Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико- биолгические применения

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ.

РОЛЬ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАТОЛОГИИ.

Свободные радикалы являются частицами, имеющими неспаренные электроны. Они могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными и нейтральными, и все три типа радикалов играют важную роль.

Радикалы имеют различную реакционную способность, зависящую, как и в случае других химических частиц, от температуры и концентрации окружающих молекул. Некоторые свободные радикалы удивительно стабильны. Примерами могут служить нитроксиды, которые используют в опытах со спиновыми метками и получают путем присоединения радикалов к нитронам.

Существует четыре типа процессов, в которых получаются свободные радикалы:

1) мономолекулярный гомолиз молекул, в которых имеются необычно слабые связи (так называемых инициаторов);

2) радиолиз;

3) фотолиз;

4) одноэлектронный перенос с ионов переходных металлов на органические соединения.

Кроме того, необходимо учитывать действие веществ, загрязняющих среду, таких, как озон, NO₂, синглетный кислород. Эти вещества могут вести себя как инициаторы. Кроме того имеются ферментативные процессы, в которых могут образовываться свободные радикалы.

Обнаружение свободных радикалов возможно с помощью метода ЭПР и ЯМР.

С помощью ЭПР-спектроскопии в сочетании с другими методами исследования было установлено, что свободные радикалы и другие парамагнитные частицы (преимущественно металлокомплексы) принимают участие в важнейших процессах жизнедеятельности клетки. Кроме того, активные свободнорадикальные частицы могут возникать в окружающей живые организмы среде, например, при действии света или проникающей радиации. Эти радикалы оказывают различного рода нежелательное действие на организмы, что может приводить к патологическим изменениям или к гибели организмов. Например, получающийся в ферментативных реакциях гидроксильный радикал (OH) может в некоторых условиях вызывать патологические процессы.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Применение ЭПР-спектроскопии в биологии и медицине.

Основу магниторезонансных методов составляет поглощение энергии электромагнитных волн микроволнового и радиочастотного диапазонов в присутствии внешнего постоянного магнитного поля. Первые эксперименты на конденсированных образцах были ыполнены в СССР Завойским Е.К. в 1944 году. Дальнейшее быстрое развитие эти методы получили благодаря успехам, достигнутым в микроволновой технике (Блох и Парселл).

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней. Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

Ядра, как и электроны, характеризуются собственным моментом количества движения (спином), который квантуется (то есть принимает не все, а лишь определенные значения), а также обладают и магнитным моментом.

В зависимости от типа частиц-носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЭПР наблюдается в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами.

Поглощение (или резонанс) происходит, когда величина DE = hn, энергия поставляемая осциллирующим полем, становится равной величине hn = gm_БB_рез, т.е. hn = gm_БB_рез

где g - множитель Ланде (g-фактор), для заданного уровня энергииатома он зависит от квантовых чисел L, j, S;

m_Б = - магнетон Бора;

B - вектор магнитной индукции.

Магнитный резонанс наблюдается, если на частицу одновременно действует постоянное магнитное поле индукции B_рез_. и электромагнитное поле с частотой n.

Из условия (1) видно, что обнаружить резонансное поглощение можно двумя путями: или при неизменной частоте плавно изменять магнитную индукцию, или при неизменной магнитной индукции плавно изменять частоту. Технически более удобным оказывается первый вариант.

Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердого тела и т.п.

Современная методика измерения ЭПР основывается на определении изменения какого-либо параметра колебательной системы, происходящего при поглощении электромагнитной энергии.

Прибор, используемый для этой цели, называют спектрометром ЭПР. Он состоит из:

1 - электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться;

2 - генератор СВЧ-излучения электромагнитного поля;

3 - специальная "поглощающая ячейка", которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор);

4 - электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись ЭПР;

5 - образец;

6 - осциллограф.

Практически на ЭПР-спектрометрах регистрируют не кривую поглощения энергии (E_погл (B)), а ее производную (то есть .

При помощи ЭПР можно изучать лишь объекты, обладающие неспаренными электронами; таковыми являются свободные радикалы и соединения, включающие ионы переходных металлов.

В зависимости от изучаемого объекта можно выделить три основных типа исследований:

- анализ свободных радикалов, в норме присутствующих в живом организме;

- исследования металлопротеидов (белков, содержащих ионы металлов, главным образом железа, меди и реже - марганца);

- исследования парамагнитных меток, искусственно вводимых в изучаемую систему, с тем чтобы установить механизм реакции или место связывания определенного соединения (например, выявить природу активного центра).

Метод спиновых меток - соединений, которые обычно представляют собой различные нитроксильные радикалы, является своего рода способом зондирования крупных молекул.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико- биолгические применения.

Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называют избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):

hn = g_я m_яВ,

где g_я - ядерный множитель Ланде, m_я - ядерный магнетон Бора.

ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:

- кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;

- процессы полимеризации, например, синтетических смол;

- процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;

- определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);

- исследование вязкости смазочных материалов.

Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).

С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.

ЭПР и ЯМР.

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.

Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные части-

цы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.

ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.

_Б × Н

При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи),заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.

Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля n, оставляя постоянной напряженность магнитного поля H_o, либо, напротив, изменять H_o при постоянной n. Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает.

Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.

А- ампула с образцом

М – магнит Г – генератор

У – усилитель

О – осциллограф С - самописец

Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.

ЯМР - томография.

Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.

На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 598; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!