Магнитный эффект в реакции рекомбинации оксида азота и супероксид аниона

выводы.

1. Создана модельная система для наблюдения и изучения магнитных эффектов в паре играющих важную биологическую роль радикалов NO и О2″, представляющая собой 3-морфолиносиднонимин (SIN-1), который в водном растворе генерирует пару радикалов, и дигидрородамин-123 (DHR-123) — селективный детектор на продукт рекомбинации парыпероксинитрит (ONOO"). Отработана методика наблюдения магнитных эффектов по продукту реакции — специфически окрашенному родамину-123 (RH-123). Определены оптимальные условия проведения эксперимента.

2. Установлено, что выход RH-123 в изучаемой системе зависит от напряженности магнитного поля, при фиксированном поле наблюдаемый магнитный эффект падает с повышением температуры и растет с уменьшением исходной концентрации SIN-1. В максимальном поле 18 Тл, используемом в эксперименте, и стандартных условиях проведения эксперимента (начальная концентрация SIN-1 50 мкМ, начальная концентрация DHR-123 50 мкМ температура 23 °С) достигнут магнитный эффект ф=(5,5±-1,6)%. При повышении температуры до 40 °C магнитный эффект уменьшился до ср=(3,1±-0,7)%, при снижении начальной концентрации SIN-1 до 10 мкМ магнитный эффект увеличился до ф = (7,0±1,3)%.

3. Наблюдаемый магнитный эффект интерпретирован в рамках Ag-механизма в паре радикалов NO и 02'". Магнитный эффект описан в терминах модели для рекомбинации объемных радикальных пар с участием быстрорелаксирующего радикала при наличии побочных каналов гибели радикалов. Рассчитанное увеличение константы скорости реакции рекомбинации N0 и 02″ в поле 18 Тл составляет 17%, времена релаксации и Ag в паре составляют 4,7 пс и 0,86, соответственно.

Вывод для биохимических систем:

Поскольку зафиксированный в данной работе магнитный эффект наблюдается на диффузионных радикальных парах, а времена релаксации, нарушающие исходную корреляцию в паре, очень коротки, следует ожидать наличия магнитных эффектов и в других системах с участием оксида азота и супероксид-аниона, в том числе биохимических системах, таких как КЮ-синтазная система и др. С другой стороны, для наличия магнитных эффектов в паре N0 и О2' требуются достаточно сильные магнитные поля (1−10 Тл). Магнитные поля такой силы может обеспечить либо внешний магнит, как реализовано в настоящей работе, либо присутствие внутреннего усилителя магнитного поля, например, обнаруженных во многих организмах частиц биогенного железа. Также ожидается рост магнитного эффекта для данной пары в структурно-организованных средах вследствие снижения ориентационной подвижности молекулы, что имеет место в клеточных структурах.

1] A.JI. Бучаченко, Р. З. Сагдеев, K.M. Салихов. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях // Наука, Новосибирск — 1978. — с. 279.

2] A.JI. Бучаченко. Спиновая химия // Химия и жизнь — 2005. — Т. 3. — с. 8−13.

3] K.M. Салихов. Лекции по спиновой химии // Унипресс, Казань — 2000. с. 152.

4] U.E. Steiner, Т. Ulrich Т. Magnetic Field Effects in Chemical Kinetics and Related Phenomena // Chem. Rev. — 1989. — V. 89. — P. 51−147.

5] C.B. Grissom. Magnetic Field Effects in Biology: A Survey of Possible Mechanisms with Emphasis on Radical-Pair Recombination // Chem. Rev. — 1995. V. 95.-P. 3−24.

6] T.T. Harkins, C.B. Grissom. Magnetic Field Effects on В12 Ethanolamine Ammonia Lyase: Evidence for a Radical Mechanism // Science — 1994. V. 263. -P. 958−960.

7] A.R. Jones, S. Hay, A.E. Woodward, N.S. Scrutton. Magnetic Field Effect Studies Indicate Reduced Geminate Recombination of the Radical Pair in Substrate-Bound Adenosylcobalamin-Dependent Ethanolamine Ammonia Lyase // J Am Chem Soc. -2007.-V. 129.-P. 15 718−15 727.

8] A.I. Kruppa, M.B. Taraban, T.V. Leshina, E. Natarajan, S.B. Grissom. // Inorg. Chem. — 1997. — V. 36. — № 5. — P. 758−759,.

9] A.C. Moller, A. Lunding, L.F. Olsen. Further studies of the effect of magnetic fields on the oscillating peroxidase-oxidase reaction // Phys. Chem. Chem. Phys. -2000. — V. 2. — № 15. — P. 3443−3446.

10] M.S. Afanasyeva, M.B. Taraban, P.A. Purtov, T.V. Leshina, C.B. Grissom. Magnetic Spin Effects in Enzymatic Reactions: Radical Oxidation of NADH by Horseradish Peroxidase // J. Am. Chem. Soc. — 2006. — V. 128. — P. 8651−8658.

11] М. С. Афанасьева, П. А. Пуртов, М. Б. Тарабан, Т. В. Лешина, Ч. Б. Гриссом. Исследование фотоокисления NADH, катализируемого пероксидазой из хрена, методом химической поляризации ядер // Изв. РАН., Сер хим.-2006. Т. 7. с. 1090−1094.

12] A.JI. Бучаченко. Новая изотопия в химии и биохимии // Наука, Москва -2007.-с. 189.

13] A.JI. Бучаченко, Д. А. Кузнецов. Ядерно-магнитное управление синтезом энергоносителей в живых организмах // Вестник РАН — 2008. — Т. 78. — № 7. -с. 579−583.

14] A.L. Buchachenko, D. Kuznetsov. Magnetic Field Affects Enzymatic ATP Synthesis // J. Am. Chem. Soc. — 2008. — V. 130.№ 39. — P. 12 868−12 869.

15] R.E. Blankenship, T.J. Schaafsma, W.W. Parson. Magnetic Field Effects on Radical Pair Intermediates in Bacterial Photosynthesis // Biochim. Biophys. Acta. — 1977. — V. 461. — P. 297−305.

16] K. Maeda, K.B. Henbest, F. Cintolesi, I. Kuprov, C.T. Rodgers, P.A. Lidell, et al. Chemical compass model of avian magnetoreception // Nature — 2008. — V. 453. -P. 387−390.

17] O.A. Snytnikova, Y.P. Tsentalovich, R.Z. Sagdeev. Laser Flash Photolysis and Time-Resolved CIDNP Study of Photochemical Reaction between Aqueous Tryptophan and Nucleotides // Appl. Magn. Reson. — 2004. — V. 26. — P. 183−195.

18] P.J. Hore, S.L. Winder, C.H. Roberts, C.M. Dobson. Stopped-flow photo-CIDNP observation of protein folding // J. Am. Chem. Soc. — 1997. — V. 119. — P. 5049.

19] N.E. Polyakov. T.V. Leshina, L. Kispert. Electron Transfer Mediated Geometrical cis-trans Isomerization of Polyenes // RIKEN Rev. — 2002. — V. 44. -P. 140−142.

20] O.B. Morozova, A.S. Kiryutin, R.Z. Sagdeev, A.V. Yurkovskaya. Electron transfer between guanosine radical and amino acids in aqueous solution. 1.

Reduction of guanosine radical by tyrosine // J. Phys. Chem. B. — 2007. — V. 111.-P. 7439−7448.

21] A.A. Ванин. Оксид азота — регулятор клеточного метаболизма // Соровский образовательный журнал — 2001. — Т. 7. — № 11. — с. 7−12.

22] A.A. Сосунов. Оксид азота как межклеточный посредник // Соровский образовательный журнал — 2000. Т. 6. — № 12. с. 27−34.

23] Н. К. Зенков, В. З. Панкин, Е. Б. Меньщикова. Окислительный стресс. Биохимический и патофизиологический аспекты // МАИК Наука/Интерпериодика, Москва — 2001. с. 343.

