Редокс-процессы (овр) в живых организмах

В органической химии использование обобщенной концепции окисления-восстановления и понятия о степени окисления часто малопродуктивно, особенно при незначительной полярности связей между атомами, участвующими в реакции. В органической химии окисление рассматривают обычно как процесс, при котором в результате перехода электронов от органического соединения к окислителю возрастает число (или кратность) кислородсодержащих связей (С — О, N — О, S — О и т.п.) либо уменьшается число водородсодержащих связей (С — Н, N —Н, S —Н и т.п.), например: RCHO RCOOH; R₂CHCHR₂ R₂C=CR₂. При восстановлении органических соединений в результате приобретения электронов происходят обратные процессы, например: R₂CO R₂CH₂; RSO₂Cl RSO₂H.

Механизмы ОВР весьма разнообразны. ОВР могут протекать как по гетеролитическому, так и по гомолитическому механизму. Во многих случаях начальная стадия реакции – процесс одноэлектронного переноса. Окисление обычно протекает по положениям с наибольшей электронной плотностью, восстановление – по положениям, где электронная плотность минимальна.

Термин окисление можно определить как:

• потеря электронов веществом;

• удаление водорода из какого-либо вещества;

• присоединение кислорода к какому-либо веществу.

Термин восстановление можно определить как:

• приобретение электронов веществом;

• присоединение водорода к какому-либо веществу;

• удаление кислорода из какого-либо вещества.

Окислительно-восстановительные реакции в организме – биохимические процессы, при которых, главным образом, происходит перенос электрона или атома водорода (иногда с сопровождающими его атомами или группами) от одной молекулы (окисляемой) к другой (восстанавливаемой). У аэробов – большинства животных, растений и многих микроорганизмов – конечным акцептором водорода и электронов служит кислород. Поставщиками водорода и электронов могут быть как органические, так и неорганические вещества. Завершающий этап биологического окисления – поглощение кислорода в качестве акцептора электронов называется тканевым дыханием. Более 90% поглощаемого кислорода восстанавливается до воды: О₂ + 4ē + 4Н⁺  2Н₂О.

Биологическое окисление – совокупность последовательно связанных окислительно-восстановительных превращений различных веществ, протекающих в живых организмах под действием ферментов и обеспечивающих возможность продукции и аккумулирования энергии.

В живом организме все ОВ-процессы совершаются при участии ферментов оксидоредуктаз. Кофакторами этих ферментов являются катионы d-элементов (железо, медь, молибден, марганец и др.).

По классификации В.И. Слесарева ОВ-процессы в организме следует разделить на следующие типы:

1. Реакции внутри и межмолекулярной окислительно-восстановительной дисмутации за счет атомов углерода, например:

– гидратация фумаровой кислоты:

– декарбоксилирование пировинаградной кислоты:

– конденсация двух молекул ацетилкофермента А:

2. Реакции дегидрогеназного и оксигеназного окисления-восстановления, например:

– насыщенных углеводородов:

– различных спиртов:

– альдегидов:

– аминов:

3. Свободнорадикальное окисление-восстановление, например:

В микросомах в аэробных условиях происходит более редкое неполное восстановление кислорода с образованием его различных активных форм:

О₂ + ē  О^₂ + ē + 2Н⁺  Н₂О₂ + ē  НО^ + ОН^– + ē + 2Н⁺  2Н₂О.

Главным источником радикалов в организме является молекулярный кислород, а в случае радиационного воздействия – вода. Молекула кислорода парамагнитна, так как она содержит два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал О^₂. При полном восстановлении молекула кислорода, принимая четыре электрона и четыре протона, превращается в две молекулы воды. При неполном восстановлении кислорода образуются различные его активные (токсичные) формы.

