге көмектеседі.
Биополимерлерді, макромолекулалы комплексті, клеткаларды, жа-
нуарлар мен өсімдіктердің мүшелері мен тұтас организмді зерттеу-
ге мүмкіндік береді. ЭПР əдісімен шағын жануарларды да зерттеуге 
болады. Ол арнайы спектр конструкторлы резонаторына ЭПР əдісін 
қолдану арқылы іске асады.
Еркін радикалдар жəне тірі клетка – энергия жинайтын жүйедегі 
парамагнитті спектрлер. Клетка ішіндегі химиялық қосылыстарға ай-
налуын қалай бақылаймыз? Биологиялық зерттеулерде ЭПР əдісінің 
негізгісімен клетка ішіндегі молекулалардың химиялық айналымында 
болатын оңтайлы спектрінің өзгеруін байқайды.
Əртүрлі молекулалармен жұтылатын спектрлер бір-бірінен 
ерекшеленеді. Бұдан басқа, молекулалардың оптикалық спектрі 
химиялық айналымының əсерінен өзгереді. Бұл кейбір молекулалардың 
спектрді жұту функцияларын бақылауға мүмкіншілік береді. Мысалы, 
гемоглобин оттегімен байланысқанда, түстері өзгереді. Бірақ клетка 
ішіндегі қосылыстардың барлығын оптикалық əдістермен зерттей ал-
маймыз. Өсімдіктер мен жануарлардың клетка органеллаларындағы 
энергия жинақтаушы молекулалар электрондарды тасымалдайды. 
Себебі, олардың спектрді қабылдау қабілеті нашарлау. 
ЭПР əдісі ашылғаннан бастап күрделі биоэнергетикалық жүйелерді 
зерттеуге мүмкіндік берді.
Макроэнергиялық қосылыстардағы қосымша энергияның химиялық 
энергия формасы тотығу-тотықсыздану реакцияларымен байланысты. 
Оның митохондриялар мен хлоропластар ішіндегі электронды тасы-
малдау үдерісі негізгі рөл атқарады.
Электрон тасымалдаушы тізбекке (ЭТТ) кіретін тасымалдаушы мо-
лекулалар тотығу-тотықсыздану үдерісі өткенде, олардың магниттік 
күші өзгереді. Электрондарды қабылдау мен беру кезінде диамагниттік 
молекула парамагниттік күйге өтеді. Бұл кезде көптеген электронды 

40
өткізгіштер парамагниттік жағдай кезінде ЭПР-дің сигналымен жақсы 
анықталады. ЭПР əдісімен хлоропластар мен митохондриялардың 
ЭТТ-та бірнеше жаңа компоненті анықталды. Олардың энергия 
өңдеудегі қызметтері анықталды. Мысал ретінде хлоропластыға 
жарық түсіргенде ЭТТ-тің түрлі компонентінің арасымен электрон ай-
налымы пайда болады. Өсімдіктер хлоропластындағы ЭТТ бірнеше 
үлкен белок компоненттен тұрады. Олар тилакоидты мембраналарда 
орналасқан. 
1.10-суретте хлоропласт тилакоидты мембрананың құрылу сызба-
сымен бірге ЭПР-дің дабылдары көрсетілген. ЭПР дабылының бірнеше 
жағдайын көрсетуге болады. Oларға келесі молекулалар жатады. 

жүктеу/скачать 5,04 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: