ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2013, том 32, № 2, с. 34-37
КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, КАТАЛИЗ
УДК 535.71
ИЗОТОПНЫЙ КАТАЛИЗ И ИЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗ © 2013 г. С. Е. Архангельский1, Ю. А. Карпов2, Г. Г. Главин2, Д. А. Кузнецов3, А. Л. Бучаченко3, *
Московский государственный медицинский университет им. Н.И. Пирогова 2Государственный научно-исследовательский институт редких металлов (Гиредмет), Москва 3Институт проблем химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*E-mail: abuchach@chph.ras.ru, ctac@mail.ru Поступила в редакцию 19.11.2012
Изотопы с магнитными ядрами в 2-3 раза ускоряют биохимические реакции синтеза аденозинтри-фосфата. Такой изотопный эффект, при котором изотопы в реагирующей системе сохраняются, назван изотопным катализом. Он обнаружен в ферментативных реакциях, катализируемых ионами магния, цинка и кальция. Изотопный катализ чувствителен к парамагнитным примесям, которые подавляют катализ. Показано, что присутствие парамагнитных ионов железа разрушает изотопный эффект и выключает изотопный катализ синтеза аденозинтрифосфата.
Ключевые слова: изотопный эффект, изотопы, изотопный анализ.
DOI: 10.7868/S0207401X13020143
Изотопы являются носителями памяти о рождении и преобразовании молекул и потому они занимают универсальное, значимое место в химии, биологии, геохимии, искусстве, археологии, экологии, энергетике, медицине. Службу памяти изотопы несут в двух функциях. Во-первых, они участвуют в создании памяти, в ее запасании — через изотопные эффекты в актах рождения и преобразования молекул; во-вторых, они наследники и хранители памяти, они выступают как метки и индикаторы, как свидетели химических событий. Фракционирование изотопов в химических, геохимических, космохимических и биохимических реакциях, индуцированное изотопными эффектами, основано на двух фундаментальных свойствах атомных ядер — масса и магнитный момент. Классический, масс-зависящий изотопный эффект сортирует изотопные ядра по их массам, магнитный изотопный эффект фракционирует ядра по их магнитным моментам. Первый символизирует старую, классическую изотопию, второй открывает новую, магнитную изотопию. Летоисчисление первого началось еще в 1913 г. от Астона, второй открыт в 1976 г. [1, 2].
Новая функция изотопов обнаруживается в ферментативном катализе, в частности, в синтезе молекулярных энергоносителей — нуклеотид-трифосфатов — в живых организмах. Он осуществляется ферментами — молекулярными машинами, которые работают только в присутствии катализаторов — ионов магния. Но если в фер-
ментах заменить магний природного состава (79% 24М§, 10% 25М§, 11% 26М§) чистой изотопной формой 25М§, то производство энергоносителей возрастает в 2-3 раза [3, 4]. Это открытие послужило основой создания новых медицинских средств от гипоксии и сердечной недостаточности [5].
Ясно, что такой изотопный эффект не является классическим, масс-зависимым: он одинаков для ферментов с немагнитными ядрами 24М§ и 26 М§, но аномально велик для 25М§. Из трех стабильных изотопов магния 24,25,26М§ только 25М§ является магнитным и изотопная аномалия ферментов с 25М§ означает, что при функционировании ферментов работает другой, магнитный изотопный эффект, в котором скорость реакций зависит от магнитного момента ядер реагирующих частиц. Физика этого изотопного эффекта хорошо известна и связана с сохранением электронного углового момента (спина) в химических реакциях [1, 2].
Магнитный изотопный эффект есть по существу ядерно-магнитный контроль химической реакции, средство изотопного управления биохимическими процессами. Он обнаруживается в ферментативном катализе не только ионами магния, но также ионами цинка и кальция [3]. Сами ионы сохраняются неизменными и не расходуются, т.е. они являются классическими катализаторами, каталитическая активность которых определяется магнитным моментом изотопного ядра
иона-катализатора. Это замечательное явление можно определить как изотопный катализ.
Как всякий катализ, изотопный катализ подвержен сильному и часто трудно контролируемому влиянию химических примесей и загрязнений. В частности, изотопный катализ, как явление магнитной природы, зависит от парамагнитных примесей; присутствие последних может просто уничтожить изотопный катализ как явление. Так, недавно было заново исследовано влияние изотопного замещения магния на каталитическую активность креатин киназы — фермента, синтезирующего аденозин-трифосфат (АТФ) в живых организмах [6]. Авторы не нашли изотопного эффекта 25М§, который ранее был обнаружен для многих ферментов, включая главный — АТФ-синтазу [3]. Однако М§С12 (и природный, и обогащенный магнитным изотопом 25М§), использованный авторами [6], содержал примесь парамагнитных ионов железа на уровне 2—3%. Это количество оказалось достаточным, чтобы уничтожить изотопный катализ в синтезе АТФ.
Чтобы убедиться в таком заключении, мы выполнили две серии экспериментов. В первой серии сравнивали каталитическую активность креатин киназы с природным *М§С12 и с 25М§С12, обогащенным магнитным изотопом 25М§, причем содержание хлористого железа в обоих образцах было пренебрежимо мало и не превосходило 5 ррт (0.8 • 10-4 мМ). В другой серии мы использовали ту же пару образцов, но намеренно загрязнили их, добавив такие же количества хлорида железа как в работе [6] (14.6 мкг/мл FeC12 в *М§С12 и 9.7 мкг/мл FeC12 в 25М§С12). Результаты представлены в табл. 1.
Скорость синтеза АТФ измерялась в мМ АТФ/мин • г креатин киназы с точностью 5%; содержание 25М§ в 25М§С12 составляла 98.6%. Таблица 1 однозначно показывает, что изотопный катализ работает лишь в присутствии чистого хлорида магния (первая строчка таблицы): хлорид с магнитными ядрами 25М§ почти в три раза активнее, чем природный хлорид. В присутствии FeC12 (вторая строка таблицы) изотопный эффект отсутствует, т.е. примесь железа полностью уничтожает изотопный катализ.
Позднее авторы [6] опубликовали поправку [7]: они заявили, что в их статье [6] указано неверное содержание железа. Опять мы выполнили две серии экспериментов. В первой серии сравнивали каталитическую активность креатин киназы с природным *М§С12 и с 25М§С12, обогащенным магнитным изотопом 25М§, причем содержание хлористого железа в обоих образцах по-прежнему было пренебрежимо мало и не превосходило
Таблица 1. Скорость синтеза АТФ креатин киназой с чистым MgCl2 и с MgCl2 в присутствии FeCl2
Хлорид магния *МБС12 25МБС12
М§С12 чистый М§С12 с FeC12 10.2 8.5 29.4 7.9
Таблица 2. Скорость синтеза АТФ креатин киназой с чистым MgCl2 и с MgCl2 в присутствии FeCl2
Хлорид магния *МБС12 25МБС12
М§С12 чистый М§С12 с FeC12 9.6 8.6 27.9 12.2
5 ррт (0.75 • 10-4 мМ). В другой серии мы использовали ту же пару образцов, но намеренно загрязнили их, добавив количества хлорида железа, указанные в работе [7] (0.05 мкг/мл FeC12в *М§С12 и 0.36 мкг/мл FeC12 в 25М§С12). Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2 однозначно показывает, что изотопный катализ работает лишь в присутствии чистого хлорида магния (первая сточка таблицы): хлорид с магнитными ядрами 25М§ почти в три раза (27.9/9.6) активнее, чем природный хлорид. В присутствии малых количеств FeC12 (они в 30 раз меньше, чем в предыдущем случае, см. табл. 1) изхотопный эффект составляет лишь 1.4 (12.2/8.6), т.е. сильно, почти вдвое, уменьшается. Ясно, что даже малая примесь железа (на уровне 100—200 ррт) вдвое уменьшает изотопный эффект, но не уничтожает его полностью (вторая строка табл. 2). Заметим, что если бы авторы [7] действительно выполнили эксперименты в заявленных ими условиях (0.05 мкг/мл FeC12 в *М§С12 и 0.36 мкг/мл FeC12 в 25М§С12), они должны были наблюдать тот же, уменьшенный вдвое, изотопный эффект, который приведен в табл. 2.
Ясно, что задача обнаружения изотопного катализа и его использования в химии и биохимии прямо связано с аналитической частотой изотопных материалов. Для анализа изотопнообогащенных оксидов 24М§0, 25М§0 и 26М§0, а также природных *М§0 и *М§С12 применялся искровой масс-спек-тральный метод (88М8) [8]. С помощью этого метода исследован полный элементный состав с высокой чувствительностью до 10-6 ат. % (масс-спектрометр JMS-01 JEOL, Япония).
Из исследуемого материала путем прессования в алюминиевую капсулу была изготовлена мишень в форме диска. Мишень, установленная в ионный источник масс-спектрометра, служит одним из электродов искрового высокочастотного
36
АРХАНГЕЛЬСКИЙ и др.
Таблица 3. Содержание основных примесей (в ¡цлн)
24МБО 25МБО 26МБО *МБО
Мп 0.8 <0.1 2.0 0.07
Fe 30.0 5.0 40.0 0.3
Со <0.05 0.2 <0.05 <2.0
№ <0.05 3.0 3.0 <3.0
Си 30.0 3.0 7.0 <3.0
7п 15.0 8.0 7.0 <0.6
разряда. Другим электродом разряда является танталовая игла. При искровом разряде в ионно-электронную плазму переходит материал мишени. В источнике ионов система ионных линз обеспечивает экстракцию положительно заряженных ионов из плазмы, ускорение ионов до 30 кВ и направление ионного пучка в масс-анализатор систе-
мы Маттауха—Герцога. В плоскости фокуса анализатора установлена ионно-чувствительная фотопластинка, на которую одновременно регистрируется масс-спектр элементов от Li до и. Такая система регистрации позволяет проводить полный качественный и количественный анализ состава исследуемых материалов.
В табл. 3 приведено содержание основных примесей (в весовых миллионных долях) в тех изотопных материалах, которые использовались нами в исследованиях биохимических изотопных эффектов. Эта таблица включает лишь состав наиболее "опасных", т.е. парамагнитных примесей; их количества значительно меньше того предела, когда их присутствие может влиять на биохимию и изотопные эффекты.
Этим методом выполнен полный анализ изотопных оксидов 24МбО, 25МбО, 26МбО и оксида природного изотопного состава. Для примера в
Таблица 4. Результаты анализа примесей в оксиде 25MgO*
Элемент ррт масс Элемент ррт масс Элемент ррт масс
Н ND 7п 8 Рг <0.2
О 0.4 Ga <0.05 № <0.2
Ве <0.02 Ge <0.05 Sm <0.2
В 8 АБ <0.05 Ей <0.!
С N0 8е <0.05 са <0..
N N0 Вг <0.5 ТЬ <0..
О основа Щ> <0.5 Dy <0..
Б 60 8г 3 Но <0..
№ 40 Y <0.1 Ег <0.2
МБ основа 7г <0.1 Т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.