К активным формам кислорода относятся:

– супероксидный анион-радикал О^–₂ О₂ + ē  О^–₂

– гидропероксидный радикал НО^₂ О₂ + ē + Н⁺  НО^₂

– пероксид водорода Н₂О₂ О₂ + 2ē + 2Н⁺  Н₂О₂

– гидроксидный радикал НО^ О₂ + 3ē + 3Н⁺  НО^ + Н₂О

Под действием света молекулярный кислород переходит в синглетное состояние, т.е. в синглетный кислород О^/₂, в котором все электроны спарены. Синглетный кислород неустойчив, период полураспада – 45 мин. Он более активен в реакциях окисления, чем молекулярный кислород. Окислительная способность различных активных форм кислорода возрастает в следующей последовательности:

О₂ < О^/₂ < О^–₂ < НО^₂ < Н₂О₂ < НО^

Увеличивается способность окислять

Энергия, выделяющаяся при некоторых редокс-процессах, запасается в химических связях молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и других макроэргических соединений.

В основе жизни лежат редокс-процессы, происходящие при фотосинтезе, дыхании, транспорте электронов; они же обеспечивают основную часть энергопотребления человечества за счет сжигания органического топлива.

Фотосинтез – образование зелеными растениями и некоторыми бактериями органических веществ с использованием энергии солнечного света. Происходит фотосинтез при участии пигментов (у растений хлорофиллов). В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны переносятся от донора (например, H₂O, H₂S) к акцептору (CO₂) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением O₂ (если донор электронов H₂O), S (если донор электронов, например, H₂S) и др.

Фотосинтез – один из самых распространенных процессов на Земле, обусловливает круговорот в природе углерода, кислорода и др. элементов. Он составляет материальную и энергетическую основу всего живого на планете. Ежегодно в результате фотосинтеза в виде органических веществ связывается около 8·10¹⁰ тонн углерода, образуется до 10¹¹ тонн целлюлозы.

Около 7% органических продуктов фотосинтеза человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде топлива и строительного материала.

В связи с тем, что углеводы составляют основную массу продуктов биосинтетической деятельности растений, химическое уравнение фотосинтеза обычно упрощенно записывают в виде:

6CO₂ + 6H₂O C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Водород, необходимый для восстановления диоксида углерода до глюкозы, берется из воды, а выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород является побочным продуктом. Процесс нуждается в энергии света, так как вода сама по себе не способна восстанавливать диоксид углерода.

Дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм атмосферного или растворенного в воде О₂, использование его в ОВР, а также удаление из организма СО₂ и некоторых других соединений – конечных продуктов обмена веществ. При дыхании кислород участвует главным образом в окислении органических соединений с образованием Н₂О или Н₂О₂ (в некоторых случаях О₂^-) или включается в молекулу окисляемого вещества.

Дыхание – сложный комплекс физиологических и биохимических процессов, в котором можно выделить ряд основных стадий:

1) внешнее дыхание – поступление О₂ из среды в организм, осуществляемое с помощью легких;

2) транспорт О₂ от легких ко всем другим органам, тканям и клеткам с помощью кровеносной системы при участии специальных белков – переносчиков кислорода (гемоглобин, миоглобин, гемоцианин и др.);

3) тканевое, или клеточное, дыхание – собственно биохимический процесс восстановления О₂ в клетках при участии большого числа разных ферментов.

В клеточном дыхании основная часть потребления О₂ аэробными организмами (их на Земле абсолютное большинство) связана с обеспечением клетки энергией в процессе окислительного фосфорилирования, которое осуществляется в митохондриях. В окружающей митохондрию бислойной фосфолипидной мембране находится система окислительно-восстановительных ферментов, называемых дыхательной или электронотранспортной цепью (рис.1). Эта цепь катализирует перенос электронов (протонов) от ряда продуктов обмена веществ (субстратов окисления) к О₂. Редокс-потенциал субстатов окисления колеблется, как правило, от –0,4 до 0 В. Наиболее важные субстраты окисления – это вещества, образующиеся при функционировании цикла трикарбоновых кислот (например, янтарная кислота, восстановленные коферменты НАД, НАДФ, жирные кислоты, некоторые аминокислоты и продукты метаболизма углеводов). Большая часть свободной энергии переноса электронов в дыхательной цепи трансформируется первоначально в энергию разности электрохимических потенциалов ионов Н⁺ на мембране митохондрий, которая далее используется для термодинамически невыгодного синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при окислительном фосфорилировании.

