Динамика молекул в неупорядоченных средах по данным Эхо-Детектируемого ЭПР нитроксильных спиновых зондов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Кирилина, Евгения Петровна

• Кирилина, Евгения Петровна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кирилина, Евгения Петровна

Введение

1 Литературный обзор: Исследование молекулярных движений методом ЭПР

1.1 Динамика молекул в стеклах.

1.2 Скорость анизотропной релаксации и параметры движения.

1.3 Связь молекулярной подвижности зонда и матрицы.

1.4 Применение ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов.

1.5 Методы расчета спектров ЭПР нитроксильных радикалов.

1.5.1 Медленные движения: уравнение Лиувилля.

1.5.2 Медленные движения: расчет процесса спектральной диффузии

1.5.3 Быстрые движения.

1.6 Дополнительные механизмы спиновой релаксации для нитроксильных радикалов в стеклах.

1.7 Постановка задачи.

2 Теоретическое описание спектров ЭД ЭПР нитроксильных радикалов

2.1 Спектры стационарного ЭПР.•.

2.2 Спектры ЭД ЭПР.

2.2.1 Либрационное движение.

2.2.2 Изотропное движение.

2.2.3 Скачки между двумя положениями.

2.2.4 Флуктуации главных значений g-тeнзopa т^ 2.3 Программа расчета и подгонки спектров стационарного и ЭД ЭПР.

3 Определение времени корреляции движения.

Мультичастотный ЭД ЭПР.

3.1 Экспериментальная часть.

3.2 Результаты и обсуждение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика молекул в неупорядоченных средах по данным Эхо-Детектируемого ЭПР нитроксильных спиновых зондов»

Динамика молекул в неупрядоченых средах - стеклах и полимерах - имеет иерархический характер и происходит в широком диапазоне времен корреляции. Построение полной картины молекулярных движений является фундаментальной задачей статистической физики, кроме того, имеет большое значение для практических задач материаловедения. Детальное исследование динамики молекул в неупорядоченых средах требует развития физических методов специфически чувствительных к молекулярным движениям в различных временных диапазонах.

Настоящая работа посвящена развитию метода изучения молекулярной динамики в стеклах при помощи Эхо-Детектированого (ЭД) ЭПР нитроксильных спиновых зондов и применению этого метода для исследования молекулярных движений в стеклах и биоплимерах. Метод основан на измерении вызванной молекулярными движениями анизотропной поперечной спиновой релаксации, и позволяет детектировать ограниче-ные ориентционные колебания нитроксильных радикалов с временами Ю-6 — Ю-11 с и амплитудами до 0.5 рад.

Целью настоящей работы явилось определение параметров ориентационных движений молекул: определение времени корреляции ориентационных движений в стеклах, геометрии и оси ориентационных движений. Исследование пространственного характера молекулярной динамики - выявление корреляции в движении молекул зонда и матрицы. Большой интерес представляет применение разработанной методики к исследованию молекулярных движений в пептидах, выявление сходств и различий между динамикой молекул в стеклах и биополимерах.

Работа имеет следующую структуру: В главе 1 представлен обзор литературы, посвященной проявлениям молекулярных движений в спектрах ЭПР. Рассмотрены описанные в литературе экспериментальные методики и теоретические методы рачета формы спектров ЭПР в случае быстрых и медленных ориентационных движений радикалов. В Главе 2 описана теоретическая модель, использованная для расчета спектров ЭД ЭПР нитроксильных радикалов при помощи теории магнитной релаксации Рэдфил-да. Выведены аналитические выражения, определяющие ориентационную зависимость скорости поперечной релаксации для нескольких моделей быстрых ограниченых ориентационных движений. Приведен алгоритм работы программы расчета и подгонки спектров ЭД ЭПР.

В Главе 3 разаботанный теоретический аппарат применен для анализа экспериментально полученых спектров ЭД ЭПР нитроксильного радикала соль Фреми в стекле глицерина вблизи температуры стеклования. Возможности современного мультичастотного ЭД ЭПР использованы для определения временной шкалы и геометрии молекулярных движений. Показано, что вблизи температуры стеклования преобладают изотропные ограниченные ориентационные колебания с временами в диапазоне Ю-7 — Ю-10 с. Взаимосвязь динамики нитроксильных зондов и молекул стеклующейся матрицы является предметом Главы 4. Исследована зависимость параметров молекулярных движений от размера и формы нитроксильных зондов, свойств растворителя и температуры. Показано, что амплитуда и время корреляции ориентационных движений ниже температуры стеклования определяются лишь свойствами растворителя и не зависят от размера и формы нитроксильных зондов. Продемонстрировано, что наблюдаемые молекулярные движения в стеклах имеют существенно коллективный характер, т.е. включают одновременную переоринтацию кластера размером несколько нанометров. В Главе 5 продемонстрированы возможности метода ЭД ЭПР спиновых меток для исследования молекулярной динамики белков. На примере пептида трихогина СА IV, меченного в одной или двух позициях нитроксильной меткой, изучены динамические моды белкового остова, локальная подвижность метки и коллективные переориентции всей молекулы трихогина.

Раздел 6 содержит основные результаты работы и положения, выносимые на защиту.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Кирилина, Евгения Петровна

5.5 Заключение

Молекулярные движения пептида трихогин были исследованы при помощи метода ЭД ЭПР нитроксильных спиновых меток. Параметры ориентационного движения молекул трихогина получены на основании анализа скорости анизотропной релаксации, вызванной ориентационным движением меток. Для однократно меченого пептида анизотропная релаксация вызвана флуктуациями g-тeнзopa и анизотропного сверхтонкого взаимодействия. Для двукратно меченного пептида флуктуации диполь-дипольного взаимодействия между метками приводят к дополнительной релаксации. Было обнаружено, что скорость анизотропной релаксации для двукратно меченного пептида существенно увеличена по сравнению с однократно меченым. Проведен теоретический расчет спектров ЭД ЭПР однократно и двукратно меченного пептида для моделей индивидуальных локальных переориентационных движений меток, модели ориентационного движения белкового остова и модели трансляционных флуктуаций меток. Сравнение экспериментальных ЭД ЭПР спектров с результатами расчета показало, что анизотропная релаксация в спектрах ЭД ЭПР спиновых меток вызвана коллективным ориентационным движением белкового остова. Определено произведение амплитуды на время корреляции движения а2тс = 1.6 * 10~14рад2с.

Показано, что метод ЭД ЭПР нитроксильных спиновых меток может быть применен для исследования молекулярной динамики белков.

Результаты и выводы

1. Проведены расчеты спектров ЭД ЭПР нитроксильных моно- и бирадикалов в неупорядоченных средах в условиях быстрого ориентационного движения в диапазоне частот ЭПР 1-180 ГГц для следующих моделей движения нитроксильных радикалов: модель изотропных ориентационных флуктуаций, модель переориентации вокруг фиксированной оси в молекулярной системе координат, модель скачков между двумя положениями. Для бирадикалов рассмотрены модели независимых ориентационных движений нитроксильных фрагментов, ориентационное движение бирадикала как целого и трансляционное относительное движение нитроксильных фрагментов.

2. Методом мультичастотного ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов исследована анизотропная парамагнитная релаксация, вызванная ориентационным молекулярным движением в стеклах. Получены оценки для времени корреляции движения Ю-7 — Ю-10 с. Достигнуто колличественное согласие между эсперименталь-ными спектрами ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов в стекле глицерина и расчетом в рамках модели быстрых ограниченных ориентационных движений.

3. Исследована зависимость параметров ориентационного движения от структуры и размера нитроксильного зонда, стеклующегося растворителя. Обнаружено, что скорость анизотропной релаксации, вызванной ориентационным движением, не зависит от структуры и размера зонда и определяется свойствами стекла растворителя и температурой. Сделан вывод, что анизотропная релаксация вызвана коллективными переориентациями в стекле включающими одновременное движение кластера размером свыше 1 нм.

