Радикали помічники і радикали руйнівники
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Всі організми черпають енергію для своєї життєдіяльності зі складних окислювально-відновних реакцій. Енергія, що звільняється при цих процесах, затрачається для різної роботи в організмі: скорочення м’язів, нервового збудження, утворення нових білків і клітин. Здійснюються ці окислювальні процеси за допомогою особливих каталізаторів – білків.
Спирт, наприклад, окислюється в організмі за допомогою ферменту алкогольдегідразу. Сам фермент і спирт, взяті окремо, не дають сигналів. У той момент, коли ці дві речовини з’єднуються разом, на екрані ЕПР спектрометра виникає сигнал. Цей сигнал вказує на те, що під час реакції утворюються вільні радикали.
Точно так само можна виявити вільні радикали і при клітинному диханні, коли необхідний для дихання фермент рибофлавін переходить у вільно радикальний стан. Яка подальша доля цих радикалів?
Всяка хімічна реакція пов’язана з перебудовою електронних оболонок атомів і молекул. Зазвичай молекули реагують одна з одною або при прямому зіткненні, або через якусь проміжну ланку. Якщо підрахувати, як часто можуть стикатись в живій клітині (в результаті теплового руху) різні молекули, то виявиться, що при температурі теплокровних організмів – приблизно 37 градусів – реакції мали б йти значно повільніше, ніж це спостерігається в дійсності.
Ми знаємо, що їх прискорюють ферменти. Але як при цьому взаємодіють молекули?
А що, якщо ферменти мають здатність пропускати по своїй структурі на відносно великі відстані електрони, які беруть участь у хімічних реакціях? Тоді білок-фермент служить як би тунелем, за допомогою якого атоми і молекули можуть реагувати один з одним без безпосередньої зустрічі, а обмінюючись електронами на відстані. Така властивість ферменту здатна різко збільшити швидкість реакції, що якраз і характерно для каталізаторів. Але це тільки припущення. Перевірити цю гіпотезу і вирішили за допомогою радіоспектрометра.
Електронний парамагнітний резонанс дозволяє відрізняти електрони, що «сидять» в певних ділянках молекул, від таких, що вільно переміщаються по великим молекулам, таким як білки, або по решітці кристала.
Якщо досліджувати, наприклад, за допомогою ЕПР складне органічне з’єднання – діфенілпікрілгідразіл, взяте у вигляді сухого кристалічного порошку, то на екрані з’явиться вузький одиночний сигнал. Якщо ж кристали розчинити в бензолі, то сигнал ЕПР в кілька разів розшириться.
І в тому і в іншому випадку ми спостерігали неспарені електрони, що знаходяться близько двох ядер азоту, пов’язують три ароматичних кільця в молекулі діфенілпікрілгідразіла. У кристалі неспарений електрон може вільно переміщатись від однієї молекули до іншої. Таке переміщення відбувається дуже швидко. Теорія показує, що в результаті цього лінія на екрані різко звужується. Коли ж молекули діфенілпікрілгідразіла відокремлені один від одного молекулами розчинника – бензолу, то бензол як «ізолятор» не дозволяє не спареним електронам переміщатися від однієї молекули до іншої. Неспарені електрони розташовуються всередині однієї молекули. Сигнал ЕПР розширюється.
Досліджуючи сигнали ЕПР в різних тканинах, взятих у тільки що вбитих тварин (в таких тканинах кілька годин йдуть ферментативні реакції), вчені виявили вузькі одиночні сигнали, характерні для тіл напівпровідникової природи. Як відомо, електрони в напівпровідниках можуть переміщатись на значні відстані з великою швидкістю. У мертвих тканинах (вбитих, наприклад, кип’ятінням) структура білків руйнується, і вони втрачають здатність прискорювати хід реакції. Це призводить до зникнення сигналів ЕПР.
Але якщо білки дійсно володіють напівпровідниковими властивостями, то електрони, вибивані з них радіоактивними променями, також повинні переміщатись по всій молекулі. І дійсно, в тканинах, які піддавались опроміненню, були виявлені вузькі сигнали ЕПР, що говорять про те, що електрони в них мають можливість переміщатись по молекулі білка. Якщо ж опромінювати вбиті тканини, то сигнали ЕПР виявляються значно ширше, і це ще раз підтверджує гіпотезу про напівпровідникові властивості білка. Ймовірно, здатність білків передавати по своїй структурі електрони без втрати їх енергії в тепло і лежить в основі дивно високого к. п. д. працюючого м’яза.
Автор: А Калмасон.