24] G. Herzberg. Molecular spectra and molecular structure: I. Spectra of diatomic molecules // Van Nostrand Reinhold, New York — 1950. — P. 219.

25] U.E. Steiner, D. Bur? ner. Theoretical Treatment of Magnetic Field Dependent In-Cage Backward Electron Transfer During Photooxidation of Ru (II) Complexes // Z. Physik. Chem. N F. — 1990. V. 169. — P. 159 — 180.

26] P. Gilch, M. Linsenmann, W. Haas, U.E. Steiner. Magnetic field effect on photooxidation efficiency of ferrocene // Chem. Phys. Lett. — 1996. — V. 254. — P. 384−390.

27] E.V. Gorelik, N.N. Lukzen, R.Z. Sagdeev, U.E. Steiner UE. Application of integral encounter theory to account for the spin effects in radical reactions. I. Ag and spin relaxation effects on recombination kinetics of free radicals // Chem. Phys. — 2000. — V. 262. — P. 303−323.

28] M. Feelisch, J. Ostrowski, E. Noack. On the mechanism of NO release from sydnonimines // J. Cardiovas. Pharmacol. — 1989. — V. 14. — № 11. — P. 13−22.

29] R.J. Singh, N. Hogg, J. Joseph, E. Konorev, B. Kalyanaraman. The Peroxynitrite Generator, SIN-1, Becomes a Nitric Oxide Donor in the Presence of Electron Acceptors // Arch. Biochem. Biophys. — 1999. — V. 361. — № 2. — P. 331 339.

30] M. Trujillo, М. Naviliat, M.N. Alvarez, G. Peluffo, R. Radi. Peroxynitrite biochemistry: formation, reactions and detection // Analusis — 2000. V. 28. — № 6. -P. 518−527.

31] S. Goldstein, J. Lind, G. Merenyi. Chemistry of peroxynitrites as compared to peroxynitrates // Chem. Rev. — 2005. — V. 105. — № 6. P. 2457−2470.

32] J. Bargon, H. Fischer, U. Johnson. Kernresonanz-Emissionslinien Wahrend Rascher Radikalreaktionen. I. Aufnahmeverfahren und Beispiele // Z. Naturforsch. A. — 1967.-V. 22.-P. 1551−1555.

33] J. Bargon, H. Fischer. Kernresonanz-Emissionslinien Wahrend Rascher Radikalreaktionen. 2. Chemisch Induzierte Dynamische Kernpolarisation // Z. Naturforsch. A. — 1967. — V. 22. -P. 1556−1560.

34] R.W. Fessenden, R.N. Schuler. Electron Spin Resonance Studies of Transient Alkyl Radicals //J. Chem. Phys. — 1963. -V. 39. — P. 2147−2195.

35] G. Closs. A mechanism explaining nuclear spin polarizations in radical combination reactions // J. Am. Chem. Soc. — 1969. — V. 91. — P. 4552-^1554.

36] R. Kaptein, J.L. Oosterhoff. Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization. II. (Relation with anomalous ESR spectra) // Chem. Phys. Lett. -1969. V. 4.-P. 195−197.

37] R. Kaptein, J.L. Oosterhoff. Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization. III. (Anomalous multiplets of radical coupling and disproportionation products) // Chem. Phys. Lett. — 1969. — V. 4. — P. 214−216.

38] R.G. Lawler, G.T. Evans. Some chemical consequences of magnetic interactions in radical Pairs // Ind. Chim. Belg. — 1971. — V. 36. — P. 1087−1089.

39] P. 3. Сагдеев, T.B. Лешина, M.A. Камха и др. Влияние магнитного поля на соотношение продуктов реакции пентафторбензилхлорида с n-C4H9Li // Изв. АН СССР, Сер. Хим. — 1972. -№ 9. — с. 2128—2129.

40] Р. 3. Сагдеев, K.M. Салихов, Т. В. Лешина и др. Влияние магнитного поля на радикальные реакции // Письма в ЖЭТФ — 1972. Т. 16. — с. 599−602.

