Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

их электронные аналоги - тгз2тгр3-элементы: мышьяк As, сурь­ ма Sb и висмут Bi, содержание которых в организме человека составляет около 10~6 % . Висмут - металл, а для As и Sb ха­ рактерны две модификации: одна неметаллическая, другая ме­ таллическая, более устойчивая. Для этих элементов в соедине­ ниях характерны степени окисления -3 , 4-3 и +5.

Водородсодержащие соединения: арсин АэНз, стибин SbH3, висмутин ВШ 3 - газообразные неустойчивые вещества, прояв­ ляющие сильные восстановительные и токсические свойства. Арсин прежде всего поражает оксигемоглобин, способствуя ак­ тивации связанного в нем кислорода, который окисляет не только арсин, но и гемоглобин в метгемоглобин:

_3

3HHb02(Fe2+) 4 2AsH3 —► ЗметННЬ(Ее3+) 4 2HAs02 4 2Н20

Таким образом, арсин представляет собой яд гемолитического действия, и при отравлениях им рекомендуется переливание крови.

Определение мышьяка в биологическом материале проводят по реакции Марша. Для этого к биоматериалу добавляют цинк и соляную кислоту, выделяющийся при этом водород восста­ навливает любое соединение мышьяка до арсина, который при нагревании разлагается с образованием на стенках стеклянной трубки блестящего налета мышьяка (“мышьяковое зеркало”):

Аналогично определяют наличие в биоматериалах сурьмы и висмута.

Оксиды и гидроксиды As(III), Sb(III) и Bi(III) - амфотерные соединения. При этом в соответствии с общей закономерностью у производных мышьяка преобладают кислотные свойства, а у со­ единений висмута - основные свойства. Мышьяковистая кислота в водных растворах может находиться в ортоформе H3ASO3 и ме­ таформе HAS0 2, а соответствующие соли называют ортоарсенитами (Na3A s03, K 3A s03) и метаарсенитами (NaAs02, K A s02).

Соединения мышьяка (III) очень токсичны. Механизм токси­ ческого действия объясняют способностью мышьяка блокировать тиоловые группы (-SH) ферментов и других биологических суб­ стратов:

R—SH 4 НО—A S(OH)2 —► R—S—AS(OH)2 4 Н20

Еще эффективней соединения мышьяка взаимодействуют с 1,2-ди- тиолами, так как при этом образуются циклические дитиоарсениты, которые значительно стабильнее:

316

Поэтому унитиол CH2(SH)CH(SH)CH2S0 3Na и другие 1,2-ди- тиолы являются эффективными антидотами при отравлениях мышьяком.

Мышьяк является кроме того антиметаболитом элементов: фосфора, селена и иода. Так, известно, что в районах, где отме­ чено повышенное содержание мышьяка, он накапливается в щи­ товидной железе, угнетает ее функцию и вызывает эндемический зоб. Смертельная доза для человека составляет 0,1 -^0,3 г мышь­ яка. Интересно, что организм может привыкать к мышьяку, если вводить его соединения, постепенно увеличивая дозу. В ме­ дицинской практике используют AS2O3 для омертвления (некротизации) мягких тканей зуба. В то же время соединения мышьяка не только убивают, но и помогают в борьбе за жизнь. Так, при малокровии, истощении и нервозности назначают мышьяковые препараты (AS2O3, K 3ASO3) в микродозах (0 ,0 0 1 г на прием).

Особенностью солей Sb3+ и Bi3+ является их гидролиз в водной среде с образованием оксокатионов (ВЮ+ - висмутил):

Препарат висмута нитрат основной BiON03 широко приме­ няют в медицине в качестве дезинфицирующего, уничтожающего запахи и одновременно вяжущего средства. Его используют при желудочных и кишечных заболеваниях, особенно при дизентерии и холере. Механизм действия этого препарата, вероятно, связан с его кислотно-основными и комплексообразующими свойствами, а также с гетерогенными процессами осаждения и отслоения в вод­ ных системах (разд. 11.4), которые он может вызывать.

Из соединений As(V), Sb(V), Bi(V) наиболее устойчивы соеди­ нения мышьяка. AS2O5 - кислотный оксид, которому соответству­ ет мышьяковая кислота H3A s04, хорошо растворимая в воде и по силе близкая к Н3РО4. Соли мышьяковой кислоты - арсенаты (Na3As0 4 , K 3A S0 4). Арсенат-ионы, будучи аналогами фосфа­ тов, легко проникают в клетки по транспортным системам фос­ фатов. Они могут конкурировать с фосфатами в процессах этери­ фикации и окислительного фосфорилирования в митохондриях, выступая ингибиторами ферментов, обеспечивающих эти процес­ сы. В отличие от фосфатов, которые устойчивы к восстановлению и не токсичны, соединения мышьяка(У) токсичны, так как в ор­ ганизме человека легко восстанавливаются до соединений As(III) под действием сульфидов или тиолов:

As03~ + 2R—SH —► AsO" + R—S—S—R + 20H~

Образующиеся арсениты являются токсичными соединениями, блокирующими тиоловые группы биосубстратов.

317

Таким образом, мышьяк, сурьма и висмут постоянно при­ сутствуют в живых организмах, но их физиологическая и био­ химическая роль пока практически не выяснена. В то же время соединения этих элементов обладают высокой токсичностью.

12.2.5. КИСЛОРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

Кислород - самый распространенный элемент биосферы (бо­ лее 50 % по массе). Без кислорода невозможны многочисленные чрезвычайно важные жизненные процессы, прежде всего дыхание и окисление биосубстратов. Только немногие живые организмы, называемые анаэробными, могут обходиться без кислорода.

Кислород в периодической системе находится во втором перио­ де в группе VIA. Электронная конфигурация его атома 1s22s^2p4. Наличие двух неспаренных электронов обеспечивает образова­ ние двух связей. Отсутствие вакантных атомных орбиталей во внешнем слое не позволяет кислороду повысить валентность за счет распаривания электронов, как это имеет место у его бли­ жайшего соседа по группе атома серы. Наличие двух неподеленных пар электронов дает возможность атому кислорода вы­ ступать в роли донора одной из них при образовании донорно­ акцепторной связи. В случае самоассоциации молекул воды за счет водородных связей атом кислорода выступает донором обеих неподеленных пар электронов (разд. 6 .1).

Степень окисления кислорода в соединениях обычно равна -2 . Однако существуют соединения, в которых степень окисле­ ния кислорода - 1 (Н2О2, пероксиды) и даже + 2 (дифторид ки­ слорода OF2). Малый размер атома (75 пм), высокое значение энергии ионизации (1313 кДж/моль), большое сродство к элек­ трону (142 кДж/моль) сообщают кислороду свойство окислите­ ля. Высокая электроотрицательность (ОЭО = 3,5) позволяет ки­ слороду оттягивать на себя общие электроны связи, поэтому его связи с другими элементами полярны.

Кислород существует в двух аллотропных модификациях: дикислород О2 (кислород) и трикислород О3 (озон), которые при стандартных условиях являются газами. В атмосфере практически весь кислород содержится в виде О2. Озон в основном находится на высоте 22 км, но и там его объемная доля составляет 10~6 % . Свойства озона будут рассмотрены в разд. 14.1.2.

Поскольку энергия связи в молекуле кислорода О2 состав­ ляет 494 кДж/моль, то она термически очень устойчива и диссо­ циирует лишь начиная с 1500 °С. Что касается высокой химиче­ ской активности кислорода, определяющей его ведущую роль в процессах метаболизма, то она объясняется тем, что молекула кислорода имеет структуру бирадикала ("триплетный кислород"

Ш о = о Ш ). Этим же объясняется и парамагнитность кисло­

рода, вследствие которой его струя отклоняется в магнитном поле.

