CC BY
1Физика Водных Растворов
Приглашенный доклад
ЯДЕРНЫЙ СПИНОВЫЙ КАТАЛИЗ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ БИОСИСТЕМ: МАГНИТНО-ИЗОТОПНЫЕ ЭФФЕКТЫ В КЛЕТКАХ И БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ МОТОРАХ
Кольтовер В.К.
ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, Черноголовка, Московская область, Россия e-mail: [email protected]
В физике и химии магнитные изотопные эффекты (МИЭ) давно известны [1]. Недавно были обнаружены МИЭ в живой природе. Кинетика адаптации клеток бактерий E. col к питательной среде, обогащенной магнитным изотопом магния, 25Mg, идет существенно быстрее по сравнению со средой, обогащенной немагнитным 25Mg [2]. Обнаружены МИЭ в экспериментах с дрожжевыми клетками S. cerevisiae, обогащенными различными изотопами магния. Константа скорости пост-радиационного восстановления клеток, облученных рентгеновскими лучами или коротковолновым УФ излучением, в два раза выше в клетках, обогащенных 25Mg, по сравнению с клетками, обогащенными 24Mg [3].
Более того, каталитические эффекты магнитного изотопа 25Mg обнаружены в реакции гидролиза АТФ, катализируемой миозином - важнейшим молекулярным мотором клеточной биоэнергетики, использующим химическую энергию АТФ для выполнения механической работы. Скорость ферментативного гидролиза АТФ в среде с магнитным 25Mg в два раза выше, чем скорости той же реакцим в средах с немагнитными 24Mg или 26Mg. Аналогичный эффект ядерного спинового катализа обнаружен в экспериментах с цинком в качестве кофактора миозина. Скорость ферментативного гидролиза АТФ в реакционной среде с магнитным изотопом, 67Zn, выше на 40-50% по сравнению со скоростями в средах с немагнитными изотопами, 64Zn или 68Zn [4].
МИЭ однозначно свидетельствует, что в химико-механическом процессе, катализируемом молекулярным мотором, имеется лимитирующая стадия, которая зависит от электронного спинового состояния реагентов, и эта стадия ускоряется ядерным спином магнитного изотопа [1]. Известно, что гидролиз АТФ, катализируемый молекулярным мотором, сопровождается значительной конформационной перестройкой макромолекулы. При этом имеют место дегидратация и регидратация аминокислотных групп. Между тем, существуют два изомера молекул воды, различающиеся по взаимной ориентации ядерных спинов водорода, а именно: ortho-H2O с параллельной ориентацией протонных спинов и para-H2O с антипараллельной ориентацией протонных спинов [5]. Имеются основания полагать, что молекулы ortho-H2O имеют преимущественное сродство к Z-аминокислотам. Перемещение преимущественно связанных молекул ortho-H2O при конформационном превращении макромолекулы затруднено, а спин-вращательные взаимодействия протонов (I = слишком слабы, чтобы обеспечить должную эффективность ortho-para переходов. Магнитные 25Mg (I = 5/2) и 67Zn (I = 5/2) способны устранить спиновый запрет, обеспечивая необходимую скорость конверсии изомеров воды. Детальные механизмы ядерного спинового катализа в биомолекулярных моторах и перспективы применения стабильных магнитных изотопов в медицинской физике - задачи дальнейших исследований.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, тема
Литература:
[1] Я.Б Зельдович. А.Л. Бучаченко. Е.Л. Франкевич. Магнитно-спиновые эффекты в химии и молекулярной физике. Успехи физ. наук, 155, 3-45 (1988).
[2] Л.В. Авдеева, В.К. Кольтовер. Ядерный спиновый катализ в живой природе. Вестн. Моск. ун-та, сер. 2 «Химия», 57, 145-153 (2016).
[3] L.V. Avdeeva, T.A. Evstyukhina, V.K. Koltover, V.G. Korolev, Y.A. Kutlakhmedov. Recovery of the yeast cells from radiation injuries by means of the magnetic isotopes: new trend in anti-radiation biomedicine. Nucl. Phys. Atom. Energy, 20, 271-277 (2019).
[4] В.К. Кольтовер, Р.Д. Лабынцева, В.К. Карандашев. Магнитно-изотопные эффекты магния и цинка в ферментативных реакциях гидролиза АТФ, катализируемых молекулярными моторами. Биофизика, 65, 493-503 (2020).
[5] С.М. Першин. Орто-пара-спин-конверсия Н2О в водных растворах как квантовый фактор парадоксов Коновалова. Биофизика, 59, 1209-1218 (2014).
AAAA-Á19-119071890015-5.
