WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Исаев Николай Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ПОДВИЖНОСТИ СПИНОВЫХ ЗОНДОВ И МЕТОК МЕТОДАМИ СТИМУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО СПИНОВОГО ЭХА И ПЕРЕНОСА НАМАГНИЧЕННОСТИ

01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук Дзюба Сергей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Проскуряков Иван Игоревич доктор физико-математических наук Тарасов Валерий Федорович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт «Международный томографический центр» Сибирского Отделения Российской академии наук.

Защита диссертации состоится «25» мая 2012 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 003.014.01 в ИХКГ СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХКГ СО РАН.

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Учный секретарь диссертационного совета, доктор химических наук Онищук А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы Методы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нитроксильных спиновых зондов и меток находят широкое применение для решения современных химико-физических и биофизических задач, что стимулирует развитие новых методик и подходов в ЭПР для получения большего количества информации об исследуемых системах.

В настоящей работе развиваются и исследуются возможности двух методов исследования молекулярной динамики с помощью импульсного ЭПР.

Одна методика основана на исследовании релаксации сигнала стимулированного спинового эха (ССЭ). Она позволяет детектировать и определять механизм микросекундных переориентаций на малые углы (0,1-1о), что недоступно для исследования другими методами и позволяет поэтому получать принципиально новую информацию. Другая методика основана на эффекте переноса намагниченности в спектре ЭПР. Этот эффект чувствителен к подвижности молекул по механизму вторичной релаксации по типу ДжохариГолдштейна. Природа этой подвижности в настоящее время активно обсуждается в литературе.

Основные цели работы Основной целью данной работы являлось развитие методик электронного спинового эха и их приложение к изучению фундаментальных закономерностей подвижности молекул в неупорядоченных молекулярных средах и в биологических мембранах. Для этого в работе решаются следующие задачи:

Использование стимулированного спинового эха для выявления молекулярного механизма динамики в неупорядоченных молекулярных средах и биологических мембранах.

Исследование возможностей метода переноса намагниченности в спектрах ЭПР нитроксильных радикалов для изучения -релаксации по типу Джохари-Голдштейна.

Научная новизна работы В работе впервые проведены систематические исследования малоугловой подвижности спиновых зондов и меток в различных матрицах и при различных температурах.

Для объяснения релаксации спинового эха впервые была предложена модель инерционных вращений.

Найденные методом ССЭ частоты вращения существенно отличных по размерам зондов в неупорядоченных молекулярных средах оказались одинаковыми, что позволило сделать вывод о коллективной природе обнаруженных движений.

Исследование подвижности методом переноса намагниченности впервые было проведено для спиновых зондов существенно различного размера, что позволило определить характерный масштаб релаксации Джохари-Голдштейна.

Исследование динамики модельных мембран в гелевой фазе с помощью ССЭ позволило выявить появление коллективных движений липидов при криогенных температурах, а также неизвестный до этого эффект усиления холестерином молекулярной подвижности в глубине мембраны.

Практическая значимость В работе показано, что метод стимулированного эха чувствителен к коллективным молекулярным переориентациям в малом масштабе углов, что дает возможность получения новой динамической информации для сложных биологических систем.

Полученная в настоящей работе информация об иерархии и характерном временном и пространственном масштабах молекулярных переориентаций в неупорядоченных молекулярных средах важна для понимания природы стеклообразного состояния.

Обнаруженный эффект усиления холестерином молекулярной подвижности внутри мембраны важен для понимания фундаментальных основ функционирования биологических мембран.

Личный вклад соискателя. Соискатель участвовал в постановке задач, обсуждаемых в данной диссертации, принимал непосредственное участие в организации и проведении экспериментов, в обработке экспериментальных данных, в анализе полученных результатов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались на физико-химических семинарах Института химической кинетики и горения СО РАН, а также на 6 международных и 4 всероссийских научных конференциях: Sendai-Berlin-Novosibirsk Seminar on Advanced EPR 2006, Novosibirsk, Russian Federation // Asia-Pacific EPR/ESR Symposium, August 24-27, 2006, Novosibirsk, Russian Federation // XIX Симпозиум «Современная Химическая Физика», 2007, Туапсе, Россия // XXVI Симпозиум по химической кинетике, 2008, Черноголовка, Россия // 42nd Annular International Meeting of Electron Spin Resonance Spectroscopy Group of the Royal Society of Chemistry”, 2009, Norwich, England // Tenth International Supramolecular School on Biophysics, 2009, Rovinj, Croatia // International Youth Scientific School, 2009, Kazan, Russian Federation // Всероссийская молодежная школа с международным участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике», 2010, Новосибирск, Россия // Asia-Pacific EPR/ESR Symposium, 2010, Jeju, Republic of Korea // EUROMAR, 2011, Frankfurt am Main, Germany.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана актуальность исследования молекулярной динамики и сделан краткий обзор возможностей метода ЭПР.

В первой главе представлена первая часть литературного обзора, которая состоит из четырех разделов. В первом разделе излагаются результаты исследования молекулярной динамики в стеклообразных матрицах методами диэлектрической и ЯМР спектроскопии. Вводится понятие и -релаксации.

Во втором разделе описаны результаты по исследованию стеклообразных состояний методами ЭПР. В третьем разделе приведено описание свойств биологических мембран, сделан обзор различных методов исследования их структуры и молекулярной динамики. В четвертом разделе представлены данные по молекулярной подвижности мембран, полученные методами ЭПР.

Во второй главе приведена вторая часть литературного обзора, где описаны существующие теоретические подходы для объяснения релаксации в импульсной последовательности ССЭ (/2--/2-Т-/2--эхо) нитроксильного радикала вследствие молекулярных переориентаций. Приведена структура и описана специфика анизотропии спектра нитроксильного радикала. Указано, что для малых углов поворота имеет место линейная зависимость между изменением Ларморовской частоты и углом поворота. Для поворотов вокруг оси Х:

(1) где величина RX (, ) - характеризует величину анизотропии и определяется следующим выражением:

(2) где gXX, gYY, gZZ и AXX, AYY, AZZ – главные значения g-тензора и тензора СТВ в молекулярной системе координат, а и – углы поворота между лабораторной и молекулярной системами координат. Чтобы получить выражения для поворотов относительно осей Y и Z в выражении (2) надо сделать циклическую перестановку X, Y, Z и одновременно sin cos, sin sin, cos.





Различные типы молекулярных движений приводят к различным типам дефазировки спинового эха, что позволяет различить их по зависимости релаксации эха в последовательности ССЭ при увеличении задержек Т и .

Наносекундные ограниченные либрации с временем корреляции с<<,T приводят к следующей зависимости ССЭ:

(3) в которой зависимость от величины Т отсутствует.

Если движения происходят на временах, больших чем , то есть в микросекундном диапазоне, вызванная ими релаксация ССЭ будет сильно зависеть от типа этих движений. Так, например, броуновская угловая диффузия вокруг оси Х приводит к следующему спаду ССЭ:

(4) где Dx – коэффициент вращательной диффузии вокруг оси X.

Третья глава посвящена исследованию подвижности нироксильных спиновых зондов в молекулярных стеклах орто-терфенила и глицерина при помощи стимулированного спинового эха. В качестве спиновых зондов были использованы следующие нитроксильные радикалы, сильно отличающиеся по размерам:

В настоящей работе для интерпретации экспериментальных результатов впервые была предложена новая модель релаксации ССЭ вследствие медленных инерционных вращений с постоянной угловой частотой. Данный тип движений вокруг оси Х приводит к следующей зависимости ССЭ:

,(5) где 0 – параметр, описывающий среднюю частоту вращений. Если частоты вращений распределены по лоренцовскому контуру, то 0 совпадает с полушириной этого контура. Зависимость (5) является экспоненциальным спадом по с линейным ростом скорости спада от Т, при выполнении условия T>>, что почти всегда верно для последовательности ССЭ.

Рис. 1 (а) Спады сигнала эха для Т=(двухимульсный эксперимент) в трех положениях спектра, указаных на вставке. (б) Аналогично (а), для Т=8мкс (трехимпульсный эксперимент). (в) Полулогарифмический график отношения кинетик спадов в положениях 1 и 3 спектра на рис.1(а), для двух различных значений Т, и их линейная аппроксимация. Зависимости приведены для нитроксила II в глицерине при 220К Спады ССЭ, измеренные при варьировании и постоянной величине Т, для различных по анизотропии спектральных положений представлены на рис. 1а,б. Анизотропия положений уменьшается с ростом номера. Из рис1.а,б видно, что бльшая анизотропия соответствует более быстрой релаксации.

Видимые осцилляции появляются из-за сверхтонкого взаимодействия неспаренного электрона с протонами окружения. Несмотря на то, что анизотропия в положении 3 примерно в 5 раз меньше, чем в положении 1, релаксация в этом положении медленнее всего в два раза. Это объясняется тем, что большой вклад в релаксацию помимо ориентационных движений радикала дает движение протонов окружения. Этот вклад в релаксацию является изотропным.

Чтобы убрать все изотропные вклады и выявить анизотропную часть релаксации, спад кинетики сигнала спинового эха в положении 1 спектра был поделен на кинетику спада в положении 3. Эти положения были выбраны из-за наибольшей разницы в степени анизотропии. Деление сильно подавляет протонную модуляцию, видимую в спадах ССЭ (рис. 1в). Полученные зависимости в полулогарифмическом масштабе могут быть аппроксимированы прямой линией.

Это означает, что вклад движений в релаксацию носит экспоненциальный характер и может быть описан при помощи одного параметра – анизотропной скорости релаксации W(T). Для всех образцов линейный вид зависимостей отношения кинетик Рис. 2 Значения анизотропной части скорости спадов оставался неизменным.

релаксации W(T), полученной из линейной Данный вид зависимости ССЭ не аппроксимации логарифма отношения спадов, показанной на рис.1, для радикала II в стеклообразном может быть вызван броуновской глицерине для различных температур. Зависимости угловой диффузией, которая могут быть удовлетворительно аппроксимированы прямыми линиями.

приводит к квадратичной зависимости спада ССЭ от в полулогарифмическом масштабе согласно выражению (4).

На рис. 2-3 представлены температурные зависимости W(T) от величины Т для различных спиновых зондов в различных изучаемых матрицах.

Наблюдаемые при низких температурах отрицательные значения W(T) могут быть объяснены эффектом мгновенной диффузии, который появляется из-за изменения локального магнитного поля на неспаренном электроне радикала вследствие переворота спина соседнего радикала СВЧ импульсом последовательности (эффект становится заметным при концентрациях более мМ). Данный эффект зависит только от концентрации и типа импульсной последовательности и не зависит от температуры и, таким образом, не влияет на интерпретацию данных по подвижности.

Рис. 3 То же самое, что на рис.2, для различных радикалов в стеклообразном орто-терфениле.

Все зависимости на рис. 2-3 могут быть аппроксимированы прямыми линиями, что может быть проинтерпретировано присутствием двух типов молекулярных движений.

Вертикальный сдвиг зависимостей W(T) при повышении температуры может быть связан с появлением быстрых наносекундных либраций, чей вклад в релаксацию ССЭ согласно выражению (3) не зависит от Т. Данный тип движений был обнаружен ранее в экспериментах двухимпульсного эха и был интерпретирован как имеющий аналогичную природу, что и ангармонические колебания, обнаруженных методами нейтронного рассеяния и Мессбауэровской спектроскопии.

Появление вклада в скорость анизотропной релаксации W(T), который линейно увеличивается с ростом Т и возрастает при повышении температуры, находится в согласии с моделью инерционных вращений – см. формулу (5).

Из величины тангенса угла наклона зависимостей W(T) на рис. 2-можно при помощи выражений (5) и (2) получить температурную зависимость средней скорости инерционного вращения нитроксильных радикалов 0. Эти данные представлены на рис. 4. Можно видеть, что полученные скорости вращения лежат в кГц диапазоне.

Зная величину средней частоты вращений, можно оценить среднюю амплитуду переориентаций, наблюдаемых в эксперименте. Для самых высоких измеренных температур амплитуда составила немногим более градуса. Этот экспериментальный результат говорит о том, что данным методом можно исследовать элементарный акт молекулярного вращения.

Геометрические размеры и химическая структура исследуемых в данной главе нитроксильных радикалов существенно отличаются. Однако динамическая картина, наблюдаемая методом стимулированного спинового эха, существенно не меняется. Это говорит о том, что исследуемые переориентации носят коллективный характер, и в них также участвует кластер близлежащих молекул.

Рис. 4 Аррениусовский график для значений частот вращения, полученных из углов наклона прямых на рис.2-3 для глицерина (а) и орто-терфенила (б).Ромбами обозначен нитроксил I, квадратами – нитроксил II, звездами – нитроксил III, закрашенными кругами нитроксил IV, треугольниками соль Фреми из работы [Dzuba 2005].Для сравнения приведены угловые частоты диэлектрической -релаксации 2fD (полые круги) из работы [Schneider 1998] для глицерина и работы [Johari 1970] для орто-терфенила. Прямые линии показывают, что зависимости приблизительно линейны. Можно также видеть, что скорости вращения для радикала I немного больше по сравнению с другими радикалами.

Интересно сопоставить эти значения с данными диэлектрической спектроскопии по -релаксации для чистых матриц (рис. 4). Видно, что коэффициент вращательной диффузии 2fD (где fD – дебаевская частота релаксации, полученная из максимума положения пика -релаксации) имеет другую температурную зависимость. Если ввести 0 ~ 2 x 10-4c для глицерина и 0 ~ 8 x 10-4c для орто-терфенила, то величина 020 будет близка к 2fD.

Возможно, этот факт говорит о том, что диффузия происходит за счет последовательности инерционных вращений на углы порядка 00.

Четвертая глава посвящена исследованию молекулярной подвижности с помощью эффекта переноса намагниченности из одной сверхтонкой компоненты нитроксила в другую вследствие изменения проекции спина ядра азота. Измерения проводились при помощи двух импульсных последовательностей. Первая двухчастотная последовательность переноса намагниченности или ПН (накачка-Т-/2детект--детект--эхо) детектирует распространение накачка инвертированной импульсом накачки детектирование намагниченности из центральной 2,5 мТ компоненты в низкопольную при помощи двухимпульсной последовательности на детектирующей частоте, как показано на 336 338 340 342 344 3рис. 5. Вторая - одночастотная Магнитное поле, мТ последовательность инверсииРис. 5 Положение импульсов накачки и детектирования в ЭД спектре восстановления (ИВ) на частоте накачки эксперимента переноса 7намагниченности.

(накачка-Т-/2накачка--накачка--эхо) - была использована для исследования скорости восстановления инвертированной намагниченности в центральной компоненте.

В предыдущих работах по исследованию подвижности нитроксильных спиновых зондов в стеклообразных матрицах с помощью ПН было показано, что изменение проекции спина ядра азота, приводящее к эффекту ПН, может происходить из-за сильного изменения направления оси квантования и последующего переквантования, вследствие переориентации нитроксила на большие углы, в среднем >/3. Все экспериментальные данные хорошо описывались моделью переориентаций между двумя неэквивалентными ориентациями с существенной разницей в заселенности. Было показано, что время сближения кинетик ПН и ИВ характерному времени с, за которое происходит переориентация молекул. Под сближением понимается следующее: сближение зависимостей ПН и ИВ в масштабе –ln(1-E(T)) на одну логарифмическую единицу, где Е(Т) - экспериментальная зависимость ПН или ИВ, нормированная на единицу делением на соответствующую аппаратную функцию, записанную в отсутствие первого инвертирующего импульса последовательности. Найденная таким образом частота переориентаций оказалось близкой к частоте диэлектрической -релаксации, что позволило получить новую информацию о молекулярном механизме этого типа движения.

Оказалось, что экспериментальные зависимости ПН и ИВ в виде –ln(1E(T)) для радикалов I и II сходились на одну логарифмическую единицу при всех измеренных температурах, что дало возможность измерения с. Однако для радикала III измерить величину с удалось только выше 255К, так как при более низких температурах зависимости ПН и ИВ не сходились на доступных для измерения временных промежутках (рис. 6).

Рис. 6 Временные зависимости –ln(1-E(T)/ E0(Т)) для нитроксила III в орто-терфениле, где Е(Т) - экспериментальная зависимость ПН или ИВ, нормированная на единицу делением на соответствующую аппаратную функцию, записанную в отсутствии первого инвертирующего импульса последовательности.

Вертикальная линия соответствуют сближению зависимостей на одну логарифмическую единицу.

Полученные величины с были сопоставлены с данными диэлектрической спектроскопии о положении максимума пиков - и -релаксации (рис. 7). Найденная временная шкала переворотов спина ядра азота для радикалов I и II при температурах выше температуры стеклования соответствует их вовлечению в -релаксацию. Изменение характера движения при температурах ниже температуры стеклования для зондов I и II может быть объяснено тем, что движения происходят в индивидуальных клетках, и соответствуют высокочастотному краю пика -релаксации.