Рис.1. Фрагмент митохондриальной мембраны в разрезе

(заштрихован фосфолипидный бислой, стрелками обозначен путь электронов от субстратов окисления к О₂).

Цитохромы b, с и с₁ – белки-переносчики электронов, в качестве простетической группы содержат гем.

Окислительные реакции не всегда сопровождаются накоплением энергии; в ряде случаев они несут функции превращения веществ. Так, функцией клеточного дыхания является также окислительный биосинтез большого числа нужных организму веществ. Например, образование ненасыщенных жирных кислот из насыщенных, ключевые этапы синтеза стероидных и некоторых пептидных гормонов идут в организме с потреблением О₂. Высокая окислительная способность О₂ используется в клеточном дыхании также для разрушения и детоксикации чужеродных вредных веществ и для деградации многих подлежащих удалению продуктов собственного метаболизма (например, окислительный распад аминокислот, пуриновых оснований). Особую роль в детоксикации гидрофобных органических соединений играет электронотранспортная цепь микросом. Ключевой компонент микросомальной системы детоксикации цитохром Р-450 (подобно монооксигеназам он катализирует реакцию RH ;;((;[O] ROH, например, гидроксилирование стероидов). Редокс-процессы, не сопряженные с накоплением энергии, называются свободным окислением. В этом случае энергетический эффект – образование тепла.

В биохимии клеточного дыхания различают несколько основных реакций с участием О₂:

1) катализируемое оксидазами ("аэробными гидрогеназами") четырехэлектронное восстановление О₂ до Н₂О или двухэлектронное до Н₂О₂: 2RH₂ + O₂  2R + 2Н₂O; RH₂ + O₂  R + H₂O₂ .

2) Включение обоих атомов О₂ в молекулу окисляемого вещества, катализируемое диоксигеназами (оксигеназами):

RH₂ + O₂  R(OH)₂

3) Включение одного из атомов О₂ в молекулу окисляемого вещества, при этом другой атом О восстанавливается с образованием Н₂О в результате окисления второго субстрата:

RH + R' Н₂ + О₂  ROH + R' + Н₂О

Важный показатель интенсивности дыхания высших позвоночных - кол-во воздуха, вентилируемого легкими в 1 мин (минутный объем дыхания, или МОД). У человека МОД в состоянии покоя составляет 5-8 л/мин, во время физической работы - до 100 и более л/мин.

Вещества, подавляющие дыхание (дыхательные яды), выключают энергообеспечение организма и потому являются быстродействующими ядами. Классические дыхательные яды (цианиды, изоцианиды, сульфиды, азиды, СО и NO) угнетают концевой фермент дыхательной цепи митохондрий (цитохром-с-оксидазу). Эти же соединения угнетают транспорт О₂ по организму, связываясь с гемоглобином. Другой важный класс дыхательных ядов - гидрофобные органические вещества, часто хиноидной природы, выступающие как антагонисты убихинона, играющего ключевую роль в процессе переноса электронов по дыхательной цепи. Сильнейшие яды этого класса – токсичные антибиотики (ротенон, пирицидин, антимицин, миксотиазол), 2-гептил-4-гидроксихинолин-N-оксид; их используют в исследованиях тканевого дыхания. Способность к умеренному подавлению убихинон-зависимых реакций в дыхательной цепи свойственна многим лекарственным средствам (например, барбитуратам), фунгицидам и пестицидам.

О кислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в процессе клеточного дыхания. В общем виде окислительное фосфорилирование и его место в обмене веществ можно представить схемой:

АН₂ – это органические вещества, окисляемые в дыхательной цепи (субстраты окисления). Они образуются в матриксе митохондрий в цикле трикарбоновых кислот, в результате -окисления жирных кислот.

Дыхательная цепь осуществляет многоступенчатый экзэргонический перенос электронов (сопровождается уменьшением свободной энергии) от субстратов к кислороду, а высвобождающаяся энергия используется расположенным в той же мембране ферментом АТФ-синтетазой, для фосфорилирования АДФ до АТФ. В интактной (неповрежденной) митохондриальной мембране перенос электронов в дыхательной цепи и фосфорилирование тесно сопряжены между собой. Так, например, выключение фосфорилирования при отсутствии АДФ или неорганического фосфата сопровождается торможением дыхания (эффект дыхательного контроля). Большое число повреждающих митохондриальную мембрану воздействий нарушает сопряжение между окислением и фосфорилированием, разрешая идти переносу электронов и в отсутствие синтеза АТФ (эффект разобщения).

Согласно хемиосмотической теории П. Митчелла (Нобелевская премия, 1979 г.) свободная энергия транспорта электронов в дыхательной цепи затрачивается на перенос из митохондрий через митохондриальную мембрану на ее наружную сторону ионов Н⁺ (рис. 2, процесс 1). В результате на мембране возникает разность электрических потенциалов Е и разность химических активностей ионов Н⁺ рН (внутри митохондрий рН выше, чем снаружи). В сумме эти компоненты дают трансмембранную разность электрохимических потенциалов ионов водорода между матриксом митохондрий и внешней водной фазой, разделенными мембраной.

Энергия, выделяющаяся при движении протонов внутрь митохондрий по электрическому полю в сторону меньшей их концентрации (рис. 2, процесс 2), используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ, а также может непосредственно использоваться клеткой для других целей. Схему окислительного фосфорилирования согласно концепции Митчелла, можно представить в следующем виде:

Рис. 2. Схема хемиосмотическое механизма окислительного фосфорилирования: ДЦ – дыхательная цепь, АН₂ – субстраты дыхания.

Заштрихован фрагмент внутренней митохондральной мембраны в разрезе.

В организме окислительное фосфорилирование подавляется многими токсичными веществами, которые по месту их действия можно разделить на три группы: 1) ингибиторы дыхательной цепи; 2) ингибиторы АТФ-синтетазы; 3) разобщители окислительного фосфорилирования,которые не подавляют ни перенос электронов, ни собственно фосфорилирование АДФ, но обладают способностью уменьшать величину протонного мембранного потенциала, благодаря чему нарушается энергетическое сопряжение между дыханием и синтезом АТФ. Разобщающим действием обладают, например, ионофоры (грамицидин), повышающие электропроводность мембраны в результате образования ионных каналов или вещества, разрушающие мембрану (детергенты).

В целом упрощенная схема метаболизма в живом организме может быть представлена следующим образом (рис. 3).

Схема наглядно показывает, что биохимические реакции, в том числе, окисления-восстановления являются многоступенчатыми. Ступенчатый механизм создает возможность функционального контроля осуществления каждой стадии, делает вероятной обратимость отдельных стадий.

Перенос электронов по дыхательной цепи происходит по градиенту окислительно-восстановительного (редокс) потенциала. При рН = 7 у окислительно-восстановительных пар НАД/НАДН ^о/ = –0,32 В, а у цитохрома в (Fe³⁺/Fe²⁺) ^о/ уже приобретает положительное значение +0,12 В, далее положительно значение потенциала возрастает: ^о/(О₂/2Н₂О) = +0,82 В.

Общая разность редокс-потенциалов между НАДН+Н⁺ и О₂ составляет 1,14 В. Положительное значение ЭДС процесса свидетельствует о том, что перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается уменьшением энергии Гиббса:

G = –nFE = –2965001,14 = –220 кДж/моль, где n – число электронов, F – число Фарадея, Е – разность потенциалов. Расчет показывает, что при переносе двух электронов по дыхательной цепи выделяется 220 кДж энергии.

Так как G < 0, то это процесс экзэргонический. Эта энергия расходуется на синтез АТФ.

Рис. 3. Схема метаболизма в живом организме