ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 6, с. 78-83
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 577.152.3
ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МАГНИТОРЕЦЕПЦИИ © 2011 г. У. Г. Шевченко*, В. Л. Бердинский**
Оренбургский государственный университет *E-mail: shevulyana@yandex.ru; ** E-mail: bvl@unpk.osu.ru, vberdinskiy@yandex.ru Поступила в редакцию 04.10.2010
Показано, что магниточувствительными стадиями внутриклеточных процессов могут быть ферментативные реакции с переносом электрона. С целью решения системы уравнений фон-Неймана—Ли-увилля для спиновых матриц плотности участников ион-радикальных ферментативных процессов в клетках предложено использовать квазистационарное приближение. Для Ag-механизма спиновой конверсии ион-радикальных пар субстратов ферментативных реакций рассчитаны магнитно-полевые зависимости скоростей ферментативных процессов. Магнитно-полевые эффекты можно использовать как для доказательства ион-радикального механизма ферментативных реакций, так и для определения их кинетических характеристик.
Ключевые слова: ион-радикальные реакции, ферментативные процессы, магнитные эффекты, магнитное поле, магниточувствительность.
Для решения важной и актуальной научной проблемы влияния магнитных полей на живые организмы необходим ответ на ключевой вопрос — что является "первичным рецептором" магнитного поля? Многочисленные исследования с той или иной степенью надежности показали, что магнитные поля могут влиять практически на все живые организмы: от бактерий до человека. Способность чувствовать магнитное поле Земли и его направление считается возможным объяснением способности некоторых видов перелетных птиц, например ЕпНасш гиЬеси1а, рыб ОпсогНупсНш пвгка, морских черепах СагеШ сагеШ, саламандр Мо1орЫНа1шш у1г-¡йезсет и др., совершать длительные целенаправленные перемещения [1, 2]. Следует отметить, что у некоторых видов про- и эукариот, например бактерий Magnetospiгillum magnetotacticum, обнаружены специальные рецепторы — магнитосомы, содержащие кристаллы магнетита и отвечающие за чувствительность к внешнему магнитному полю, или магнетотаксис [3, 4]. Однако подобные органы не найдены у макроорганизмов, в том числе и у животных. Возможно, что вместо одного универсального механизма существует несколько различных физико-химических механизмов действия внешнего магнитного поля на живые системы. Некоторые из них отвечают за ориентацию организмов по линиям геомагнитного поля. Другие же механизмы биомагниточувствительности связаны с протеканием различных биохимических ферментативных процессов и не влияют на магнитную ориентацию [5—7].
Очевидно, что влияние магнитного поля на биологические системы должно реализоваться через последовательность физических и химических элементарных реакций. Поскольку химические эффекты магнитного поля хорошо известны и надежно установлены для радикальных реакций [8, 9], то именно радикальные реакции стали считаться возможными претендентами на роль "первичных приемников" магнитного поля в живых организмах.
Большинство ферментативных реакций идут без образования свободных радикалов, но ион-радикальные реакции достаточно хорошо известны [10—12]. Однако магнитное поле не способно заметно влиять на химические реакции одиночных радикалов. Его действие ярко проявляется только в актах рекомбинации радикальных пар (РП), где оно способно влиять на их спиновую мультиплет-ность, переводя РП из химически взаимно инертного триплетного состояния в синглетное, которое допускает их рекомбинацию с образованием стабильных диамагнитных продуктов. Но чаще всего ферментативные радикальные реакции идут без образования РП; скорее всего они аналогичны не-разветвленным цепным реакциям, в которых, как известно, магнитные и спиновые эффекты не наблюдаются.
Новые подходы к проблеме биохимического и биологического действия магнитных полей стали возможны после открытий эффектов ядерного спина магнитного изотопа 25М§ на реакции фер-
ментативного фософорилирования in vitro [13—15]. Среди трех стабильных изотопов 24, 25, 26Mg, существующих в природе, лишь ядро 25Mg обладает спином I = 5/2 и магнитным моментом. Магний — биологически важный химический элемент. Он является кофактором при работе более нескольких сотен ферментов в живых организмах [13—16].
Обнаружено, что в реакциях ферментативного фосфорилирования магнитный изотоп магния 25Mg в 2—4 раза увеличивает скорость образования аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — основного источника энергии в живых системах. Эти магнитные изотопные эффекты наблюдались как в реакциях, осуществляемых изолированными ферментами (АТФ-аза, креатинкиназа, глицеро-фосфаткиназа и др.), так и в митохондриях.
Для объяснения магнитных изотопных эффектов 25Mg в ферментативном фосфорилировании предложен ион-радикальный механизм присоединения фосфатных групп к аденозиндифосфорной кислоте (АДФ) с участием иона Mg2+ [15—17]. Ключевым моментом этого механизма является перенос электрона c концевой фосфатной группы АДФ на магний и образование ион-радикальной пары (ИРП) в синглетном состоянии, из которой возможен обратный перенос электрона с восстановлением исходных диамагнитных реагентов. Ядерный спин изотопа магния 25Mg, присутствующий в активном сайте фермента и связанный сверхтонким взаимодействием с одним из неспа-ренных электронов ИРП, переводит ее в триплет-ное состояние, из которого обратный перенос электрона невозможен в силу строгих спиновых запретов. Поэтому из триплетной ИРП возможно только продолжение прямой реакции, т.е. образование продукта, например АТФ. Таким образом, ядерный спин магнитного изотопа способен увеличивать выход продукта ферментативной ион-радикальной реакции, уменьшая вероятность обратного переноса электрона.