41] A.JI. Бучаченко, Э. М. Галимов, В. В. Ершов и др. Обогащение изотопов, индуцированное магнитными взаимодействиями в химических реакциях // ДАН СССР — 1976. V. 228. — с. 379−382.

42] Ю. Н. Молин, Р. З. Сагдеев. Магнитные и изотопные эффекты в реакциях с участием свободных радикалов и возбужденных молекул // Доклад на Всесоюзной конференции по химической кинетике, посвященной 80-летию акад. Н. Н. Семенова. М. — 1976.

43] А. Кэррингтон, Э. Мак-Лечлан. Магнитный резонанс и его применение в химии // Мир, Москва — 1970. с. 447.

44] D. Bur? ner, U.E. Steiner. Spin Chemistry of Ru (H)-Trisdiimine Complex Photooxidation in Magnetic Fields up to 17.5 Tesla // Coord. Chem. Rev. — 1994. V. 132.-P. 51−56.

45] P.W. Atkins, D.Kivelson. ESR linewidth in solution. II. Analysis of spin-rotational relaxation data // J. Chem. Phys. — 1966. — V. 44. — № 1. P. 169−174.

46] Y.A. Serebrennikov, U.E. Steiner. Adiabatic rotation of effective spin (ARES). II. Spin-Rotational Relaxation // J. Chem. Phys. — 1994. V. 100. — P. 7508−7514.

47] U.E. Steiner, Y.A. Serebrennikov. Adiabatic rotation of effective spin (ARES). I. New Insight into Spin-Rotational Interaction // J. Chem. Phys. — 1994. -V. 100. P. 7503−7507.

48] M. Feelisch. The use of nitric oxide donors in pharmacological studies // Naunyn-Schmiedeberg's Arch. Pharmacol. — 1998. V. — 358. — P. 113−122.

49] E. Ackermann. Zur Pharmakologie der Sydnone und Sydnonimine // Pharmazie — 1967. — V. 22. — P. 537−542.

50] F.H.C. Stewart. The chemistry of the sydnones // Chem. Rev. — 1964. — V. 64. -P. 129−147.

51] J. Sugimoto, N. Syoji, K. Mizuno, M. Morita. Increase in Ca (Mg)-ATPase activity induced by a molsidomine derivative (SIN-IA) and nitroglycerin in microsomal fraction of guinea-pig thoracic aorta // Jpn. Cire J. — 1984. — V. 48. -P. 1091−1096.

52] E. Bohme, G. Grossmann, J. Herz, A. Mulsch, C. Spies, G. Schultz. Regulation of cyclic GMP formation by soluble guanylate cyclase: stimulation by NO-containing compounds // Adv. Cyclic Nucleotide Protein Phosphorylation Res. — 1984. — V. 17.-P. 259−266.

53] M. Feelisch, E. Noack. Correlation between nitric oxide formation during degradation of organic nitrates and activation of guanylate cyclase // Eur. J. Pharmacol.-1987.-V. 139.-P. 19−30.

54] H Bohn, K. Schonafinger. Oxygen and oxidation promote the release of nitric oxide from sydnonimines // J. Cardiovas. Pharmacol. — 1989. — V. 14. — № 11. — P. S6−12.

55] N. Hogg, V.M. Darley-Usmar, M.T. Wilson, S. Moncada. Production of hydroxyl radicals from the simultaneous generation of superoxide and nitric oxide // Biochem. J. — 1992. V. 281. — № 2. — P. 419−424.

56] M. Keim, J. Schrader. Nitric oxide release from the isolated guinea pig heart // Eur. J. Pharmacol. — 1988. — V. 155. — № 3. — P. 317−321 1.

57] T. Ullrich, S. Oberle, A. Abate, H. Schroder. Photoactivation of the nitric oxide donor SIN-1 // FEBS Lett. — 1997. — V. 406. P. 66−68.