O N 6,O 5,O N 5,N 4,4,O N 3,Tg N 3,3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,1000K/T Рис. 7 Аррениусовский график зависимости скорости переноса намагниченности R в орто-терфениле для нитроксила I – круги, нитроксила II – треугольники, нитроксила III – квадраты. Также на графике приведены литературные данные [Wagner 1999] по - (ромбы) и - (звезды) релаксации в чистом орто-терфениле. Видно, что линейные аппроксимации всех зависимостей пересекаются в одной точке. Ниже температуры стеклования для нитроксилов I и II проведены прямые линии, чтобы подчеркнуть изменение температурного поведения.

Найденная временная шкала переворотов ядра азота для радикала III на рис. 7 заметно отличается от данных для радикалов I и II. Это позволяет сделать вывод о том, что бльшие размеры радикала III приводят к тому, что молекулярные движения на пространственном масштабе, имеющей локальный характер, -релаксации не могут приводить к эффективным переориентациям радикала III, и только более медленный тип движений, близкий к релаксации, происходящей на больших пространственных масштабах, может изменять его пространственную ориентацию. Этот результат дает важную информацию о пространственном масштабе -релаксации.

В пятой главе описано применение метода стимулированного спинового эха к исследованию подвижности модельных биологических мембран из ненасыщенного липида 1-пальмитоил-2-олелоил-фосфохолина:

.

-max -c -log ( /s ), -log ( /s ) В качестве спиновых зондов были использованы спин-меченые в 5м и 16м положении стеариновые кислоты:

O OH N O O O N OH 5-ДОКСИЛ-стеариновая кислота (5-ДСК), 16-ДОКСИЛ-стеариновая кислота (16-ДСК).

Были приготовлены ориентированные липидные бислои на стеклянных подложках, так как литературные данные свидетельствовали о неоднородности продольной и поперечной подвижности липидов.

Чтобы выделить вклад анизотропной части скорости релаксации, кинетика спада сигнала эха в положении 1 спектра на рис. 8а была поделена на кинетику спада в положении 2.

Данная процедура совпадает с процедурой, изложенной в главе 3. Результат деления представлен на рис. 8б для Т=0 и 4 мкс.

Оказалось, что протонная модуляция, видимая в спадах ССЭ на рис. 8а также сильно подавляется этой процедурой (как об этом говорилось в главе 3). Полученные зависимости Рис. 8 (а) Нормированные спады сигнала эха по при Т=4 мкс в двух могут быть аппроксимированы прямыми позициях спектра, показанных на линиями. Тангенс угла наклона этих прямых, вставке. (б) полулгарифический график зависимости отношения кинетик этих как и в предыдущей главе, был обозначен W(T).

спадов и спадов при Т=0 и 4 мкс, и их Полученные температурные зависимости линейные аппроксимации. Для удобства восприятия зависимости величин W(T) для 5-ДСК и 16-ДСК сдвинуты по вертикали. Температура представлены на рис. 9. На каждом рисунке 145 К, образец 5ДСК в представлены зависимости для параллельной и перпендикулярной ориентации.

перпендикулярной ориентации внешнего магнитного поля относительно нормали мембраны. Можно заметить, что ориентационной зависимости в поведении W(T) практически не наблюдается. Все зависимости могут быть хорошо аппроксимированы Рис. 9 Температурная зависимость скорости анизотропной релаксации W(T) для 5-ДСК (вверху) и для 16-ДСК (внизу) в прямыми линиями.

ориентированных бислоях ПОФХ для параллельной и Отрицательные значения перпендикулярной ориентации нормали бислоя относительно внешнего магнитного поля.

W(T) могут быть объяснены эффектом мгновенной диффузии, как и в главе 3.

Увеличение отсечения при Т=0 свидетельствует о наличии быстрых движений и находится в согласии с литературными данными по динамике различных спин-меченых молекул в липидных бислоях.

Линейный рост W(T) с увеличением задержки Т говорит о наличии в исследуемой матрице микросекундных переориентаций. Они появляются одновременно с быстрыми наносекундными либрациями, и могут быть объяснены моделью инерционных вращений. Можно видеть, что ориентационная динамика в мембране ПОФХ имеет гетерогенный характер, и появляется при температуре около 120 К для 5-ДСК и около 80 К для 16-ДСК.

Из увеличения угла наклона зависимостей W(T) была найдена величина средней частоты вращений 0. Результат представлен на рис. 10.

Зная среднюю частоту вращений, можно оценить их амплитуду, наблюдаемую в эксперименте. Она составляет величину порядка одного градуса при самых высоких измеренных температурах.

В данной главе были описаны результаты Рис. 10 Скорости вращения, полученные из углов линейной примененного впервые подхода аппроксимации зависимостей на рис.26-27 для 5ДСК к исследованию молекулярной (квадраты) и 16ДСК (круги). Линии нарисованы для удобства восприятия.

динамики липидных бислоев в микросекундном диапазоне на сверхмалые углы. К сожалению, полученные результаты сложно сравнить с литературными данными из-за разницы в чувствительности методов. Так, например, метод твердотельной ЯМР спектроскопии перестает быть чувствительным к ориентационным движениям в липидах при температурах около 240К.

Шестая глава посвящена исследованию влияния холестерина на молекулярную подвижность липидов в многослойных неориентированных везикулах из ненасыщенного Рис. 11 Структура холестерина липида ПОФХ. Структура холестерина приведена на рис. 11. Исследовано два типа образцов: чистый липид и липид в смеси с холестерином в молярном соотношении 1:1.

В качестве спиновых зондов были взяты следующие спин-меченые липиды:

1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфо(ТЕMPO)холин, 1-пальмитоил-2-стеароил-5-DOXYL-глицеро-фосфохолин, 1- пальмитоил-2-стеароил-10-DOXYL-глицеро-фосфохолин, 1- пальмитоил-2-стеароил-16-DOXYL-глицеро-фосфохолин.

Определение W(T) проводилась так же, как в предыдущей главе.

Экспериментальные температурные зависимости W(T) для всех образцов могут быть аппроксимированы прямыми линиями (рис.12), что может быть объяснено одновременным наличием в системе 2х типов движения: быстрых либраций и медленных инерционных вращений.

Из представленных на рис. 12 зависимостей видно, что присутствие холестерина по-разному влияет на подвижность в различных положениях липидного бислоя. Также можно видеть, что он по-разному влияет на быстрые и медленные движения, детектируемые стимулированным эхо. Для положения метки в полярной головке и 5-м положении ацильной цепи холестерин увеличивает интенсивность быстрых либраций и очень сильно подавляет медленные вращения, что можно видеть из параллельности зависимостей W(T). Для 10-го положения спиновой метки ситуация меняется:

холестерин ускоряет быстрые движения и практически не меняет скорости медленных вращений. Для 16-го положения спиновой метки в ацильной цепи холестерин значительно усиливает оба типа движений.

Рис. 12 Температурные зависимости анизотропной скорости релаксации W(T) для спин-меченых липидов в чистом ПОФХ (слева) и ПОФХ с холестерином в молярном соотношении 1:1 (справа) Усиление холестерином быстрых либраций может быть объяснено упорядочивающим эффектом холестерина, который способствует распутыванию цепей жирных кислот липидов, что может способствовать усилению либраций. Эффект усиления холестерином быстрых либраций был обнаружен ранее для насыщенных липидов при помощи двухимпульсной последовательности.

Подавление медленных вращений в полярной головке и в 5м положении ацильной цепи может быть объяснено конденсирующим эффектом холестерина, который состоит в том, что глобальная структура бислоя в присутствии холестерина становится жестче.

По нашим данным, эффект усиления холестерином движений в глубине мембраны Рис. 13 Схема предполагаемого механизма влияния холестерина на (для 16го положения) раньше в литературе не микросекундные переориентации, был описан, несмотря на большое количество видимые методом ССЭ. Вблизи статей по исследованию молекулярных полярной головки мембраны присутствие жесткого стерольного движений в мембранах. Мы предполагаем, что скелета подавляет коллективные эффект усиления холестерином динамики в переориентации неполярных хвостов. Но после 10го положения стерольный липидном бислое появляется из-за специфики скелет заканчивается и общая свобода движений, видимых при помощи ЭСЭ.

для движений увеличивается по сравнению с мембраной без Данный метод чувствителен к холестерина.