Внешнее магнитное поле, так же как ядерный спин магнитных изотопов, способно индуцировать синглет-триплетную конверсию ИРП и, следовательно, изменять скорости прямой и обратной реакций. Поэтому открытие магнитного изотопного эффекта в ферментативных реакциях означает, что магнитное поле тоже способно влиять на аналогичные ион-радикальные ферментативные процессы.
В ферментативных реакциях ион-радикальные пары могут образовываться в результате переноса электрона, подобно электронному транспорту в дыхательных цепях. Перенос электрона осуществляется в фотосинтетических центрах. Известны ферментативные реакции, для протекания которых требуется перенос нескольких электронов, например, терминальная реакция восстановления кислорода цитохром-С-оксидазой, где участвуют
как минимум 4 электрона, поставляемых последовательностью цитохромов [18].
Существует два основных механизма спиновой конверсии ион-радикальных и радикальных пар. Это Д-механизм, обусловленный разностью зее-мановских взаимодействий электронных спинов с внешним магнитным полем, и СТВ-механизм, обусловленный влиянием ядерного спина. В реальных ситуациях действуют оба механизма, но с разной эффективностью. Второй, СТВ-механизм спиновой конверсии ИРП в ферментативных реакциях рассмотрен в [19, 20], поэтому в данной работе будет рассмотрено влияние магнитного поля для Д-механизма взаимодействия электронных спинов.
Цели данной работы:
1) расчет магнитно-полевых зависимостей констант скоростей ферментативных ион-радикальных реакций для Д-механизма спиновой конверсии;
2) анализ информационной значимости магнитно-полевых зависимостей этих констант для изучения механизма ферментативных реакций, оценки констант скоростей элементарных актов ферментативных реакций и определения химических и магнитных характеристик интермедиатов.
Для анализа влияния магнитного поля на ферментативные реакции рассмотрим идеализированную кинетическую схему такой реакции, предложенную в [17] для описания эффектов ядерного спина в процессах ферментативного фосфорили-рования:
А; В в [А+; Б-]^^[А+; В-]т
к-1
к к Продукты Продукты
Здесь А и В — исходные диамагнитные частицы, которые в результате переноса электрона превращаются в синглетную ион-радикальную пару [А* +, В* с константой скорости к1. Для синглетной ион-радикальной пары [А* +, В* возможны три канала эволюции:
1) обратный перенос электрона на акцептор с константой скорости к-1;
2) дальнейший перенос электрона или трансформация субстратов, приводящие к образованию продуктов с константой скорости к;
3) спиновая эволюция, переводящая синглетную ИРП в триплетное состояние [А* +, В* ]Т с частотой ю5Т, определяемой магнитными взаимодействиями неспаренных электронных спинов. Строго говоря, синглет-триплетную конверсию нельзя описывать константой скорости, так как это обратимый периодический процесс.
Подобно синглетным триплетные ИРП способны индуцировать образование продуктов. Если это лимитируется дальнейшим переносом электрона, то допустимо считать, что константа скорости к одна и та же для синглетных и триплетных ИРП. Самым существенным отличием ион-радикальных пар, находящихся в триплетном состоянии, является строгий спиновый запрет обратного переноса электрона, приводящий к восстановлению исходных диамагнитных и незаряженных частиц. Константа скорости к ферментативной реакции может изменяться в зависимости от многих факторов, влияющих на состояние клеток, субклеточных структур и ферментов.
Аналогично системе кинетических уравнений, используемых в обычной химической кинетике, строится система уравнений для спиновых матриц плотности р, характеризующих частицы на разных стадиях реакции:
d АВ
"Р- = - k, рАВ + k_{Tx{Ps р1 Ps), dt
dp
= - ih-'i Др1 ] - k-1 [Psp1 + pPs] -dt 2
/ i / ab - k p + k,p ,
dpP = kp1.
dt
(1)
(2) (3)
синглетное; ион-радикальные пары и продукты ферментативной реакции отсутствуют, поэтому
рAB(0) = |S)(S|,pJ(0) = 0, pP (0) = 0.
Если не учитывать влияние ядерных спинов, то уравнение (1) превращается в скалярное, а спиновый гамильтониан ион-радикальной пары принимает вид
H = g,ß HS, + g2ß HS2 = »S + ®2^г2, (4)
где H — напряженность постоянного внешнего магнитного поля; g1, g2 — g-факторы ион-радикалов A* + и Б* -.
Если каждая ИРП производит одну молекулу продукта, то в реакции, описываемой схемой 1, сохраняется суммарно
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.