4. Метод ЭД ЭПР спиновых зондов применен для исследования молекулярной динамики пептида трихогин меченного в одном и двух положениях нитроксильной спиновой меткой. Показано, что скорость анизотропной релаксации для дважды меченного пептида на порядок больше чем для однократно меченного. Показано, что анизотропная релаксация вызвана ориентационным движением белкового остова.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Сергею Андреевичу Дзюбе за чуткое научное руководство, поддержку и помощь во всех начинаниях, формулировку научной задачи и замечтальное терпеливое отношение, а также за все чему я научилась. Сердечная благодарность Елене Григорьевне Багрянской -замечтельной маме и ученому за миллионы советов и неоценимую помощь во всех областях физики и жизни. Теплому коллективу лаборатории Химии и Физики Свободного Радикала, где так интересно и комфортно было работать. Александру Георгиевичу Марьясову за обсуждение теоретических вопросов магнитной релаксации, химической физики и теплое дружеское отношение. Александру Дмитриевичу Милову за огромное колличество советов и консультаций по постановке и проведению физико-химических экспериментов, Римме Ивановне Самойловой за живую и энергичную атмосферу в лаборатории, Леониду Кулику за помощь и поддержку. Хотелось бы отблагодарить весь высококвалифицированый коллектив Института Химической Кинетики и Горения, где так легко получить квалифицированый совет по любому вопросу химической физики, особенно Юрия Акимовича Гришина за советы и консультации по всем вопросом радиофизики, техники ЭПР, таможенного контроля и чуткую помощью. Особенную благодарность хотелось бы выразить секретарю кафедры химической физики Римме Ивановне Ратушковой за неоценимою помощь, душевную теплоту, энергию и поддержку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кирилина, Евгения Петровна, 2005 год

1. P.G. Debenedetti, F.H. Stillinger. Supercooled liquids and the glass transition. //Nature.-2001,- V.-410.- P. 259-267

2. H.Z. Cummins, G. Li, Y.H. Hwang, G.Q. Shen, W.M. Du, J. Hernandez, N.J. Tao. Dynamics of supercooled liquids and glasses: comparison of experiments with theoretical predictions. //Zeitschrift fur Physik B.-1997. -V. 103. P. 501 - 519

3. J.N. Onuchic, Z. Luthey-Schulten, P.G. Wolynes. Theory of protein folding: the energy landscape perspective. //Annual Review of Physical Chemistry. -1997. -V. 48. P. 545-600

4. J. Wuttke, J. Hernandez, G. Li, G. Coddens, H.Z. Cummins, F. Fujara, W. Petry, H. Sillescu. Neutron and light scattering study of supercooled glycerol. // Physical. Review Letters. 1994. -V. -72. - P.3052-3055

5. G. Adam, J.H. Gibbs. On the temperature dependence of cooperative relaxation properties in glass-forming liquids. // Journal of Chemical Physics. 1965. - V.43. - P. 139-151

6. M. H. Cohen and G. S. Grest. Dispersion of relaxation rates in dense liquids and glasses.// Physical Review B. -1981. V.24. -P. 4091-4094

7. D. Kivelson, S.A. Kivelson, X. Zhao, Z. Nussinov, G. Taq'us. A Thermodynamic Theory of Supercooled Liquids as they Get Glassy. // Physica A. -1995. V. 219,- P. 27-38

8. T. Franosch, W. Gotze, M. R. Mayr, A. P. Singh. Evolution of structural relaxation spectra of glycerol within the gigahertz band . //Physical Review E. -1997. -V. 55. -P. 3183-3190

9. L.J Berliner. Spin Labeling: the Next Millennium. // Plenum Press. New York. - 1998.

10. G. Moro, J.H. Freed. Efficient computation of magnetic resonance spectra and related correlation functions from stochastic Liouville equations. //Journal of Physical Chemistry. -1980.-V. 84. P.2837 - 2840

