Другие физические методы, применяемые в БНХ

29 Июля в 0:13 1633 0


Огромное значение в БНХ имеют рентгенокристаллографические методы определения структуры белков с металлами, а также другие физические методы их характеристики. Заметное влияние на исследования оказывают также математическое моделирование этих структур и возможности Интернета.

Рентгеноструктурный анализ — наиболее распространенный метод определения структуры веществ. В основе метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решетке. Он позволяет определять атомную структуру вещества, в том числе пространственную группу элементарной ячейки, ее размеры и форму, а также определить группу симметрии кристалла. Для анализа требуются специальные приборы — ренгеновские дифрактометры.

Рентеновские лучи — настолько важное и интересное явление, что за их открытие и использование присуждено беспрецедентное число (13) Нобелевских премий по физике, химии и физиологии-медицине. Среди последних можно назвать премию 1962 г. за открытие структуры ДНК (Д. Уотсон, Ф. Крик, М. Уилкинс), премию 1964 г. за изучение структуры белков, пенициллина и витамина В12 (Д. Кроуфорд-Ходжкин), премию 1985 г. за определение пространственной конфигурации молекул (Х.А. Хауптман) и премию 2009 г. за исследование строения и работы рибосом (А.Е. Йонат, В. Рамакришнан, Д.В. Шостак).

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Отличие сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить «химический сдвиг», который обусловлен химическим строением вещества. Методики ЯМР позволяют определять химическое строение веществ, конформацию молекул, эффекты взаимного влияния и внутримолекулярные превращения.

За применение и использование ЯМР также присуждено несколько Нобелевских премий. Можно отметить премию по физике 1952 г. за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия (Ф. Блох, Э.М. Пёрселл — отметим, что они получили эту премию за открытие, сделанное Е.К. Завойским еще в 1944 г.), премии по химии 1991 г. за вклад в развитие методологии ЯМР-спектроскопии высокого разрешения (Р. Эрнст) и 2002 г. за разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трёхмерной структуры биологических макромолекул в растворе (К. Вютрих), премию по физиологии-медицине 2003 г. за изобретение метода магнитно-резонансной томографии (П. Лотербур, П. Мэнсфилд).

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) был открыт в 1944 г. Е.К. Завойским. Относится к методам радиоспектроскопии, частным случаем метода магнитного резонанса. ЭПР — это резонансное поглощение электромагнитной энергии волн длиной несколько см или мм веществами с парамагнитными частицами. Такими частицами могут быть атомы и молекулы, как правило, с неспаренными электронами (например, атомы N2, Н2, молекулы NO), свободные радикалы (например, CH3) в газовых, жидких и твёрдых фазах, ионы переходных металлов с частично заполненными внутренними электронными оболочками. Парамагнитными частицами могут быть также центры окраски в кристаллах, примесные атомы (например, доноры в полупроводниках) и электроны проводимости в металлах и полупроводниках.

Метод ЭПР обеспечивает уникальную информацию о парамагнитных центрах. В результате его применения получают полную информацию о данном ионе в кристалле: его валентности, координации, локальной симметрии, гибридизации электронов, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полную характеристику поля и детальные сведения о химической связи. Метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. Спектр ЭПР характеризует не только ион в кристалле, но и сам кристалл, так как каждый ион в каждом соединении имеет свои уникальные параметры.

Это свойство используют в методе спиновых меток и зондов, при котором в исследуемую систему вводят стабильный парамагнитный центр. В качестве такого парамагнитного центра, как правило, используют нитроксильный радикал. Нобелевских премий за открытие и использование ЭПР пока не присуждали.

Вибрационная спектроскопия, в частности, инфракрасная (ИК-спектроскопия) — один из разделов спектроскопии. Этот метод характеризуется применением спектров испускания, поглощения и отражения в ИК-области спектра. Поскольку в этой области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул, интерес представляют ИК-спектры поглощения, возникающие при прохождении ИК-излучения через вещество. Они избирательны и происходят на частотах, совпадающих с некоторыми собственными частотами колебаний атомов в молекулах вещества и с частотами вращения целых молекул, а у кристаллов — с частотами колебаний кристаллической решётки. В этом случае интенсивность ИК-излучения на этих частотах резко падает — так образуются полосы поглощения. Изучение колебательно-вращательных и исключительно вращательных ИК-спектров позволяет определять структуру молекул, их химический состав, моменты инерции молекул, величины сил, действующих между атомами в молекуле, и т.п. Быстродействующие спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды; их используют при изучении быстропротекающих химических реакций.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (или романовская спектроскопия). Так называется рассеяние оптического излучения на молекулах вещества с изменением его частоты. В итоге в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых не было в спектре возбуждающего света. Число и расположение новых спектральных линий определяется молекулярным строением вещества. Поэтому этот вид спектроскопии эффективен для химического анализа, изучения состава и строения молекул.

Фактически этот эффект (линии комбинационного рассеяния) обнаружили советские физики Г.С. Ландсберг и Л.И. Мандельштам за неделю до того, как его обнаружил C.V. Raman. При этом результат советских физиков был получен на кристаллах кварца и исландского шпата и оказался более чётким, чем у индийских ученых, работавших с жидкостями. Однако статья индийских учёных была опубликована раньше. Этот эффект был назван именем Рамана, ему присудили Нобелевскую премию по физике 1930 г. (Гинзбург, 1998).

Фотоэлектронная (электронная) спектроскопия. Это метод изучения строения вещества, основанный на изучении энергетических спектров электронов при фотоэлектронной эмиссии. По этому спектру определяют энергии связи электронов и их уровней в исследуемом веществе. В этом методе используют монохроматическое рентгеновское или ультрафиолетовое излучение с энергией фотонов от десятков тысяч до десятков эв. Метод требует наличия электронных спектрометров высокого разрешения. Он позволяет исследовать как внешние, так и внутренние электронные оболочки атомов и молекул, зависящих от типа химической связи, и распределение электронов в зоне проводимости.

Электрохимия изучает свойства растворов, расплавов или твердых электролитов, содержащих подвижные ионы, и явления, возникающие на границе двух фаз при переносе электронов и ионов. Электрохимические процессы играют важную роль в жизнедеятельности (окисление-восстановление, передача нервных импульсов). За изобретение и развитие полярографического анализа чешский учёный J. Heyrovsky получил Нобелевскую премию по химии 1959 г.

Существенное значение для бионеорганической химии имеет также биомиметическое моделирование и изучение структуры и функций металлосодержащих комплексов после замены одного металла другим.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73651 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19250 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17042 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы