Введение к работе
Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена разработке новых методов спектроскопии электронного спинового эха (импульсного ЭПР) и изучению с их помощью нитроксильных радикалов, биологических и фотовозбужденных систем. Спектроскопия электронного спинового эха (ЭСЭ) является весьма тонким инструментом для исследования магнитных, структурных и динамических характеристик широкого круга парамагнитных систем. Необходимость разработки новых методов ЭСЭ связана с развитием экспериментальной техники (появлением новых диапазонов рабочих частот и магнитных полей, для которых существующие методы являются малопригодными), а также возникновением новых задач в химических и биологических исследованиях. В частности, весьма важной задачей является разработка методов определения величины магнитного диполь-дипольного взаимодействия между спинами неспаренных электронов (спиновыми метками), в случае, если растояние между ними находится в нанометровом диапазоне, а ширина спектра ЭПР данной системы намного превосходит ширину полосы возбуждения СВЧ-импульсов. Для реализующегося при этом случая дискретной диффузии резонансной частоты развит новый метод дипольной спектроскопии - метод усиления дипольной модуляции вследствие релаксации (Relaxation-Induced Dipolar Modulation Enhancement, RIDME).
Также развитие новых подходов в спектроскопии ЭСЭ, как экспериментальных, так и теоретических, необходимо для изучения спиновой динамики парамагнитных систем в условиях, недостаточно исследованных ранее. Это касается, в частности, спин-коррелированых триплет-радикальных пар в бактериальном фотосинтетическом реакционном центре. При изучении электронной структуры кислород-выделяющего комплекса (КВК) Фотосистемы II растений новые методы спектроскопии ЭСЭ и импульсного двойного электрон-ядерного резонанса были
адаптированы для применения к объекту исследования, представляющему значительный фундаментальный и практический интерес. В то же время, ввиду исключительной сложности строения Фотосистемы II, КВК представляет и чрезвычайные трудности для спектроскопии импульсного ЭПР.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена несомненной полезностью методологических разработок в области спектроскопии ЭСЭ и химической и биологической значимостью объектов, на изучение которых направлены данные разработки.
Основными целями работы являются:
1. Развитие и применение новых методов спектроскопии ЭСЭ для
исследования структуры и динамики нитроксильных спиновых меток.
2. Развитие новых подходов в дипольной спектроскопии в ЭСЭ и их
приложение для определения расстояния между спинами неспаренных электронов нитроксильных спиновых меток в модельных бирадикалах, а также между парамагнитными кофакторами в биологических системах.
3. Уточнение электронной структуры кислород-выделяющего
комплекса Фотосистемы II растений методами спектроскопии ЭСЭ
и ДЭЯР на ядрах марганца.
Научная новизна.
Все исследования в данной диссертационной работе объединены развитием методологии спектроскопии ЭСЭ и принадлежат к одной из следующих категорий:
предложены принципиально новые методы и подходы спектроскопии ЭСЭ, исследованы их особенности и продемонстрировано их применение на конкретных примерах;
известные методы спектроскопии ЭСЭ применены к новым классам систем, что обусловило необходимость проведения исследования информативных возможностей этих методов, а также способов выделения требуемой информации и подавления возможных артефактов.
В диссертационной работе получены новые данные о свойствах нитроксильных спиновых меток, на основе анализа модуляции ЭСЭ в широком диапазоне температур определены аррениусовские параметры скорости вращения метальных группп, экранирующих парамагнитный фрагмент нитроксильного радикала. С использованием эффекта RIDME получена новая информация о строении фермента дыхательной цепи бактерии Vibrio Harveyi Na-транслоцирующей NADH:xhhoh оксидоредуктазы (Na+-NQR). Зарегистрирован сигнал ЭСЭ нового вида -стимулированное ЭСЭ вне фазы в спин-коррелированных триплет-радикальных парах, на основе его анализа получены данные о структуре и динамике бактериальных фотосинтетических реакционных центров. Также получены новые данные об электронной структуре кислород-выделяющего комплекса (КВК) Фотосистемы II растений, определены степени окисления индивидуальных ионов марганца в КВК.
Практическая значимость
Новые методы спектроскопии ЭСЭ, развитые в данной диссертации, позволяют получать важные данные о структуре и динамике парамагнитных спиновых систем. В ряде случаев эти методы обеспечивают более высокую чувствительность, чем традиционные методы, либо позволяют получить более подробную информацию. Так, метод двойного электрон-электронного резонанса (ДЭЭР) с переключением магнитного поля, предложенный в
данной диссертации, является удобной альтернативой двухчастотному ДЭЭР. Метод RIDME, разработанный в данной диссертации, позволяет наблюдать дипольную модуляцию ЭСЭ в случае очень большой ширины спектра ЭПР нерезонансного спина, во много раз превосходящей ширину полосы возбуждения СВЧ-импульсов. В таких условиях наблюдение дипольной модуляции традиционным методом ДЭЭР практически невозможно. В данной диссертационной работе описаны сигналы, ранее не наблюдавшиеся в импульсном ЭПР: стимулированное ЭСЭ вне фазы и спад свободной индукции вне фазы, возникающие в спин-коррелированных радикальных системах. Анализ дипольной модуляции этих сигналов позволяет определять межспиновое расстояние в фотосинтетических триплет-радикальных парах с ранее недоступной точностью. Данные ЭСЭ и импульного ДЭЯР на ядрах марганца в трехсантиметровом и восьмимиллиметровом диапазонах, полученные в данной диссертации, явились надежной основой для определения окислительных состояний ионов марганца в кислород-выделяющем комплексе Фотосистемы II растений. Данная информация необходима для установления механизма фотосинтетического расщепления воды и является весьма актуальной в связи с исследованиями в области искусственного фотосинтеза, интенсивно ведущимися в настоящее время.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо под его руководством. Автор диссертации внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментов, обсуждение результатов, формулировку выводов и подготовку публикаций по теме диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в более чем 30 докладах на российских и международных конференциях и
симпозиумах. В частности, автором были сделаны 8 устных и приглашенных докладов по материалам диссертации на конференциях в области ЭПР и его приложений: в Новосибирске (IV International Conference on Nitroxide Radicals: Synthesis, Properties and Implications of Nitroxides 2005; 5th Asia-Pacific EPR/ESR Symposium, 2006; Sendai-Berlin-Novosibirsk Joint Seminar on Advanced EPR, 2006; Всероссийская молодежная научная школа (с участием иностранных ученых) «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» 2010, Joint Russian-German Seminar "Spin Hyperpolarization: physical principles and Techniques", 2010), в Черноголовке (VII Voevodsky Conference on Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes), Москве (XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики», 2010), Южной Корее (VII Asia-Pacific EPR/ESR Symposium, остров Джеджу, 2010).
Результаты данной работы отмечены медалью РАН с премией для молодых ученых (2004 год) и медалью Международного Общества ЭПР (International EPR Society) лучшему молодому ученому (2007 год).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 статья в рецензируемых зарубежных и отечественных изданиях, а также тезисы более чем 30 докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 289 страниц, включая 71 рисунок, 4 таблицы, список цитируемой литературы содержит 308 наименований.