11. G.L. Millhauser, J.H. Freed. Two-dimensional electron spin echo spectroscopy and slow motions. // Journal of Chemical Physics. -1984. V.81. - P. 37-48

12. S.A. Dzuba, Y.D. Tsvetkov . Magnetization transfer in pulsed EPR of 15N nitroxides: Reorientational motion model of molecules in glassy liquids. // Chemical Physics. 1988.-V. 120.-P. 291-298

13. S.A. Dzuba, A.G. Maryasov, K.M. Salikhov, Y.D. Tsvetkov. Superslow rotations of ni-troxide radicals studied by pulse EPR spectroscopy. // Journal of Magnetic Resonance. -1984. -V.58.-P. 95-101

14. S. A. Dzuba and Yu. D. Tsvetkov A. G. Maryasov. Echo-induced EPR spectra of nitroxides in organic glasses: model of orientational molecular motions near equilibrium position. // Chemical Physics Letters. 1992. - V.188.-P. 217-222

15. A.A. Dubinskii, G.G Maresch, H.W. Spiess. Two-dimensional electron paramagnetic resonance spectroscopy of nitroxides: Elucidation of restricted molecular motions in glassy solids.// The Journal of Chemical Physics.-1994.-V. 100.-P. 2437-2448

16. S.A. Dzuba. Libration motion of guest spin probe molecules in organic glasses: CW EPR and electron spin echo study. // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Bimolecular Spectroscopy.- 2000.-V. 56. -P. 227-234

17. J. Buitink, M.M.A.E. Claessens, M.A. Hemminga, and F.A. Hoekstra. Influence of water content and temperature on molecular mobility and intracellular glasses in seeds and pollen. // Plant Physiology. -1998. -V.l 18. -P. 531-541

18. S.A. Dzuba, H. Watari, Y. Shimoyama, A.G. Maryasov, Y. Kodera, A. Kawamori. Molecular motion of the cholestane spin label in a multibilayer in the gel phase studied using echo-detected EPR. // Journal of Magnetic Resonance A. -1995. V.l 15. - P. 80-86

19. D. A. Erilov, RBartucci, R.Guzzi, D. arsh, S.A. Dzuba, L. Sportelli. Echo-Detected Electron Paramagnetic Resonance Spectra of Spin-Labelled Lipids in Membrane Model Systems. // Journal of Physical Chemistry. 2004. - V. - 106. - P. 4501-4507

20. A. Barbon, M. Brustolon, E. E. van Faassen. Photoexcited spin triplet states in zinc phthalocyanine studied by transient EPR. // Physical Chemistry Chemical Physics. -2001. -V. 3.-P. 5342-5347

21. A. Kh. Vorobiev, V. S. Gurman, T. A. Klimenko. Rotational mobility of guest molecules studied by method of oriented spin probe. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2000. V.-2.-P. 379 385

22. Z. Liang, Y. Lou, J. H. Freed. A multifrequency electron spin resonance study of T4 ly-sozyme dynamics using the slowly relaxing local structure model. // Journal of Physical Chemistry B. 2004. - V. 108. - P. 17649 -17659

23. A. Barbon, M. Brustolon, A.L. Maniero, M. Romanelli, L.-C. Brunei. Dynamics and spin relaxation of tempone in a host crystal. An ENDOR, high field EPR and electron spin echo study. // Physical Chemistry Chemical Physics. 1999. - V.-l. - P. 4015 - 4023

24. E.P. Kirilina, S.A. Dzuba, A.G. Maryasov, Yu. D. Tsvetkov. Librational Dynamics of Nitroxide Molecules in a Molecular Glass Studied by Echo-Detected EPR. // Applied Magnetic Resonance. 2001. -V. -21. - P. 203-221