318

Окислительно-восстановительные свойства. Главная хими­ ческая функция кислорода в организме - окисление веществ, которое всегда сопровождается выделением энергии. Биологиче­ ское окисление подразделяют на свободное окисление, при кото­ ром выделяющаяся энергия переходит в тепловую и рассеивает­ ся, и сопряженное окисление, когда выделяющаяся энергия ис­ пользуется для протекания эндэргонических реакций. Например, для протекания реакций восстановления биосубстратов с помо­ щью восстановленной формы кофермента НАДФ(Н) соответст­ вующих дегидрогеназ (разд. 9.3.5) или окислительного фосфо­ рилирования (разд. 9.3.6 и рис. 9.2).

Для клетки очень важно, чтобы происходила полная утилиза­ ция кислорода:

0 2 + 4е~ + 4Н+ —► 2Н20

Если процесс восстановления кислорода нарушается, то обра­ зуются различные активные формы кислорода: супероксидный анион-радикал •О2, гидропероксидный радикал Н 02-, пероксид водорода Н20 2, гидроксидный радикал НО- и синглетный ки­ слород OJ>, способствующие свободнорадикальному окислению биосубстратов (разд. 9.3.9).

Источником активных форм кислорода может также высту­ пать оксигемоглобин ННЬ02, в тех случаях, когда происходит окисление его иона-комплексообразователя Fe2+ сильными окис­ лителями или активация его лиганда - молекулы кислорода - при взаимодействии с сильными восстановителями. Нарушение окислительно-восстановительных превращений ионов-комплексо- образователей в различных цитохромах также может способство­ вать образованию активных форм кислорода. Это же происходит при радиационном воздействии на организм из-за активации и распада молекул воды с образованием различных радикалов.

За счет кислорода с помощью соответствующих ферментов в организме протекает оксигеназное и диоксигеназное окисление биосубстратов (разд. 9.3.8). Необходимо отметить, что регули­ руемое окисление кислородом биосубстратов всегда происходит при участии ферментов. При этом прямого контакта биосуб­ страта с кислородом нет, а есть контакт между ними только че­ рез ансамбли ферментов, что и позволяет регулировать процесс окисления. При прямом контакте субстрата с какой-либо актив­ ной формой кислорода окислительно-восстановительный процесс протекает по радикальному механизму, и его скорость зависит от концентрации свободных радикалов в клетке.

Защита от вредного действия активных форм кислорода осу­ ществляется с помощью антиоксидантной системы (разд. 9.3.9),

вкоторую входят ферменты супероксиддисмутаза (СОД) и ката­ лаза. Под действием СОД супероксидный радикал превращается

вкислород и пероксид водорода, который разлагается под дейст­ вием каталазы, превращаясь в кислород и воду:2

319

Образовавшийся кислород опять принимает участие в биологи­ ческом окислении. Утилизации пероксида водорода в клетке по­ могает фермент пероксидаза, который катализирует перекисное окисление органических веществ. Наличие пероксидазы в лей­ коцитах способствует уничтожению бактерий и веществ, погло­ щенных лейкоцитарными клетками.

П е р о к с и д в о д о р о д а Н20 2 широко используется в ме­ дицинской практике в основном как наружное бактерицидное средство. Действие Н20 2 основано на его окислительной способ­ ности и безвредности образующихся продуктов 0 2 и Н20. Выде­ ляющийся кислород оказывает противомикробное, дезодори­ рующее и депигментирующее действие. В то же время образую­ щаяся пена способствует очищению ран, удаляя из них частицы тканевого распада. Фармакопейный препарат содержит 3 % Н20 2, для обесцвечивания волос используется 6 % раствор, а 30 % рас­ твор (пергидроль) применяют для удаления юношеских борода­ вок и лечения красного плоского лишая.

Чистый пероксид водорода термодинамически нестабилен и легко разлагается на воду и кислород, а на свету этот процесс протекает со взрывом:

Реакция разложения Н20 2 сопровождается окислительно-восста­ новительной дисмутацией атомов кислорода со степенью окисле­ ния -1 . Поскольку концентрация водных растворов Н20 2 может постоянно снижаться вследствие его разложения, их хранят в темной или непрозрачной посуде. Удобной формой для хранения Н20 2 является гидроперит - таблетки, содержащие комплекс мочевины с пероксидом водорода CO(NH2)2•Н20 2. Для приготов­ ления раствора Н20 2 таблетку гидроперита растворяют в воде.

При действии восстановителей пероксид водорода выступает в роли окислителя:

Н20 2+ 2KI = I2 + 2КОН

Удаление ионов ОН" из зоны реакции способствует усилению окислительных свойств Н20 2.

Восстановительные свойства пероксид водорода проявляет только по отношению к сильным окислителям, окисляясь до свободного кислорода:

5Н20 2 + 2КМп04 + 3H2S04 = 2MnS04 + K2S04 + 8Н20 + 502Т

Эта реакция используется для определения концентрации пе­ роксида водорода в растворах.

320

Растворы Н20 2 широко используются для отбеливания тка­ ней и шерсти, для обеззараживания воды. В санитарно-гигие­ нической практике Н20 2 применяется как дезинфицирующее средство, которое “не загрязняет” очищаемые водные системы продуктами восстановления, так как при этом получается толь­ ко вода.

В водном растворе пероксид водорода - слабая кислота (К\ =

=1,5 •1 0 “ 12), соли которой полностью гидролизуются.

КислотНо-оеновные свойства. Кислородсодержащие соеди­

нения с общей формулой R —О—Н в зависимости от природы R и соотношения полярностей связей R —О и О—Н способны в водных растворах диссоциировать как основания: R —О—Н

активного металла (Na—О—Н, НО—Ва—О—Н), то мы имеем дело с гидроксидом, для которого характерны основные свойства, так как связь R —О более полярна, чем О—Н.

Если R - электроноакцепторный заместитель, состоящий из ато­ мов типичных неметаллов (Н~О—С103, Н—О—N02, Н ~ 0 ~ S02~OH),

О—Н сильно возрастает, и для таких соединений характерны ки­ слотные свойства.

Если R не проявляет четко выраженной тенденции к взаи­ модействию с общей электронной парой связи R —О, то возмож­ ны два варианта. В первом диссоциации подвергаются обе связи: в зависимости от свойств партнера или R —О, или О—Н. В этом случае имеем дело с амфолитом (разд. 8.1). Во втором обе эти связи устойчивы к диссоциации в водной среде, например в случае одноатомных алифатических спиртов (разд. 17.3). Таким образом, кислотно-основные свойства кислородсодержащих со­ единений типа ROH определяются свойствами заместителя при группе ОН и партнера, с которым они взаимодействуют.

Комплексообразующие свойства. Молекула кислорода, хо­ тя и содержит неподеленные электронные пары, является ма­ лоактивным лигандом. Кислород плохо растворяется в воде. При 20 °С в 100 объемах воды растворяется лишь 3,1 объема ки­ слорода, поэтому один литр плазмы крови переносит лишь 5 мл кислорода в растворенном виде. Функцию транспорта кислорода у высших животных выполняет находящийся в эритроцитах ге­ моглобин, который, соединяясь в легких с кислородом, образует легко диссоциирующий комплекс оксигемоглобин (разд. 10.4). Благодаря оксигемоглобину один литр крови переносит 250 мл кислорода в капилляры различных органов. Здесь оксигемогло­ бин отдает кислород, который диффундирует через стенки ка­ пилляров в ткани. Меньшая часть поступившего кислорода со­ единяется за счет донорно-акцепторной связи с миоглобином для накопления кислорода в тканях и поддержания необходимого парциального давления, а основная часть вступает в процессы

321

11-3453

метаболизма, превращаясь в конце концов в оксид углерода(1У) и воду, которые с помощью венозной крови выводятся из орга­ низма через легкие и почки.

Кислородсодержащие соединения из-за низкой подвижности неподеленных электронных пар атома кислорода также являются малоактивными лигандами. Однако, если кислородсодержащая группа в соединении образует анион, то подвижность электрон­ ных пар в системе, несущей отрицательный заряд, резко возрас­ тает. Это способствует образованию комплексных соединений. Так, многоатомные спирты или многоосновные органические кислоты дают в щелочной среде устойчивые хелатные комплек­ сы с катионами d-металлов:

ЗНООС—СООН + FeCl3 + 6 NaOH = Na3[Fe(C20 4)3] + 3NaCl + 6H20

В заключение следует подчеркнуть, что главная химическая функция кислорода в живой природе - окислительная.

Круговорот кислорода в природе. В атмосфере нашей пла­ неты в настоящее время содержится 1 ,2 • 1 0 15 т кислорода. В результате фотосинтеза растения ежегодно выделяют в ат­ мосферу 2,5 • 1011 т кислорода. Почти такое же количество в течение года расходуется в процессах дыхания и гниения расти­ тельных и животных остатков. Основными конечными продук­ тами этих окислительных процессов являются С02 и Н20. Реге­ нерация кислорода из них совершается в растениях за счет фото­ синтеза (разд. 9.3.7). Таким образом, в результате круговорота кислорода, в основе которого лежат окислительно-восстанови­ тельные процессы и который тесно связан с круговоротом уг­ лерода (разд. 1 2 .2 .2 ), в атмосфере поддерживается постоянное содержание кислорода.

12.2.6.СЕРА И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯ

Впериодической системе сера расположена в III периоде, в группе VIA. Электронная конфигурация ее атома ls 22s22p63s23p4. Наличие во внешнем слое двух неспаренных электронов позволя­ ет атому серы образовывать две связи. Однако, в отличие от ки­ слорода, у атома серы на валентном уровне имеется пять свобод­ ных d-орбиталей. Поэтому при возбуждении у атома серы могут

возникать состояния с четырьмя неспаренными электронами 3s23p83d1 и с шестью неспаренными электронами 3s13ps3d2f ко­ торые позволяют сере образовывать 4 и 6 связей соответственно. Максимальная степень окисления серы в соединениях + 6 (SO3, H2S04, R-OSO 3H, а минимальная -2 (H2S, R —SH, R —S—R). В серосодержащих биосубстратах организма сера обычно имеет минимальную степень окисления ( - 2 ), что способствует высо­

322

кой восстановительной активности этих соединений, особенно соединений, содержащих тиольную группу (R —SH). Эта группа легко окисляется в дисульфидную группу (R —S—S—R), содер­ жащую атомы серы со степенью окисления - 1 .

Большой радиус атома серы, невысокая электроотрицатель­ ность (ОЭО = 2,5), наличие внутреннего электронного экрана 2s22p6 и вакантных Зс^-орбиталей во внешнем слое способствуют уменьшению энергии серосодержащих связей и увеличивают поляризуемость как связей, так и неподеленных пар электронов внешнего слоя. Все это делает атом серы в соединениях чрезвы­ чайно мягким центром, склонным к взаимодействию прежде все­ го с мягкими легкополяризуемыми реагентами, а также к обра­ зованию связей с аналогичным атомом серы (R —S—S—R).

Кислотно-основные свойства. Высокая поляризуемость (мяг­ кость) атома серы объясняет низкое сродство ее соединений с об­ щей формулой R —SH к протону - самому жесткому из реагентов:

Это проявляется, как видно из приведенных данных, в резком уменьшении основности и увеличении кислотности серосодер­ жащих соединений по сравнению с кислородными аналогами.

Высокая поляризуемость электронной оболочки атома серы ска­ зывается также на окислительно-восстановительных, комплексооб­ разующих и нуклеофильных свойствах серосодержащих соединений.

Окислительно-восстановительные свойства. Из всех органо­ генов только сера в степени окисления - 2 окисляется легче, чем углерод органических соединений. Поэтому защитные свойства относительно окислителей и активных радикалов проявляют прежде всего тиолы R —SH. При мягком окислении тиолов про­ исходит образование дисульфидов:

Этот процесс в условиях организма носит обратимый характер, о чем свидетельствует значение его нормального восстанови­ тельного потенциала.

Свободную тиольную группу содержит а-аминокислота цис­ теин, которая при мягком окислении переходит в цистин:

Цистеинсодержащие белки в результате подобного окисления образуют дисульфидные связи, вследствие чего изменяются их конформация и биологические функции. В организме роль про-

323

L 1 *

текторов цистеинсодержащих белков выполняют глютатион (G—SH), являющийся трипептидом, содержащим цистеин, и дигидролипоевая кислота, которые принимают на себя действие окислителя и таким образом защищают чувствительные белки. Окисление этих протекторов происходит по-разному: для глютатиона оно протекает межмолекулярно, сшивая его две молекулы дисульфидным мостиком, а для дигидролипоевой кислоты - внутримолекулярно с образованием липоевой кислоты:

-2е~, -2Н +

Поскольку эти процессы носят обратимый характер, то они позволяют поддерживать в организме тиол-дисульфидное рав­ новесие, которое лежит в основе регуляции активности фермен­ тов и гормонов, проницаемости мембран, свертывания крови и адаптации организма к экстремальным воздействиям.

При появлении в клетке радикалов *02, Н 02, *ОН, вследст­ вие неферментативного окисления или радиационного воздей­ ствия, тиоловые протекторы, взаимодействуя с этими радика­ лами, нейтрализуют их. При этом появляются тиоловые ради­ калы, менее активные и склонные к самоликвидации за счет

Таким образом, тиоловые протекторы защищают организм и в случае атаки радикалами, но концентрация этих естественных протекторов ограничена. С целью усиления протекторной защиты организма от указанных воздействий используют тиоловые анти­ доты, содержащие две близко расположенные тиоловые группы !2,3-димеркаптопропанол-1 (БАЛ)) или тио- и аминогруппы 2-амино-З-меркапто-З-метилбутановая кислота (пеницилламин)), а также препараты унитиол и сукцимер (разд. 10.4), используе­ мые в хелатотерапии как лиганды при отравлении ионами тя­ желых металлов.

Комплексообразующие свойства. Тиолсодержащие биосуб­ страты, вследствие большой поляризуемости атома серы, являют­ ся мягкими и активными лигандами. Поскольку катионы тяже­ лых металлов относятся к мягким комплексообразователям, осо­

324

бенно Cu2+, Ag+, Hg2+, то они активно взаимодействуют с тиольными группами многих серосодержащих биосубстратов, включая ферменты (Ф-SH), с образованием прочных комплексов:

2Ф—SH + Hg2+ —► Ф—S—Hg—S—Ф + 2Н+

В результате субстрат или фермент теряет биологическую актив­ ность, поэтому ионы тяжелых металлов являются токсикантами. Детоксикация организма от катионов металлов-токсикантов с помощью хелатотерапии была рассмотрена в разд. 10.5.

Сродство катионов A g+ к тиольным группам настолько ве­ лико, что AgNC>3 используют для количественного определения содержания в исследуемой пробе групп —SH методом титрова­ ния. Это позволяет оценивать буферную емкость антиоксидант­ ной системы организма (разд. 9.3.9).

Нуклеофильные и электрофильные свойства. Большой ра­ диус атома серы и наличие двух неподеленных электронных пар способствуют его высокой поляризуемости. Благодаря этому для тиолов характерна высокая нуклеофильность за счет атома серы. Вследствие высокой нуклеофильности тиоловые биосубстраты чувствительны к действию алкилирующих реагентов, включая такие отравляющие вещества, как люизит и иприт. Действие люизита связано с ингибированием дигидролипоевой кислоты - кофактора оксидазных ферментов:

Защитные свойства от действия люизита проявляют выше­ перечисленные тиоловые антидоты (БАЛ, унитиол и др.), кото­ рые не только связывают свободные молекулы яда, но и высво­ бождают дигидролипоевую кислоту из ее комплекса с люизитом.

Вследствие высокой нуклеофильности и повышенной кислот­ ности тиолы легче вступают в реакцию этерификации, чем спирты. Эта особенность тиолов реализуется в природе в случае кофермента А, содержащего тиольную группу (HSKoA). Кофермент А при взаимодействии с карбоновыми кислотами в присутствии фермента ацилКоА-синтетазы образует ацилкофермент А:

Этот процесс эндэргонический и поэтому сопряжен с гидроли­ зом АТФ.

325