Новые методы детектирования динамического перехода в биологических и неупорядоченных средах

С.А. Дзюба, Л.В. Кулик, Н.П. Исаев, М.Н. Уваров, Е.С. Сальников, Е.П. Кирилина,
М.А. Бизин, И.В. Боровых, 1 П. Гаст,1 В.Н. Иванова,2 Р.Б. Зарипов,2 Н.В. Суровцев,3
Л.Л. Свешникова,4 В.К. Малиновский3

1Лейденский университет, Нидерланды
2ИНХ СО РАН 
3
ИАЭ СО РАН
4ИФП СО РАН
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Динамика молекул в биологических системах в значительной степени определяет их функции. Известно, что в районе температуры 200 К в этих системах наблюдается динамический переход - резкое возрастание доли ангармонического (стохастического) движения атомов при повышении температуры. Известно также, что этот переход непосредственно связан с появлением функциональной активности биосистем. Аналогичное явление наблюдается также в молекулярных неупорядоченных средах. Динамический переход был обнаружен и исследуется методами рассеяния нейтронов и Мессбауровского рассеяния. Однако данные только этих методов не позволяют сделать вывод о молекулярном механизме перехода.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Ставится задача развития других, помимо рассеяния нейтронов и эффекта Мессбауэра, методов изучения динамического перехода.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Предлагается применение новых методов: импульсного ЭПР спиновых зондов, спиновой релаксации зондов в виде фотовозбужденных триплетных фуллеренов, Рамановского рассеяния на валентных С-Н2 колебаниях липидов (для биологических мембран).

4. Полученные результаты и их значимость.

Показано, что динамический переход сопровождается появлением стохастических либраций спиновых зондов, резким ускорением спиновой релаксации фотовозбужденных триплетных фуллеренов, изменением интенсивности и ширины линий антисимметричных валентных С-Н2 колебаний липидов в мембранах. Все эти факты позволяют делать выводы о механизме движения: о либрационном его типе, о кооперативном характере для участвующих в нем молекул, о гетерогенности перехода в биологических мембранах, о значимости для направления переноса электрона в фотосинтезирующих реакционных центрах и др.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

. Статьи опубликованы в высокорейтинговых журналах, посвящены актуальной теме, активно обсуждаемой сейчас в литературе.

6. Вклад авторского коллектива.

В Лейдене проводились исследования фотосинтезирующих реакционных центров, из ИНХ СО РАН мы получили фуллерены, в ИАЭ СО РАН проводились исследования Рамановского рассеяния, из ИФП СО РАН мы получили пленки Лэнгмюр-Блоджетт (использовались в качестве репера в исследованиях по Рамановскому рассеянию).

Список прилагаемых статей.
  1. S.A. Dzuba, E.P. Kirilina, E.S. Salnikov, On the possible manifestation of harmonic-anharmonic dynamical transition in glassy media in electron paramagnetic resonance of nitroxide spin probes, J. Chem. Phys., 2006, 125, 054502.
  2. S.A. Dzuba, E.S. Salnikov, L.V. Kulik, CW EPR, echo-detected EPR, and field-step ELDOR study of molecular motions of nitroxides in o-terphenyl glass: dynamical transition, dynamical heterogeneity and β relaxation, Appl. Magn. Reson., 30, 637-650 (2006).
  3. I.V. Borovykh, P.Gast, S.A. Dzuba, The dynamical transition in proteins of bacterial photosynthetic reaction centers observed by echo-detected EPR of specific spin labels, Appl. Magn. Reson. 31, 159-166 (2007).
  4. C.А. Дзюба, Метод спиновых меток и зондов с использованием импульсной ЭПР-спектроскопии, Успехи химии, 76, 752 (2007).
  5. M.N. Uvarov, L.V. Kulik, M.A. Bizin, V.N. Ivanova, R.B. Zaripov, S.A. Dzuba, Anisotropic pseudorotation of the photoexcited triplet state of fullerene C60 in molecular glasses studied by pulse EPR, J. Phys. Chem., A, 2008, 112, 2519-2525.
  6. N.V. Surovtsev, E.S. Salnikov, V.K. Malinovsky, L.L. Sveshnikova, S.A. Dzuba, On the low-temperature onset of molecular flexibility in lipid bilayers seen by Raman scattering, J. Phys. Chem. B, 2008, 112, 12361-12365.
  7. N.P. Isaev and S.A. Dzuba , Fast Stochastic Librations and Slow Rotations of Spin Labeled Stearic Acids in a Model Phospholipid Bilayer at Cryogenic Temperatures, J. Phys. Chem. B, 2008, 112, 13285-13291.