Введение к работе
Актуальность работы. Одной из фундаментальных задач химической физики является установление механизма протекания элементарного акта химических реакций для последующего целенаправленного воздействия на химические процессы. С этой целью изучаются свойства активных короткоживущих промежуточных частиц биологически важных молекул - аминокислот и нуклеотидов. Метод химической поляризации ядер (ХПЯ) позволяет исследовать процессы формирования и распада неравновесных ядерно-спиновых состояний продуктов спин-коррелированных радикальных реакций по спектрам ЯМР. Актуальным является развитие и применение высокочувствительных импульсных методов магниторезонансной спектроскопии, основанных на явлении ХПЯ, что начали делать относительно недавно и всего в нескольких лабораториях мира. Импульсный метод ХПЯ позволяет разделить вклад от геминальных процессов и провести количественный кинетический анализ радикальных реакций на микросекундной временной шкале. Установленная в работе линейная зависимость между сигналами в геминальных спектрах ХПЯ и константами СТВ открывает путь для определения структуры очень короткоживущих радикалов, регистрация которых традиционными методами ЭПР затруднена вследствие их низкой стационарной концентрации. Получение кинетической информации о протекании реакции восстановления радикалов нуклеотидов аминокислотами в широком диапазоне значений рН как модельной реакции для «химического» пути быстрой и эффективной репарации нуклеиновых кислот, защищающей их от повреждений, является актуальным.
Обычно для получения данных о подвижности частиц используют зависимость ядерной релаксации от напряженности магнитного поля. При интерпретации не рассматривается спин-спиновое взаимодействие, потому что данные получают при низком спектральном разрешении, что является существенным недостатком. Развитие метода быстрого переключения поля с высоким спектральным разрешением при регистрации позволяет выявить влияние скалярного спин-спинового взаимодействия на релаксацию и ХПЯ в слабых магнитных полях.
Целями диссертационной работы являются:
Установление линейной зависимости между интенсивностями сигналов в геминальных спектрах ХПЯ и константами сверхтонкого взаимодействия в радикалах с большим числом магнитных ядер.
Применение метода ХПЯ для определения относительных констант СТВ с ядрами Ни С в короткоживущих катион-радикалах триптофана и с ядрами N аденозин-5'-монофосфата.
Исследование реакции переноса электрона с аминокислот (триптофан, тирозин, метионин и гистидин) на радикалы гаунозин-5'-монофосфата в широком диапазоне значений рН и определение констант скоростей этой реакции.
4. Изучение влияния скалярных спин-спиновых взаимодействий на зависимость ядерной Ti-релаксации от напряженности магнитного поля и когерентный перенос ХПЯ.
Методы исследования. Все экспериментальные данные получены методом ядерного магнитного резонанса при времяразрешенной регистрации сигналов продуктов фотохимических реакций, инициированных импульсным лазерным излучением.
Научная новизна работы. Впервые создана установка ХПЯ с временным разрешением на базе ЯМР спектрометра с магнитным полем 14.1 Тл для регистрации сигналов ЯМР Н, С и N. При использовании новой установки была установлена линейная зависимость сигналов геминальной ХПЯ от констант СТВ в многоспиновых радикальных парах и впервые зарегистрированы геминальные спектры ХПЯ Си N. В работе впервые определены знаки и относительные величины констант сверхтонкого взаимодействия для С в короткоживущих катион-радикалах триптофана и N для катион-радикалов нуклеотида AMP. Методом ХПЯ с временным разрешением была изучена реакция восстановления радикалов GMP аминокислотами в водных растворах и получены константы скорости этих реакций для четырех различных радикалов GMP при рН от 1.3 до 13.3. Впервые продемонстрировано влияние скалярного спин-спинового взаимодействия на зависимость ядерной релаксации от напряженности внешнего магнитного поля и выявлен когерентный перенос ядерной поляризации между скалярно-связанными ядрами на примере аденозин-5'-монофосфата.
Практическая ценность работы. Полученные результаты будут использованы для дальнейших фундаментальных исследований в области спиновой химии в институтах МТЦ СО РАН, ИХКГ СО РАН, Московском государственном университете, Новосибирском государственном университете, Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Казанском физико-техническом институте им. Е.К. Завойского РАН и в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
Автор защищает:
Пропорциональную зависимость интенсивностей геминальной ХПЯ от констант СТВ в радикалах с большим числом магнитных ядер, в которых ширина спектра ЭПР намного больше, чем константа СТВ любого из ядер.
Кинетику ХПЯ в трехкомпонентной системе, содержащей 2,2'-дипиридил, гуанозин-5'-монофосфат и аминокислоту (триптофан или тирозин) в водных растворах при значениях рН от 1.3 до 13.3.
Влияние спин-спиновых взаимодействий на полевую зависимость ХПЯ и дисперсию Ti-релаксации.
Личный вклад соискателя. Автор участвовал в разработке плана исследований, в постановке задач диссертационной работы, обсуждении результатов, формулировке выводов и подготовке публикаций по теме диссертационной работы. Основная часть экспериментальных исследований выполнена лично автором. Часть экспериментов проведена совместно с к.х.н. с.н.с. Морозовой О.Б. при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах: XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, Россия, апрель 2003 г.), 69-70th Annual Meeting of the Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) (Берлин, Дрезден, Германия, 04-09 марта 2005 г., 27-31 марта 2006 г.), International Symposium on Modern Problems of Chemical Physics (Казань, Россия, 31 октября - 04 ноября 2006 г.), Modern Development of Magnetic Resonance (Казань, Россия, 24-29 сентября 2007 г.), 10th International Symposium on Spin and Magnetic Field Effect in Chemistry and Related Phenomena (Венеция, Италия, 18-21 июня 2007 г.), 11th Chianti Workshop on Magnetic Resonance "Methods for biomolecular magnetic resonance" (Валамброса (Флоренция), Италия, 3-8 июня 2007 г.), The 5th Conference on Field Cycling NMR Relaxometry (Турин, Италия, 30 мая - 3 июня 2007 г.), 6th Asia Pacific EPR/ESR Symposium (Каирнс, Австралия, 13-18 июля 2008 г.), Central European Conference on Photochemistry (Бад Хофгастайн, Австрия, 10-14 февраля 2008 г.), 49th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference (Асиломар, Калифорния, США, 9-14 Марта 2008 г.), Современные проблемы химической физики (Ереван, Армения, 21-24 октября 2008 г.)
Публикации. Материалы диссертации изложены в 5 статьях, а также в 15 тезисах международных и российских конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 169 наименований, и приложения. Работа изложена на 160 страницах, содержит 84 рисунка и 19 таблиц.