25. S.A. Dzuba, Y.A. Golovina and Y. D.Tsvetkov. Echo-Induced EPR Spectra of Spin Probes as a Method for Identification of Glassy States in Biological Objects. //Journal of Magnetic Resonance. Series B.-1993. -V-101. -P. 134-138

26. H. Frauenfelder, B. H. McMahon, and P. W. Fenimore. Myoglobin: The hydrogen atom of biology and a paradigm of complexity. // Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 2003. -V. 100. - P. 8615-8617

27. J.H. Freed, G.V. Bruno, C. F. Polnaszek. Electron spin resonance line shapes and saturation in the slow motional region.// Journal of Physical Chemistry. 1971. - V.75. -P. 3385 -3399

28. G. Moro, J.H. Freed. Efficient computation of magnetic resonance spectra and related correlation functions from stochastic Liouville equations. //Journal of Physical Chemistry. -1980.-V. 84. P.2837 - 2840

29. K.A. Earle, J.K. Moscicki, A. Polimeno, J.H. Freed. A 250 GHz ESR study of o-terphenyl: Dynamic cage effects above Tc. // The Journal of Chemical Physics.-1997. -V.-106 -P. 9996-10015

30. A. Polimeno, J.H. Freed. Slow motional ESR in complex fluids: the slowly relaxing local structure model of solvent cage effects.// Journal of Physical Chemistry. -1995. V. 99. -P. 10995-11006

31. J.H. Freed, G.V. Bruno, C. F. Polnaszek. Electron spin resonance line shapes and saturation in the slow motional region.// Journal of Physical Chemistry. 1971. - V.75. -P. 3385 -3399

32. G.M. Zhidomirov, K.M. Salikhov. Contribution to the theory of spectral diffusion in magnetically diluted solids. // }K3T<&. 1969. - V. 29. - P. 1037-1040

33. J.R. Klauder, P.W. Anderson. Spectral diffusion decay in spin resonance experiments. // Physical Review. -1962. -V. 125. -P.912-932.

34. P. Hu, S.R. Hartmann. Theory of spectral diffusion decay using an uncorrelated-sudden-jump model.// Physical Review B. -1974. V. 9. -P 1-13

35. L.J. Schwartz, A.E. Stillman, J.H. Freed. Analysis of electron spin echoes by spectral representation of the stochastic Liouville equation. // The Journal of Chemical Physics. -1982.-V.- 77, P. 5410-5425

36. L.J. Libertini, O.H. Griffith. Orientation Dependence of the Electron Spin Resonance Spectrum of Di-t-butyl Nitroxide. // The Journal of Chemical Physics. -1970 -V. 53.- P. 1359-1367

37. S.V. Pashenko, P. Gast, A.J. Hoff. A high-field EPR study of the anisotropic spin echo decay of Qa in bacterial photosynthetic reaction centres. // Book of abstracts of 12th International Congress on Photosynthesis. -2001. -P. 83

38. D. Kurad, G. Jeschke, D. Marsh. Lateral ordering of lipid chains in cholesterol-containing membranes: high-field spin-label EPR.// Biophysical Journal. 2004.- V.-86.-P.264-271

39. A.G. Redfield. On the theory of relaxation processes. //IBM Journal of Research and Development. 1957.-V.-1 - P. 19-31

40. А.Д. Милов, K.M. Салихов, Ю.Д. Цветков. Спиновая диффузия в системе протонных спинов. // Физика твердого тела. 1973. - V.-1 -Р. 802-809

41. W.B. Mims. Electron spin echoes.// Electron Paramagnetic Resonance (под редакцией S. Geschwind ).-1972.- Plenum Press. New York.

42. M. Romanelli, L. Kevan. Evaluation and interpretation of electron spin-echo decay part I: Rigid samples.// Concepts in Magnetic Resonance. -1997.-V.9.- P.403 430

43. M. Romanelli, L. Kevan. Evaluation and interpretation of electron spin echo decay part II: Molecular motions.// Concepts in Magnetic Resonance. 1998. - V.10. -P. 1-18

44. A. Zecevic, G.R. Eaton, S.S. Eaton, M. Lindgren. Dephasing of electron spin echoes for nitroxyl radicals in glassy solvents by non-methyl and methyl protons.//Molecular Physics. -1998.-V.95.-P. 1255-1264

45. J.W. Peng, G. Wagner. Investigation of protein motions via relaxation measurements.// Methods in Enzymology. -1994.- V.239. P.563-596.

46. T. F. Prisner, A. van der Est, R. Bittl, W. Lubitz, D. Stehlik, K. Möbius. Time-resolved W-band (95 GHz) EPR spectroscopy of Zn-substituted reaction centers of Rhodobacter sphaeroides R-26.// Chemical Physics. 1995. - V.194.-P. 361-370

47. S. Weber, K. Möbius, G. Richter, C.W.M. Kay. The Electronic Structure of the Flavin Co factor in DNA Photolyase. //Journal American Academy of Science. -2001. V. 123. - P. 3790-3798

48. J.L. Du, К. M. More, S.S. Eaton, G.R. Eaton. Orientational dependence of electron-spin phase memory relaxation-times in copper(H) and vanadyl complexes in frozen solution. //Israely Journal of Chemistry. -1992. V. 32. - P. 351-355

49. W. Saalmueller, H. W. Long, G. G. Maresch, H. W. Spiess. Two-dimensional field-step ELDOR. A method for characterizing the motion of spin probes and spin labels in glassy solids. //Journal of Magnetic Resonance, Series A .-1995. V.l 17.-P. 193-208

50. V.K. Khlestkin, A.Y. Tikhonov. Synthesis ofpyrewmine and 1,3-bishydroxylamine deri -vatives from enone Mannich base methiodides. // Heterocyclic Communications. 2002. -V. 8. - P. 249-254 \\

51. Л.Б. Володарский, И.А. Григорьев, C.A. Диканов, B.A. Резников, Г.И. Щукин. Ими-дазолиновые нитроксильные радикалы.// Новосибирск. 1988. - Наука.

52. G. Jeschke, A. Koch, U. Jonas, A. Godt. Direct Conversion of EPR Dipolar Time Evolution Data to Distance Distributions.// Journal of Magnetic Resonance. -2002. -V.155.-P. 72-82

53. C. Toniolo, E. Benedetti. The polypeptide Зю-helix. //Trends in biochemical sciences. -1991.-V.16.-P. 350-353

54. C. Peggion, F. Formaggio, M. Crisma, R.F. Epand, R.M. Epand, C. Toniolo. Trichogin: a paradigm for lipopeptaibols. //Journal of Peptide Science. -2003. V. 9. - P. 679-689

55. C. Auvin-Guette, S. Rebuffat, Y. Prigent, B. Bodo. Trichogin AIV, an 11-residue lipopeptaibol from Trichoderma longibrachiatum.// Journal of the American Chemical Society. -1992. V. 114.-P. 2170 - 2174

56. A.D. Milov, Yu.A. Tsvetkov, F. Formaggio, M. Crisma, C. Toniolo, J. Raap. Self-assembling and membrane modifying properties of a lipopeptaibol studied by CW-ESR and PELDOR spectroscopies. //Journal of Peptide Science. -2003. V. 9. - P. 690-700W

57. V. Monaco, F. Formaggio, M. Crisma, C. Toniolo, P. Hanson, G. Milhauser. Orientation and immersion depth of a helical lipopeptaibol in membranes using TO AC as an ESR probe. //Biopolymers. -1999. V. 50. - P. 239-253

58. S.A. Dikanov, A.V. Astashkin, Yu.D. Tsvetkov. Modulation effects in the electron spin echo of trans bis-(2,2,5,5-tetramethyl-3-imidazoline-3-oxide-l-oxyl-4-il)ethylene biradicals. //Chemical Physics Letters. -1984. V. 105. - P. 451-455W 68.