Некоторые химические элементы имеют два вида стабильных изотопов: магнитные и немагнитные. В физике и химии магнитнo-изотопные эффекты (МИЭ) давно известны для изотопов углерода, кислорода, кремния, серы, ртути и ряда других химических элементов, включая уран [1]. Не так давно были открыты МИЭ в живой природе. В экспериментах с бактериальными клетками E. coli, обогащенными различными изотопами магния, активность антиоксидантного фермента супероксиддисмутазы в клетках, выращенных на питательной среде, обогащенной магнитным изотопом магния, Mg-25, на 40 % ниже (в стационарной фазе роста), чем в клетках, выращенных на среде, обогащенной немагнитным изотопом магния, Mg-24.[2]. Кроме того, адаптация клеток к среде, обогащенной магнитным изотопом магния, происходит существенно быстрее по сравнению со средой, обогащенной немагнитным изотопом [3]. МИЭ были обнаружены и 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 магнитным Mg-25, по сравнению с клетками, обогащенными немагнитным Mg-24 [4]. Более того, каталитические эффекты магнитного изотопа магния были выявлены в реакции гидролиза ATP, катализируемой миозином. Этот важнейший молекулярный мотор биоэнергетики использует Mg(II) как кофактор для гидролиза ATP с использованием химической энергии гидролиза для выполнения механической работы. Скорость ферментативного гидролиза ATP в среде с магнитным изотопом, Mg-25, в два раза выше, чем в средах с немагнитными изотопами, Mg-24 или Mg-26 [5-6]. Аналогичный эффект ядерного спинового катализа был обнаружен в экспериментах с цинком в качестве кофактора миозина. Скорость ферментативного гидролиза ATP в реакционной среде с магнитным изотопом цинка, Zn-67, выше на 40-50 % по сравнению со скоростями в средах с немагнитными изотопами цинка, Zn-64 или Zn-68. Каталитические эффекты ядерного спина изотопа Mg-25 обнаружены также в экспериментах с ATP-азой, выделенной из митохондрий дрожжей, и Mg-зависимой ATP-азой плазматической мембраны миометрия. MИЭ однозначно свидетельствует о том, что в хемо-механическом процессе, катализируемом молекулярным мотором, имеется лимитирующая стадия, которая зависит от электронного спинового состояния реагентов, и эта стадия ускоряется ядерным спином магнитного изотопа. Можно предположить, что в условиях электронно-конформационного возбуждения макромолекулы электронная плотность в активном центре фермента переносится, например, от гидроксильной группы связанной молекулы воды на ADP или Mg(II)/Zn(II) с образованием ион-радикальной пары. Затем окси-анион ADP нуклеофильно атакует неорганический фосфат с образованием ATP. Стабильное электронно-спиновое состояние ATP, как продукта этой обратной реакции, должно быть синглетным (S = 0). Ядерный спин Mg-25/Zn-67 посредством сверхтонкого взаимодействия с неспаренным электроном ион-радикальной пары, связанной с миозином, переводит эту пару в триплетное состояние (S = 1), создаваая при этом спиновый запрет для нежелательной обратной реакции синтеза ATP и, соответственно, стимулируя прямую реакцию гидролиза ATP. Гипотеза о ключевой роли виртуальной ион-радикальной пары в синтезе ATP при окислительном фосфорилировании была предложена впервые в работе [7]. Возможны альтернативные объяснения ядерного спинового катализа в реакциях гидролиза ATP катализируемых молекулярными моторами [8-10]. Энергия, выделяемая при гидролизе ATP (~0,54 эВ), недостаточна для электронно-конформационного перевода макромолекулы фермента в синглетное возбужденное состояние (S = 0). Этой энергии достаточно для перехода в более низкое триплетное состояние (S = 1), но такой переход из основного состояния (S = 0) запрещен законом сохранения спина. Ядерный спин изотопа магния (цинка) устраняет этот запрет, тем самым ускоряя хемо-механический цикл в ферментативной реакции. Альтернативно, ядерный спин Mg-25/Zn-67, воздействуя на ядерные спины протонов воды, способен ускорить конверсию орто-изомеров (параллельная ориентация спинов водорода) и пара-изомеров (антипараллелньная ориентация спинов водорода), необходимую для реализации конформационной перестройки макромолекулы фермента, сопровождающей ферментативный гидролиз ATP. Детальные механизмы ядерного спинового катализа в биомолекулярных моторах и применение стабильных магнитных изотопов в радиационной биомедицине, магнитобиологии и других областях медицинской физики – задачи дальнейших исследований.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (тема AAAA-А19-119092390041-5).

1. Зельдович А.Б., Бучаченко А.Л., Франкевич Е.Л. Успехи физ. наук, 1988, 155, 3-45.

2. Богатыренко Т.Н., Кудряшова Е.А., Туманова Л.В., Кольтовер В.К. Тез. докл. V Междунар. конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», Санкт-Петербург, 2009, с. 92.

3. Кольтовер В.К., Шевченко У.Г., Авдеева Л.В, Ройба Е.А., Бердинский В.Л., Кудряшова E.A. Докл. АН, 2012, 442, 272-274.

4. Avdeeva L.V., Evstyukhina T.A., Koltover V.K., Korolev V.G., Kutlakhmedov Y.A. Nucl. Phys. Atom. Energy, 2019, 20 (3), 271-277.

5. Koltover V.K., Labyntseva R.D., Kosterin S.O. In: Myosin: Biosynthesis, Classes and Function (ed. D. Broadbent), Nova Science Publ., New York, 2018, p. 135-158

6. Кольтовер В.К., Лабынцева Р.Д., Карандашев В.К. Биофизика, 2020, 65, 493-503.

7. Блюменфельд Л.A., Кольтовер В.K. Мол. биол. 1972, 6,161-166.

8. Koltover V.K. In: Horizons in World Physics, vol. 286 (ed. A. Reimer), Nova Science Publ., New York, 2015, pp. 65-78.

9. Koltover V.K. J. Mol. Liquids. 2017, 235, 44-48.

10. Кольтовер В.К. Изв. АН. Сер. хим., 2021, № 9, 1633-1639.

