Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)
.pdfП р о д о л ж е н ие
Число
Окисленная форма передаваемых Восстановленная форма Ч>о.В электронов
Пируват + 2Н+ |
2 |
Лактат |
-0,19 |
Оксалоацетат + 2Н+ |
2 |
Малат |
-0,17 |
ос-Кетоглутарат + NH* |
2 |
Глутамат |
-0,14 |
Метиленовый синий + 2Н+ |
2 |
Метиленовый синий |
+0,01 |
Фумарат + 2Н+ |
2 |
Сукцинат |
+0,03 |
Миоглобин (Fe3+) |
1 |
Миоглобин (Fe2+) |
+0,04 |
Дегидроаскорбат + 2Н+ |
2 |
Аскорбат |
+0,08 |
KoQ + 2Н+ |
2 |
KoQ(2H) |
+0,09 |
Цитохром b(Fe3+) |
1 |
Цитохром b(Fe2+) |
+0,12 |
Метгемоглобин (Fe3+) |
1 |
Гемоглобин(Ре2+) |
+0,17 |
Цитохром сх (Fe3+) |
1 |
Цитохром Cj (Fe2+) |
+0,21 |
Цитохром с2 (Fe3+) |
1 |
Цитохром с2 (Fe2+) |
+0,25 |
7 * о2+ н2о |
2 |
н2о2 |
+0,30 |
Феррицианид[Те(СМ)6]3 |
1 |
Ферроцианид[Ре(СК)6]4 |
+0,36 |
NOo + 2Н+ |
2 |
N02 + Н20 |
+0,42 |
Цитохромоксидаза(Fe3+, Cu2+) |
2 |
Цитохромоксидаза(Fe2*,Си4) |
+0,55 |
0 2(г) + 4Н+ |
4 |
2Н20 |
+0,82 |
Экзэргоничность реакций биологического окисления. Реак ции биологического окисления являются экзэргоническими и служат источниками энергии, необходимой для различных жиз ненных процессов. Поэтому многие реакции биологического окис ления сопряжены с фосфорилированием АДФ с образованием АТФ, в результате происходит аккумулирование энергии окислительно восстановительных реакций в организме. В то же время в орга низме некоторые реакции окисления сопряжены с реакциями восстановления, которые эндэргоничны (разд. 9.3.3).
Классификация биохимических окислительно-восстанови тельных процессов. В биохимической литературе широко распро странено мнение, что биологическое окисление связано только с взаимодействием субстрата с кислородом и его производными или с дегидрированием субстрата. В действительности кроме этих про цессов очень большое число биохимических реакций, протекаю щих внутримолекулярно в присутствии ферментов, имеет окисли тельно-восстановительный характер. Поэтому протекающие в ор ганизме окислительно-восстановительные процессы предлагается разделить на следующие типы.
1.Реакции внутри- и межмолекулярной окислительно-восста новительной дисмутации за счет атомов углерода (разд. 9.3.2).
2.Реакции, протекающие с участием оксидоредуктаз:
-дегидрогеназного окисления-восстановления (разд. 9.3.5 - 9.3.7); ~ оксигеназного окисления-восстановления (разд. 9.3.8).
3.Свободнорадикальное окисление-восстановление (разд. 9.3.9).
218
9.3.1. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА
ВОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
Вприродных органических соединениях степень окисления ато мов элементов-органогенов обычно равна: водорода + 1 , азота -3 , кислорода* - 2 , серы* - 2 , фосфора +5, а углерода - любой величине от -4 до +4. В органическом соединении степень окисления данно го атома углерода является условным зарядом, который рассчиты вается с учетом того, что общая пара электронов химической связи между атомами относится полностью к более электроотрицатель ному атому. Общие пары электронов, принадлежащих соседним атомам одного и того же элемента, включая углерод, не следует учитывать при определении степени окисления. В табл. 9.3 указа ны степени окисления атомов углерода в различных соединениях.
Таблица 9.3
Степени окисления атомов углерода в соединениях
Степень
окисления
атома
углерода
-4
-3
-2
- 1
0
+1
+2
+3
+4
Формула соединения (R = алкил или арил)
сн4
RCH3, СН3-СН3
R2CH2, Н2С=СН2, СН3С1, сн3он, RCH2- CH2R
R3CH, нс=сн, RHC=CHR, R2CH- CHR2, с6н6, RCH2OH
R4C, R3C-CR3, R2C=CR2, RC=CR, H2C=O, CH2CI2, R2CHOH
R3COH, R - c C
П
R2C=0, НСГ |
, CHCI3 |
OH
^ 0
R—
OH
C02, CC14, CO(NH2)2, H 2CO3
Естественно, что в молекуле органического соединения сте пени окисления атомов углерода могут быть различны:
-3 0 -2 |
0 0 -1 |
-2 |
-3 -1 |
(СН3)3С—сн2—с=с—сн=сн2 |
сн3—сн2—он |
||
-3 |
уО |
+ -1 |
ур |
+3^ |
+3^ |
||
сн3—Сч |
H3N—сн2—Сч |
||
|
о н |
|
о |
* В соединениях, содержащих перекисную группу (—0—0—), сте пень окисления кислорода “-1 ”, дисульфидную группу (—S—S—) - степень окисления серы “-1 ”.
219
|
о |
|
|
|
н |
|
н |
|
о |
|
|
II |
|
|
|
|
|
II |
|
||
н с ^ ^ с н |
0 |
-з |
н с ^ с н |
н с ^ с н |
-з |
/ С . |
1 |
|||
НС------------ N |
HN |
+3 |
СН |
|||||||
II |
II |
и |
II |
1 |
1 — |
1 |
1 |
1 |
II |
|
нс. |
+2 х н |
н с |
хсн |
Н С ^ -з /С Н |
НСх -з^ С Н |
^ С х -з /С Н |
||||
-■ |
С |
о \ - 3 / + 2 |
+ 1 |
N 0 |
0 N +1 |
0 ^ +4 N 0 |
||||
|
N |
|||||||||
|
II |
|
Н |
|
|
|
|
|
Н |
|
|
О |
|
|
|
п и р и д и н |
|
|
|
у р а ц и л |
|
1 ,4 -б е н з о х и н о н |
|
и м и д а з о л |
|
|
|
|
|
Различий в значениях степеней окисления у а-атомов угле рода в молекуле пиридина из-за делокализации кратных связей в действительности, конечно, нет. Однако в производных пири дина указанные различия иногда необходимо учитывать, напри мер в НАД+, НАДФ+.
На основании приведенных примеров можно сформулиро вать следующее правило:
Степень окисления любого атома углерода в природных органических соединениях равна алгебраической сумме числа всех его связей с атомами более электроотрица тельных элементов ( кислород, азот, сера), учитывае
мых со знаком |
и числа связей с атомами водорода, |
|
учитываемых со знаком |
а все его связи с соседними |
атомами углерода не учитываются.
Вычисленная степень окисления атомов углерода, хотя и яв ляется условной величиной, указывает на смещение электронной плотности в молекуле, а ее изменение в результате реакции четко свидетельствует об окислительно-восстановительном характере этой реакции. Наличие у атомов углерода широкого диапазона степе ней окисления от -4 до +4 свидетельствует о его окислительно восстановительной двойственности. Поэтому в органической хи мии широко распространены реакции окислительно-восстано вительной дисмутации за счет атомов углерода. Причем эти окислительно-восстановительные реакции могут протекать внутри-
имежмолекулярно.
9.3.2.БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ВНУТРИ-И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ДИСМУТАЦИИ
ЗА СЧ ЕТ АТОМОВ УГЛ ЕРОДА
Реакции внутри- и межмолекулярной дисмутации протекают в субстрат-ферментных комплексах, если молекулы субстратов содержат атомы углерода с различной степенью окисления, спо собные под влиянием фермента к дисмутации, когда один явля ется окислителем, понижая степень окисления, а другой - вос становителем, повышая степень окисления. В результате этих превращений в молекуле происходит перераспределение элек тронов, что сопровождается изменением ее структуры или за счет негидролитического расщепления отдельных связей и обра зования новых, или за счет изомеризации углеродного скелета.
220
Процессы внутри- и межмолекулярной окислительно-восста новительной дисмутации атомов углерода сопровождают реак ции гидратации и дегидратации, аминирования и дезаминиро вания, декарбоксилирования, конденсации и другие:
- гидратация фумаровой кислоты:
Н О О С |
н |
|
|
|
\-i у |
фумаратгидратаза а |
ноос—с н 2— |
|
|
/ ,с=с |
+ Н оО |
С Н — С О О Н |
||
н |
С О О Н |
|
|
О Н |
|
|
|
|
|
фумаровая кислота |
яблочная кислота |
|||
- декарбоксилирование пировиноградной кислоты: |
|
|||
С Н 3 |
пируватдекарбоксилаза |
+ 1 |
^ |
+4 |
|
сн3—С^ |
+ со2 |
||
|ок-ль |
|
|
н |
|
пировиноградная кислота |
уксусный альдегид |
|||
конденсация двух молекул ацетилкофермента А: |
|
|||
О |
.0 |
|
о |
|
+г/У |
|
/Г |
+ H SK oA |
|
С Н оС |
сн3с—С Н 2С \ |
|
||
S K oA |
S K o A |
II |
S K oA |
|
|ок-ль| |
|
о |
|
|
ацетоацетилкофермент А
Несмотря на то, что все приведенные реакции являются окислительно-восстановительными, ферменты, обеспечивающие их протекание, обычно не относят к классу оксидоредуктаз. Это связано с тем, что за основу номенклатуры ферментов положена суммарная реакция, выражаемая формальным уравнением, а не интимный механизм реакции.
Прежде чем перейти к рассмотрению очень важных окисли тельно-восстановительных реакций, протекающих в организме при участии ферментов оксидоредуктаз, рассмотрим окисли тельно-восстановительные превращения их кофакторов и коферментов.
9.3.3. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
КОФАКТОРОВ И КОФЕРМЕНТОВ ОКСИДОРЕДУКТАЗ
Кофакторы и коферменты, реагируя под влиянием оксидоре дуктаз с субстратом, в зависимости от его природы могут быть окислителями или восстановителями. Такая двойственность связана с возможностью их существования в двух сопряженных формах: окисленной и восстановленной.
Оксидоредуктазами, содержащими кофакторы, являются раз личные цитохромы, железосеропротеины [FeJS^Prot] и ряд дру-
221
гих ферментов. Эти соединения являются комплексами, в кото рых белок фермента ковалентно связан с комплексообразователем - катионом переходного металла, вы полняю щ его роль кофактора. Кофактором чаще всего бывает железо, медь, а ино гда марганец и молибден. Все они образуют с белком не менее двух ковалентных связей. П оскольку для всех перечисленных металлов характерна переменная валентность, то их окисли тельно-восстановительные превращения связаны с присоедине нием или отдачей электронов. Вследствие этого обратимо изме няется заряд катиона металла-комплексообразователя. В ре зультате происходит переход оксидоредуктазы из окисленной формы в восстановленную и наоборот:
окисленная форма |
|
восстановленная форма |
||
Ц и то х р о м (F e3+)+ |
е“ |
Ц и то х р о м |
(F e2+) |
|
Ц и то х р о м |
(С и2+) + |
е“ |
Ц и тох р ом |
(С и+) |
Ц и то х р о м |
(М п 3+) + |
е“ |
Ц и тох р ом |
(М п 2+) |
[Fe*S* P ro t (F e3+)] + е~ [Fe*S* P ro t (F e2+)]
В общ ем виде:
БЕЛОК |
+п |
БЕЛОК |
+ ("-1) |
Me + |
Me |
||
где + л , + (п - 1) - степ ен и |
ок и сл ен и я |
к ати он а м еталла. |
|
Вследствие окислительно-восстановительной двойственности оксидоредуктазы с кофакторами способны служить переносчи ками электронов и поэтому являются компонентами электро нотранспортных цепей (разд. 9.3.5).
В качестве коферментов оксидоредуктаз выступают слож ные органические соединения, способные к обратимым окисли тельно-восстановительным превращениям за счет дисмутации их атомов углерода. Окисленная форма кофермента Коф, вы ступая акцептором и электронов и протонов, переходит в со пряженную восстановленную форму Коф(лсН)
Б ел ок • К оф [C +n, С+ т ] + 2е~ + |
х Н + |
^ |
окисленная форма оксидоредуктазы |
|
|
|
^ |
Б ел ок • К оф (* H )[C n_1, O '""1] |
|
|
восстановленная форма оксидоредуктазы |
где [С +л, С+ т ] - атом ы угл ерода |
м ол екул ы коф ер м ен та, к отор ы е и зм е |
|
н я ю т степ ен ь ок и сл ен и я . |
|
|
Коферменты связаны с белком оксидоредуктазы достаточно прочно: обычно за счет межмолекулярных связей, но иногда и ковалентно. Рассмотрим особенности строения и окислительно восстановительных свойств некоторых коферментов.
Убихиноны, или кофермент Q (KoQ). Убихиноны - это груп па ж ирорастворимых витаминов Q, являющ ихся производными
222
бензохинона, содержащими гидрофобный заместитель R, который способствует их соединению с белком с образованием убихинонпротеинов. Убихинонпротеины, являясь окислителями, присоеди няют от субстрата два электрона к атомам углерода хиноидной группировки, изменяя их степень окисления. Одновременно к атомам кислорода этого кофермента присоединяются два прото на (обычно из водной среды). В результате образуется восстанов ленная форма - убихинолпротеины KoQ(2H):
K oQ + 2е" + 2Н + ^ K oQ (2H ) <pj = 0 ,0 9 В
- СНзЖ
СН30 С н
он
восстановленная форма KoQ(2H)
Ф лавопротеины (Ф П ) - соединения, содерж ащ ие изоаллоксазиновый фрагмент. К ним прежде всего относятся соедине ния флавинаденинмононуклеот ида (ФМН) или флавинадениндинуклеопгида (ФАД) с белком, которые являются производными рибофлавина (витамин В2). Эти коферменты, восстанавливаясь,
присоединяю т от субстрата два электрона к |
атомам |
углерода |
||||
изоаллоксазинового |
фрагмента, |
изменяя их |
степень |
оки сл е |
||
ния. Одновременно два протона |
(Н +), получаемые обы чно из |
|||||
водной среды , присоединяю тся |
к атомам аЗота, в результате |
|||||
образуется восстановленная форма |
Ф П (2Н ) |
- |
Ф М Н (2Н ) или |
|||
Ф АД(2Н ). |
|
|
|
|
|
|
ГФ М Н + 2е" + 2Н |
Ф Щ 2Н ) |
/ Ф М Н ( 2Н > |
Vi“ |
-°>зо В |
||
1 ф А Д + 2е~ + 2 Н + |
|
1 ф А Д (2 Н ) |
(pj= - 0 ,2 2 В |
окисленная форма ФП |
восстановленная форма ФП(2Н) |
Пиридинпротеины - соединения, содержащие никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), в обозначении окисленных форм которых содерж ится знак ” + ” , так как они содерж ат пиридиниевый ка тион. Оба эти соединения, восстанавливаясь, присоединяют от субстрата-восстановителя два электрона и один протон к атомам углерода пиридинового цикла, переходя в восстановленную
223
форму Н АД(Н) или НАДФ(Н) соответственно. Эти коферменты являются производными витамина РР.
Н А Д + + |
2е~ + Н + |
^ |
Н А Д (Н ) |
( р ;= - 0 ,3 2 0 В |
Н А Д Ф + + |
2 е + Н + |
z& i |
Н А Д Ф (Н ) |
(р; = - 0 ,3 2 4 В |
R |
R |
окисленная форма |
восстановленная форма |
НАД+ или НАДФ+ |
НАД(Н) или НАДФ(Н) |
Таким образом, окислительно-восстановительные превраще ния коферментов оксидоредуктаз протекают за счет атомов угле рода и в них принимают участие протоны. Причем окисленная форма любого кофермента выступает акцептором и электронов и протонов, а восстановленная форма - их донором. Подобно окси доредуктазам с кофакторами, оксидоредуктазы с коферментами могут быть переносчиками электронов, поэтому они такж е яв ляю тся компонентам и электронотранспортны х цепей клетки (разд. 9.3.4).
Окислительно-восстановительные свойства коферментов в организме сильно зависят от того, концентрация какой из форм преобладает. Если преобладает окисленная форма, то кофермент выступает окислителем и способствует окислению субстрата. В случае преобладания восстановленной формы кофермент-вос- становитель способствует восстановлению субстрата. Так, в клет ках печени отношение концентраций [НАД+]/[Н А Д (Н )] > 510, а [Н АДФ +] / [НАДФ(Н)] ~ 0,01. Поэтому сопряженная система к о фермента Н АД+ выступает окислителем, способствуя окислению субстратов, а сопряженная система кофермента НАДФ+, в кото рой преобладает форма НАДФ(Н), ведет себя как восстановитель, способствуя восстановлению субстратов. Таким образом, за счет изменения соотнош ения концентраций окисленной и восстанов ленной форм коферментов оксидоредуктаз происходит поддержа ние окислительно-восстановительного гомеостаза и регуляция метаболизма в организме.
Многие окислительно-восстановительные реакции в организ ме протекают под действием других коферментов, например глютатиона, липоевой кислоты, пиридоксальфосфата, действие кото рых рассматривается в разд. 12.2.6, 17.6 и 18.2.4 соответственно.
В би охи м и ческ ой |
и м еди ц и н ской литературе часто встр ечается м н е |
ние, ч то коф ерм ен ты |
уби хи н он ы и ф лавопротеины при восстан овл ен ии |
присоедин яю т два атом а водорода или м олекул у водорода, а пиридинпротеины - гидрид-ион, т. е. Н ", и ч то коф ерм енты явл яю тся переносчикам и
ук азан н ы х ч асти ц . И ногда совок уп н ость эл ектрон а и протона {е~ + Н +} =
= {Н } н азы ваю т восстановительным эквивалентом. В се эти вы р аж ен и я
к р а й н е н е у д а ч н ы , та к к а к п р о т и в о р е ч а т х и м и ч е с к о й су щ н о с т и п р о т е
224
кающих процессов и химически абсурдны, ибо атомарный водород чрез вычайно реакционноспособен, а молекулы водорода, наоборот, химически инертны и чрезвычайно летучи в условиях организма. Гидрид-ион не мо жет образовываться и существовать в воде, которой в организме свыше 60 % . Следует говорить о присоединении или переносе оксидоредуктазами электронов и протонов раздельно, и нельзя объединять эти частицы, так как маршруты их движения в живых системах абсолютно различны. Осо бенно четко это проявляется в электронотранспортных цепях клетки.
9.3.4.ЭЛЕКТРОНОТРАНСПОРТНЫЕ ЦЕПИ
Вживых системах перенос электронов от сильного восстанови теля к сильному окислителю всегда происходит ступенчато, для чего используется электронотранспортная цепь (ЭТЦ). Электро нотранспортная цепь - это ансамбль из нескольких оксидоредук таз, который локализован во внутриклеточных мембранах или на их поверхности. В этом ансамбле оксидоредуктазы со своими ко факторами и коферментами в их окисленных и восстановленных формах располагаются строго последовательно друг за другом по мере возрастания их восстановительного потенциала (табл. 9.2) и уменьшения энергии Гиббса G, как показано на рис. 9.1. Други ми словами, ЭТЦ начинается с оксидоредуктазы, у которой вос становительные свойства преобладают над окислительными (ф <
<0). Однако ее окислительная активность достаточна, чтобы окис ление субстрата-восстановителя произошло самопроизвольно. По мере продвижения по цепи у каждой последующей оксидоредук тазы окислительная способность увеличивается, а восстанови тельная - уменьшается. Заканчивается ЭТЦ оксидоредуктазой, у которой окислительные свойства преобладают над восстанови
тельными (ф > 0). Однако ее восстановительная активность доста точна, чтобы восстановление реагента-окислителя произошло само произвольно. Таким образом, за счет оксидоредуктаз ЭТЦ проис ходит постепенное выравнивание восстановительного потенциала между субстратом-восстановителем и реагентом-окислителем. Это еще раз свидетельствует о том, что природа всегда стремится не к резкому, а к постепенному изменению свойств взаимодействую щ их компонентов.
Как видно из приведенной схемы, ЭТЦ осуществляет сопря жение пространственно разделенных реакций окисления восста новителя (источник электронов) и восстановления окислителя (потребитель электронов), протекающ их на концах этой цепи за счет передачи по ней электронов - общ его компонента для всех участников цепи. Перенос электронов вдоль цепи осущ ествля ется благодаря самопроизвольному и последовательному проте канию обратимых окислительно-восстановительных превращ е ний компонентов этой цепи. При этих превращениях электроны от восстановленной формы одного компонента (I) передаются к окисленной форме последующего компонента (II), что сопровож дается превращением восстановленной формы (I) в сопряженную окисленную форму (I).
8-3453 |
225 |
|
Рис. 9.1. Схема окислительно-восстановительного процесса в электронотранспортной цепи и возникнове ния трансмембранного протонного потенциала ц/(Н+)
Процесс передачи электронов по ЭТЦ - экзэргонический (AG < < 0). За счет энергии, освобождающейся при переносе электронов по цепи, одновременно осуществляется перенос протонов сквозь мембрану. Это происходит с помощью ассоциатов из некоторых оксидоредуктаз. Механизм передачи протонов сквозь мембрану еще точно не установлен. В результате переноса протонов по раз ные стороны мембраны создается градиент концентрации прото нов, называемый также трансмембранным протонным потенциа лом vj/(H+). Таким образом, в ЭТЦ потоки электронов и протонов хотя и сопряжены между собой, но разобщены, так как электроны движутся вдоль мембраны, а протоны - сквозь нее.
Электронотранспортные цепи могут содержать разное число и разные виды оксидоредуктаз. Обычно это оксидоредуктазы с ко факторами: различные цитохромы и железосеропротеины, а также оксидоредуктазы с коферментами: НАД+, Н АДФ +, ФМ Н, Ф АД, KoQ. ЭТЦ мож ет быть разветвленной, причем если на одном ее конце идет реакция восстановления окислителя-реагента, то на других концах протекают реакции окисления. В состав ЭТЦ могут входить компоненты, которые способны повысить энергию переда ваемых электронов, например, за счет энергии поглощаемого све та. Подробнее работу электронотранспортных цепей рассмотрим на процессах окислительного фосфорилирования (разд. 9 .3 .6), фо тофосфорилирования (разд. 9 .3.7) и оксигеназного окислениявосстановления с помощью цитохрома Р-450 (разд. 9.3.8).
9.3.5.ДЕГИДРОГЕНАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ-ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Ворганизме широко распространено дегидрогеназное окисле ние субстратов St(2H), совершаемое межмолекулярно в присутст вии ферментов группы дегидрогеназ, относящихся к классу окси доредуктаз. Дегидрогеназы содержат коферменты, которые могут обратимо переходить из окисленной (Коф) в сопряженную восста новленную форму Коф(2Н) и участвовать в образовании активиро ванного комплекса [субстрат •кофермент •дегидрогеназа]. В этом комплексе субстрат отдает два электрона окисленной форме ко-
фермента, а свои протоны обычно посылает в окруж ающ ую вод ную среду. Восстанавливаясь, кофермент Коф присоединяет не только электроны, но и протоны (обычно из водной среды), пере ходя при этом в сопряженную восстановленную форму Коф(2Н):
2Н + |
|
|
|
|
2 Н + |
|
А |
2е~^ |
|
Д еги дроген аза |
v |
|
|
ti------- > |
|
|
||||
S t(2 H ) |
+ |
К оф |
— ► |
К оф (2Н ) |
|
|
субстрат |
|
окисленная |
восстановленная |
продукт |
||
(восстановитель) |
форма |
|
|
форма |
реакции |
|
|
|
^ |
сопряженная пара |
^ |
|
В случае коферментов НАД+ и НАДФ+ один из протонов суб страта посылается в водную среду, а другой передается от его ато
227