малоамплитудным переориентациям порядка 0,1-1о, невидимым для методов 2Н ЯМР и стационарного ЭПР. Обнаруженное усиление движений может быть объяснено тем, что холестерин влияет на динамику липидов только жестким стерольным остовом, как схематически показано на рис.13. В центре же бислоя может оказаться больше свободы для малоугловых молекулярных движений.

Цитированная литература Dzuba S.A., Kirilina E.P., Salnikov E.S., Kulik L.V. Restricted orientational motion of nitroxidesin molecular glasses: Direct estimation of the motional time scale basing on the comparative study of primary and stimulated electron spin echo decays// Journal of Chemical Physics. - 2005. - Vol. 122 - P.0947Johari G.P., Goldstein M. Viscous liquids and the glass transition. II. Secondary relaxations in glasses of rigid molecules // Journal of Chemical Physics. - 1970. - Vol. 53. - P. 2372-23Schneider U., Lunkenheimer P., Brand R., Loidl A., Dielectric and far-infrared spectroscopy of glycerol // Journal of Non-Crystalline Solids - 1998. - Vol. 235. P. 173-1Wagner H., Richert R. Equilibrium and Non-Equilibrium Type -Relaxations: d-Sorbitol versus o-Terphenyl // Journal of Physical Chemistry B. - 1999. - Vol. 103. – 40ВЫВОДЫ 1. Предложена модель инерционного вращения спиновых зондов и меток в молекулярных стеклах и биологических мембранах, которая находится в согласии с данными метода стимулированного спинового эха.

2. Для молекулярных стекол показано, что частоты вращения существенно отличных по размерам зондов одинаковы, что позволяет сделать вывод о коллективной природе обнаруженных движений.

3. Метод переноса намагниченности в стекле орто-терфенила для различных по размерам зондов показал, что небольшие по размеру зонды принимают участие в движениях с характерными временами -релаксации Джохари-Голдштейна, в то время как объемный зонд исключается из этих движений, и его подвижность обуславливается только -релаксацией. Это дало дополнительное подтверждение тому, что перенос намагниченности чувствителен к -релаксации, а также позволило оценить пространственный масштаб релаксации Джохари-Голдштейна.

4. Показано, что молекулярная подвижность в виде быстрых стохастических либраций и инерционного вращения в липидных бислоях из ненасыщенного липида ПОФХ появляется при очень низких температурах:

~80 К в глубине мембраны и ~120 К вблизи ее поверхности.

5. Показано, что присутствие холестерина в мембране усиливает быстрые наносекундные либрации по всей ее глубине. Вблизи поверхности мембраны холестерин подавляет медленные инерционные вращения, что может быть объяснено конденсирующим эффектом холестерина. В глубине мембраны присутствие холестерина эти вращения усиливает, что может быть объяснено большей свободой для движений из-за того, что стерольный остов здесь заканчивается.

Основные результаты опубликованы в следующих работах 1. Isaev N.P., Dzuba S.A. Fast Stochastic Librations and Slow Rotations of Spin Labeled Stearic Acids in a Model Phospholipid Bilayer at Cryogenic Temperatures // J. Phys. Chem. B. – 2008. – Vol. 112. - P. 13285–1322. Isaev N.P., Kulik L.V., Kirilyuk I.A., Reznikov, V. A., Grigor'ev, I. A., Dzuba, S. A. Fast stochastic librations and slow small-angle rotations of molecules in glasses observed on nitroxide spin probes by stimulated electron spin echo spectroscopy // J. Non-Cryst. Solids. – 2010. – Vol. 356. – P. 1037-103. Isaev N.P., Syryamina V.N., Dzuba S.A. Influence of Cholesterol on Molecular Motions in Spin-Labeled Lipid Bilayers Observed by Stimulated ESE // Appl.

Magn. Reson. – 2010. – Vol. 37. – P. 405-44. Isaev N.P., Syryamina V.N., Dzuba S.A. Small-Angle Orientational Motions of Spin-Labeled Lipids in Cholesterol-Containing Bilayers Studied at Low Temperatures by Electron Spin Echo Spectroscopy // J. Phys. Chem. B. – 2010. - Vol. 114. – P. 9510-955. Isaev N. P.; Dzuba S. A. Nitrogen nuclear spin flips in nitroxide spin probes of different sizes in glassy o-terphenyl: Possible relation with alpha- and betarelaxations // J. Chem. Phys. – 2011. – Vol. 135. - P. 0945






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.