Some chemical elements have two kinds of stable isotopes: magnetic and nonmagnetic ones. In physics and chemistry, magnetic isotope effects (MIE) have long been known for a number of chemical elements, including magnetic isotopes of carbon, oxygen, sulfur, germanium, mercury, and uranium [1]. Not long ago, MIE were discovered in living nature. In experiments with the cells E. coli, enriched with different isotopes of magnesium, the activity of superoxide dismutase in stationary phase of the cells, grown on the medium enriched with the magnetic isotope of magnesium, Mg-25, was found to be 40 % lower than it was in the cells, enriched with the nonmagnetic isotope, Mg-24 [2]. Besides, the adaptation kinetics of cells to the growth media, enriched with magnetic Mg-25, proceeds essentially faster as compared to the media enriched with nonmagnetic Mg-24 [3]. The MIE were also found in experiments with the yeast cells, S. cerevisiae, enriched with different isotopes of magnesium. The rate constant of the post-radiation recovery of the cells irradiated by X-rays or short-wave UV is two times higher if the cells are enriched with Mg-25, by comparison with the cells enriched with Mg-24 [4]. Furthermore, the catalytic effects of the magnetic magnesium isotope were revealed in the reaction of ATP hydrolysis driven by myosin, the important molecular motor of bioenergetics utilizing the chemical energy of ATP to perform the mechanical work. The rate of the enzymatic hydrolysis of ATP with magnetic Mg-25, as the enzyme cofactor, is twice higher than the rates of the reactions with nonmagnetic Mg-24 or Mg-26 [5, 6]. A similar effect of the nuclear spin catalysis was detected in experiments with zinc as the myosin cofactor. The rate of the ATP hydrolysis with the magnetic isotope, Zn-67, increases by 40–50 % compared to that with the nonmagnetic isotopes, Zn-64 or Zn-68. Besides, the catalytic effects of the nuclear spin of Mg-25 were found in the experiments with ATPase isolated from the yeast mitochondria and Mg-dependent ATPase from the myometrium plasma membranes. MIE unambiguously indicates that, in the chemo-mechanical process catalyzed by the molecular motor, there is a limiting step which depends on the electronic spin state of the reagents, and this step is accelerated by the nuclear spin of the magnetic isotope. It can be assumed that, under the condition of electron-conformational excitation of macromolecule, the electron density is transferred, for example, from the hydroxyl group of the water molecule, bound inside the active center of the enzyme, onto ADP or Mg(II). It yields a radical ion pair. After that, the oxy-anion of ADP nucleophilically attacks the inorganic phosphate to give ATP. The stable spin state of Mg(Zn)-ATP as the product of this inverse reaction must be singlet (S = 0). Meanwhile, the nuclear spin of Mg-25 (Zn-67) via the hyperfine interaction with the unpaired electron of the radical ion pair, converts this pair into the triplet state (S = 1), thus creating the spin barrier. It hinders the undesirable reverse reaction of ATP synthesis, thereby facilitating the reaction of ATP hydrolysis. The hypothesis about the virtual radical ion pair in the synthesis of ATP via oxidative phosphorylation was proposed about 50 years ago [7]. The alternative explanations for the nuclear spin catalysis in the reactions of ATP hydrolysis catalyzed by the molecular motors were offered in [8-10]. The energy released from ATP hydrolysis (~0.54 eV) is not enough for the electron-conformational transition of the enzyme macromolecule to the singlet excited state. It is sufficient to create the lower triplet state (S = 1) but such a transition from the ground state (S = 0) is prohibited by the spin conservation law. The nuclear spin of the isotope, Mg-25 or Zn-67, removes this ban, thereby accelerating the chemo-mechanical cycle in the enzymatic reaction, Alternatively, the nuclear spins of Mg-25 or Zn-67 may act onto the nuclear spins of hydrogen of molecules of water, thereby accelerating the inter-conversion of the ortho-isomers (with the parallel orientation of the hydrogen proton spins) and the para-isomers (the anti-parallel proton spins) of the water molecules, thus facilitating the necessary conformation rearrangement of the macromolecule. Although detailed mechanisms of the ability of biomolecular motors to perceive the nuclear magnetism require further investigations, the recent developments in this new field highlight promising venues for future research of the nuclear spin catalysts in biophysics with possible applications of the magnetic isotopes in medical physics, including radiation medicine and biomedical effects of magnetic fields.

Supported by Ministry of Science and Higher Education of Russian Federation (theme AAAA-А19-119092390041-5).

1. Zeldovich Y.B., Buchachenko A.L., Frankevich E.L. Adv. Phys. Sciences, 1988, 31, 385-408.

2. Bogatyrenko T.N., Kudryashova E.A., Tumanova L.V., Koltover V.K. Proc. V Int. Congress "Weak and Superweak Felds and Radiation in Biology and Medicine, St. Petersburg, 2009, p. 92.

3. Koltover V.K., Shevchenko U.G., Avdeeva L.V., Royba E.A., Berdinsky V.L., Kudryashova E.A. Dokl. Biochem. Biophys., 2012, 442, 12-14.

4. Avdeeva L.V., Evstyukhina T.A., Koltover V.K., Korolev V.G., Kutlakhmedov Y.A. Nucl. Phys. Atom. Energy, 2019, 20 (3), 271-277.

5. Koltover V.K., Labyntseva R.D., Kosterin S.O. In: Myosin: Biosynthesis, Classes and Function (ed. D. Broadbent), Nova Science Publ., New York, 2018, p. 135-158

6. V.K. Koltover, R.D. Labyntseva, V.K. Karandashev. Biophysics, 2020, 65, 416-425.

7. L.A. Blumenfeld, V.K. Koltover. .Mol. Biol., 1972, 6,130-133.

8. Koltover V.K. In: Horizons in World Physics, vol. 286 (ed. A. Reimer), Nova Science Publ., New York, 2015, pp. 65-78.

9. Koltover V.K. J. Mol. Liquids. 2017, 235, 44-48.

10. Koltover V.K. Russ. Chem. Bull., 2021, 70, no. 9, 1633-1639.