Радикалы помощники и радикалы разрушители
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Все организмы черпают энергию для своей жизнедеятельности из сложных окислительно-восстановительных реакций. Энергия, освобождающаяся при этих процессах, затрачивается для различной работы в организме: сокращения мышц, нервного возбуждения, образования новых белков и клеток. Осуществляются эти окислительные процессы с помощью особых катализаторов — белков.
Спирт, например, окисляется в организме с помощью фермента алкогольдегидразы. Сам фермент и спирт, взятые по отдельности, не дают сигналов. В тот момент, когда эти два вещества соединяются вместе, на экране ЭПР спектрометра возникает сигнал. Этот сигнал указывает на то, что во время реакции образуются свободные радикалы.
Точно так же можно обнаружить свободные радикалы и при клеточном дыхании, когда необходимый для дыхания фермент рибофлавин переходит в свободно радикальное состояние. Какова дальнейшая судьба этих радикалов?
Всякая химическая реакция связана с перестройкой электронных оболочек атомов и молекул. Обычно молекулы реагируют друг с другом либо при прямом столкновении, либо через какое-то промежуточное звено. Если подсчитать, как часто могут сталкиваться в живой клетке (в результате теплового движения) различные молекулы, то окажется, что при температуре теплокровных организмов — примерно 37 градусов — реакции должны были бы идти значительно медленнее, чем это наблюдается в действительности.
Мы знаем, что их ускоряют ферменты. Но как при этом взаимодействуют молекулы? А что, если ферменты обладают способностью пропускать по своей структуре на относительно большие расстояния электроны, которые участвуют в химических реакциях? Тогда белок-фермент служит как бы тоннелем, с помощью которого атомы и молекулы могут реагировать друг с другом без непосредственной встречи, а обмениваясь электронами на расстоянии. Такое свойство фермента способно резко увеличить скорость реакции, что как раз и характерно для катализаторов. Но это только предположение. Проверить эту гипотезу и решили с помощью радиоспектрометра.
Электронный парамагнитный резонанс позволяет отличать электроны, «сидящие» в определенных участках молекул, от свободно перемещающихся по крупным молекулам, таким как белки, или по решетке кристалла.
Если исследовать, например, с помощью ЭПР сложное органическое соединение — дифенилпикрилгидразил, взятое в виде сухого кристаллического порошка, то на экране появится узкий одиночный сигнал. Если же кристаллики растворить в бензоле, то сигнал ЭПР в несколько раз расширится.
И в том и в другом случае мы наблюдали неспаренные электроны, находящиеся около двух ядер азота, связывающих три ароматических кольца в молекуле дифенилпикрилгидразила. В кристалле неспаренный электрон может свободно перемещаться от одной молекулы к другой. Такое перемещение происходит очень быстро.
Теория показывает, что в результате этого линия на экране резко сужается. Когда же молекулы дифенилпикрилгидраэила отделены друг от друга молекулами растворителя — бензола, то бензол как «изолятор» не позволяет не спаренным электронам перемещаться от одной молекулы к другой. Неспаренные электроны располагаются внутри одной молекулы. Сигнал ЭПР расширяется.
Исследуя сигналы ЭПР в различных тканях, взятых у только что убитых животных (в таких тканях несколько часов идут ферментативные реакции), ученые обнаружили узкие одиночные сигналы, характерные для тел полупроводниковой природы. Как известно, электроны в полупроводниках могут перемещаться на значительные расстояния с большой быстротой. В мертвых тканях (убитых, например, кипячением) структура белков разрушается, и они теряют способность ускорять ход реакции. Это приводит к исчезновению сигналов ЭПР.
Но если белки действительно обладают полупроводниковыми свойствами, то электроны, выбиваемые из них радиоактивными лучами, также должны перемещаться по всей молекуле. И действительно, в тканях, которые подвергались облучению, были обнаружены узкие сигналы ЭПР, говорящие о том, что электроны в них имеют возможность перемещаться по молекуле белка. Если же облучать убитые ткани, то сигналы ЭПР оказываются значительно шире, и это еще раз подтверждает гипотезу о полупроводниковых свойствах белка. Вероятно, способность белков передавать по своей структуре электроны без потери их энергии в тепло и лежит в основе удивительно высокого к. п. д. работающей мышцы…
Автор: А Калмасон.