58] A. Schrammel, S. Pfeiffer, K. Schmidt, D. Koesling, B. Mayer. Activation of Soluble Guanylyl Cyclase by the Nitrovasodilator 3-Morpholinosydnonimine Involves Formation of S-Nitrosoglutathione // Mol. Pharmacol. — 1998. V. 54. — P. 207−212.

59] Y. Asahi, K. Shinozaki, M. Nagaoka. Chemical and kinetics study on stabilities of 3-morpholinosydnonimine and its n-ethoxycarbonil derivative // Chem. Pharm. Bull. — 1979. — V. 19. — № 6. — P. 1079−1088.

60] T. Nauser, W.H. Koppenol. The Rate Constant of the Reaction of Superoxide with Nitrogen Monoxide: Approaching the Diffusion Limit // J. Phys. Chem. A.

2002. — V. 106. — № 16, — P. 4084−4086.

61] H. Botti, M.N. Moller, D. Steinmann, T. Nauser, W.H. Koppenol, A. Denicola, et al. Distance-Dependent Diffusion-Controlled Reaction of NO and 02″ at Chemical Equilibrium with ONOO // J. Phys. Chem. B. — 2010. — V. 114. — P. 16 584−16 593.

62] S. Dikalov, M. Skatchkov, E. Bassenge. Spin trapping of superoxide radicals and peroxynitrite by l-hydroxy-3-carboxy-pyrrolidine and l-hydroxy-2,2,6, 6-tetramethyl-4-oxo-piperidine and the stability of corresponding nitroxyl radicals towards biological reductants // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 1997. — V. 231.-P. 701−704.

63] N.W. Kooy, J.A. Royall, J.S. Beckmann. Peroxynitrite-mediated oxidation of dihydrorhodamine 123 //Free Radical Biol. Med. — 1994. — V. 16. — P. 149−156.

64] J.A. Royall, H. Ischiropoulos. Evaluation of 2', 7'-dichlorofluorescin and dihydrorhodamine 123 as fluorescent probes for intracellular H202 in cultured endothelial cells // Arch. Biochem. Biophys. — 1993. — V. 302. — P. 348−355.

65] L.M. Henderson, J.B. Chappell. Dihydrorhodamine 123: a fluorescent probe for superoxide generation? // Eur. J. Biochem. — 1993. — V. 217. — P. 973−980.

66] B.H.J. Bielski, D.E. Cabelli, R.L. Arudi, A.B. Ross. Reactivity of H02/02″ radicals in aqueous solution // J. Phys. Chem. Ref. Data — 1985. — V. 14. — P. 10 411 100.

67] S.S. Kumar, K.I. Priyadarsini, K.B. Sainis. Inhibition of Peroxynitrite-Mediated Reactions by Vanillin // J. Agric. Food Chem. — 2004. — V. 52. — P. 139 145.

68] J. Glebska, W.H. Koppenol. Peroxinitrite-mediated oxidation of dichlorodihydrofluorescein and dihydrorhodamine // Free Radical Biol. Med.

2003. — V. 35. — № 6. — P. 676−682.

69] D. Jourd’heuil, F.L. Jourd’heuil, P. S. Kutchukian, R.A. Musah, D.A. Wink, M.B. Grisham. Reaction of Superoxide and Nitric Oxide with Peroxynitrite IMPLICATIONS FOR PEROXYNITRITE-MEDIATED OXIDATION REACTIONS IN VIVO // J. Biol. Chem. — 2001. — V. 276. — № 31. — P. 2 879 928 805.

70] Л. Д. Ландау, E.M. Лнфшиц. Теоретическая физика. III. Квантовая механика // Наука, Москва — 1989. — 768.

71] W. Kanzig, М.Н. Cohen. Paramagnetic resonance of oxygen in alkali halides // Phys. Rev. Lett. — 1959. V. 3. — № 11. — P. 509−510.

72] A.M. Volodin, K.A. Dubkov, A. Lund A. Direct ESR detection of S=3/2 states fornitrosyl iron complexes in FeZSM-5 zeolites // Chem. Phys. Lett. — 2001. -V, 333.-№ 1.-P. 41−44.

73] A.M. Volodin, G.M. Zhidomirov, K.A. Dubkov, E.J.M. Hensen, R.A. van Santen. Spin design of iron complexes on Fe-ZSM-5 zeolites // Catalysis today -2005.-V. 110.-№. 3−4.-P. 247−254.

74] S.E. Malykhin, A.M. Volodin, G.M. Zhidomirov. Spin states of iron-nitrosyl adsorption complexes formed in Fe-ZSM5 zeolites// Appl. Magn. Reson. — 2008. -V. 33. -№ l.-P. 153−166.

75] Н. В. Мезенцева, А. Ф. Бедило, А. М. Володин. Использование анион-радикалов 02~ в качестве спиновых зондов для тестирования нанострктурированных материалов на основе оксида циркония // Журнал физической химии — 2006, — Т. 80. — № 7. — с. 1239−1243.

76] M.C.R. Symons. Electron spin resonance studies of inorganic radicals. Magn. Reson. Chem. — 1995. — V. 33. — P. S3-S13.

77] C.L. Gardner, M.A. Weinberger. Electron spin resonance spectra of nitric oxide adsorbed on zeolites // Can. J. Chem. — 1970. — V. 48. — P. 1318−1322.

78] T. Rudolf, A. Poppl, W. Hofbauer, D. Michel. X, Q and W band electron paramagnetic resonance study of the sorption of NO in Na-A and Na-ZSM.5 — zeolites // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2001. — V. 3. — P. 2167−2173.

79] H.R. Zeller, W. Kanzig. Die elektronische Struktur des 02″ -Zentrums in den Alkalihalogeniden // Helv. Phys. Acta — 1967. — V. 40. — P. 845−855.

80] H.J. Bielski, J.M. Gebicki. Generation of Superoxide Radicals by Photolysis of Oxygenated Ethanol Solutions // J. Am. Chem. SOC — 1982. — V. 104. — P. 796 798.

81] P.A. Narayana, D. Suryanarayana, L. Kevan. Electron spin-echo studies of the solvation structure of 02″ in water // J. Am. Chem. Soc — 1982. — V. 104. — P. 35 523 555.

82] D. Kivelson. Rotational correlation times for small molecules in liquids. In: Dorfmuller T, Pecora R, eds. Rotational dynamics of small and macromolecules // Springer, HeidelbergVerlag — 1987. — V. 293.

83] C.-M. Hu, R. Zwanzig. Rotational friction coefficients for spheroids with the slipping boundary conditions // J. Chem. Phys. — 1974. — V. 60. — № 11. — P. 43 544 357.

84] H.W. Spiess, D. Schweitzer, U. Haeberlen, K.H. Hausser. Spin-rotation interaction and anisotropic chemical shift in 13CS2 // J. Magn. Reson. — 1971. V. 5. -P. 101−108.

85] H.J. Bakker, Y.L.A. Rezus, R.L.A. Timmer. Molecular Reorientation of Liquid Water Studied with Femtosecond Midinfrared Spectroscopy // J. Phys. Chem. A. — 2008.-V. 112.-№ 46.-P. 11 523−11 534.

86] R.G. Mints, A.A. Pukhov. The influence of paramagnetic impurities on magnetic effects in radical reactions // Chem. Phys. — 1984. — V. 87. — P. 467−472.

87] K. Schulten, H. Staerk, A. Weller, H.J. Werner, B. Nickel. Magnetic-Field Dependence of Geminate Recombination of Radical Ion-Pairs in Polar-Solvents // Z. Phys. Chem. Neue Fol. — 1976. -V. 101. — № 1−6. — P. 371−390.

88] V.G. Kharitonov, A.R. Sundquist, V.S. Sharma. Kinetics of Nitric Oxide Autoxidation in Aqueous Solution I I J. Biol. Chem. — 1994. — V. 269. — № 8. — P. 5881−5883.

89] J. Butler, B. Halliwell. Reaction of iron-EDTA chelates with the superoxide radical // Arch. Biochem. Biophys. — 1982. — V. 218. — № 1. — P. 174−178.