Слесарев. Основы Химии живого

Вдыхание оксида азота(1У) в концентрации более 600 мг/м3 приводит к смертельному исходу в результате отека легких (асфиксия). О свойствах NO2 как загрязнителя атмосферы см. разд. 14.1.

Окс ид азота(У) N 2O5 - кислотный оксид, при его рас­ творении в воде образуется азотная кислота. HNO3 - сильная кислота, которая в разбавленных растворах полностью диссо­ циирует на ионы.

В окислительно-восстановительных реакциях азотная ки­ слота - сильный окислитель, причем азот в степени окисления (+5), входящий в состав азотной кислоты, является настолько сильным окислителем в сравнении с катионом водорода, что среди продуктов ее восстановления не образуется молекуляр­ ный водород, а есть только продукты восстановления азота (NO2, NO, N2O, N2, NH4NO3). Соли азотной кислоты - нитраты - также являются довольно сильными окислителями. Поэтому нитраты, присутствующие в больших количествах в некоторых продуктах питания, попадая в организм, легко восстанавлива­ ются до токсичных нитритов:

NO£ + 2Н+ + 2е“ -► N02 + Н20

В России санитарные нормы регламентируют содержание нитратов в питьевой воде не более 10 мг/л. Высокое содержание нитратов в воде может приводить к заболеванию раком желудка и являться причиной повышенной детской смертности. Свойства оксидов азо­ та и их производных как токсикантов рассмотрены в разд. 14.1.

12.2.4.ФОСФОР И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

Впериодической системе фосфор, как и азот, находится в группе VA, но в III периоде. Его электронная конфигурация ls*2s22p63s23p3. Наличие в валентном слое трех неспаренных электронов приводит к образованию трех связей. Однако, в отли­ чие от элементов II периода, фосфор имеет в валентном слое сво­ бодные З^-орбитали. Поэтому при возбуждении атома фосфора легко достигается состояние с пятью неспаренными электронами ls22s22p63s13p33d1, что позволяет ему образовывать пять связей.

Таким образом, фосфор в своих соединениях проявляет валент­ ность 3 и 5. Степень окисления атома фосфора в соединениях может меняться от -3 до +5:

В природе фосфор встречается только в формах, содержащих фосфат-анион РО|“. Это обусловлено тем, что фосфор образует с

311

кислородом более прочные связи, чем с другими органогенами. В организме фосфор встречается только в виде фосфатов, неор­ ганических и органических. Все они имеют тетраэдрическую структуру, в которой атом фосфора расположен в центре тетра­ эдра, а атомы кислорода - в его вершинах.

Фосфаты в живых организмах играют две ключевые роли. Во-первых, они служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань по­ строена главным образом из гидроксиапатита Са5(Р04)з0Н. Ос­ нову клеточных мембран составляют фосфолипиды (разд. 20.2). Остов нуклеиновых кислот состоит из рибозоили дезоксирибозофосфатных цепей (разд. 23.4).

Вторая, более оригинальная роль фосфатов, точнее поли­ фосфатов, в организме заключается в аккумуляции и переносе энергии от экзэргонических к эндэргоническим реакциям и процессам (разд. 4.5). Поскольку фосфор в живых системах представлен только фосфатами, рассмотрение свойств фосфор­ содержащих соединений ограничим только ими.

Кислотные свойства. Из оксидов фосфора наибольшее зна­ чение имеет оксид фосфора(У) Р2О5, проявляющий кислотные свойства и существующий в молекулярной форме Р4ОЮ. Глав­ ная особенность оксида Р2О5 - очень большое сродство к воде. Поэтому он часто используется как эффективный осушитель для газов и органических растворителей.

Оксид фосфора(У) может присоединять одну, две, три и более молекул воды. При этом образуются метафосфорная (НРО3), дифосфорная, или пирофосфорная (Н4Р2О7), ортофосфорная (Н3РО4)

иполифосфорные кислоты (Р2О5 •71Н2О):

Р2 О5

Самое замечательное свойство этих кислот - способность превращаться друг в друга в результате гидролиза (присоедине­ ния воды) или в результате дегидратации (потери воды). При дегидратации фосфаты могут образовывать диили полифосфа­ ты, характерной особенностью которых является наличие в их молекулах одной или нескольких ангидридных групп:

312

Общая формула неорганических полифосфатов Н(Р02)л(0Н)л+1, а органических - R(P02)n(OH)n+j, где п - степень конденсации.

О р т о ф о с ф о р н а я к и с л о т а Н3РО4 — трехосновная ки­ слота: рК\ = 2,13, рК£ = 7,21, рК1} 1—12,38. Она образует сред­ ние (Na3P04) и кислые (Na2HP04 и NaH2P04) соли. В водных растворах соли ортофосфорной кислоты гидролизуются. При этом дигидрофосфаты дают кислую среду 4 < pH < 6, гидрофос­ фаты - слабощелочную 7 < pH < 9, а средние фосфаты - щелоч­ ную pH > 11,5. Совокупность кислых фосфатов НРО|~ и Н2РО4 образует в крови фосфатную буферную систему (разд. 8.5), ко­ торая вместе с другими буферными системами обеспечивает по­ стоянство pH крови. Ортофосфорная кислота и труднораствори­ мые фосфаты алюминия AIPO4 и цинка Zn3(P04)2 входят в со­ став фосфат-цементов, применяемых в стоматологии в качестве пломбировочного материала.

Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Са5(Р04)30Н, называемый гидроксиапатитом. Образование малорастворимого Саб(Р04)з0Н можно выразить общим уравнением (разд. 11.4):

минерализация

(о с те о б ла с ты )

Следовательно, формирование костной ткани в организме яв­ ляется результатом протекания взаимопротивоположных реак­ ций минерализации (осаждения) и деминерализации (растворе­ ния) кости. Но эти две взаимообратные реакции происходят в разных клетках: минерализация - в остеобластах, а деминера­ лизация - в остеокластах. Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция, но эта связь антагонистична. При увеличении содержания кальция в крови наблюдается умень­ шение содержания фосфатов, прежде всего неорганических.

Анионы ортофосфорной кислоты в результате ферментатив­ ных реакций фосфорилирования различных биосубстратов об­ разуют органические фосфаты ROPO(OH)2, которые в тканях обычно полностью ионизованы:

0 “

О-

Д и ф о с ф о р н а я к и с л о т а Н4Р2О7 - хорошо растворима в воде и в растворе постепенно (а при нагревании - быстрее) превращается в ортофосфорную кислоту в результате гидролиза по ангидридной группе:

313

В тканях эта реакция катализируется пирофосфатазой. Дифосфорная кислота является более сильной, чем ортофосфорная, в соответствии с общим правилом увеличения силы кислот при их конденсации. Особенно легко удаляются первые два протона: рК\= 0,85; рК1} - 1,95; piT™ - 6,68; ptf™ - 9,39. Ки­ слотные свойства органических полифосфатов R(P02)n(0H)n+1 подобны свойствам дифосфорной кислоты, но их полная ней­ трализация происходит в среде близкой к нейтральной (pH < 8). Поэтому фосфатные группы полифосфатов АТФ и АДФ в ус­ ловиях организма находятся почти полностью в ионизован­ ном состоянии АТФ4- и АДФ3- (полианионы). Фосфатные группы нуклеиновых кислот и других органических фосфа­ тов в условия организма также ионизованы практически пол­ ностью.

Комплексообразующие свойства. Анионы неорганических и органических фосфатов являются довольно жесткими лигандами, поэтому они образуют комплексы преимущественно с жесткими комплексообразователями. Так, во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют главным образом в виде комплексов с магнием МвАТФ2~, МвАДФ". Эти комплексы являются актив­ ной формой АТФ в ферментативных реакциях фосфорилирования различных биосубстратов с образованием органических фосфа­ тов. Активация нуклеиновых кислот происходит за счет обра­ зования ими по фосфатным группам довольно лабильных ком­

плексов с внутриклеточными катионами К+ и Mg2+.

Макроэргические свойства полифосфатов. Особого внима­ ния заслуживают соединения, содержащие ангидридные группы, например аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ). В ангидридной группе связи Р—О имеют большую длину, а атомы фосфора несут значительный частичный положительный заряд, что делает эту группу удобной для атаки нуклеофилом по атому фосфора. В качестве нуклеофила могут выступать: Н2О: при реак-

•• ••

ции гидролиза, ROH при этерификации или RNH2 при аммоно-

лизе. Этой атаке способствует также то, что полифосфатный фрагмент АТФ связан в комплекс с катионом магния и что атом фосфора содержит свободные З^-орбитали, готовые принять элек­ тронную пару нуклеофила. В организме, где среда водная, чаще всего протекает реакция гидролиза АТФ, сопровождаемая раз­ рывом связи Р—О в ангидридной группе и выделением энергии. Поэтому связь Р—О называют макроэргической связью и часто обозначают волнистой линией: Р~0. Непосредственно разрыв мак­ роэргической связи, как и любой связи, требует затраты энергии, но за счет энергии, выделяющейся при гидролизе и гидратации об­ разующихся частиц АДФ и Н2РО4, это превращение АТФ в це­ лом сопровождается выделением энергии: AG°= -30,5 кДж/моль (разд. 4.5).

314

Концентрация АТФ в клетках поддерживается на относи­ тельно постоянном уровне, поскольку скорость его образования приблизительно уравновешивается скоростью его гидролиза. Всего в организме человека около 30 г АТФ, и чтобы удовле­ творить потребности организма в химической энергии вся АТФ организма в течение суток должна десятки тысяч раз прогидролизоваться до АДФ и фосфата с последующим ресинтезом. Та­ ким образом, концевые фосфатные группы молекул АТФ пре­ терпевают непрерывное обновление в процессах метаболизма. Они постоянно отщепляются и замещаются новыми за счет ор­ тофосфат-анионов клетки.

Образование АТФ в клетке в основном происходит в мито­ хондриях за счет энергии» выделяющейся приwбиологическом окислении (разд. 9,8.6). Энергия гидролиза АТФ является глав­ ной энергетической валютой, обеспечивающей круговорот энер­ гии в клетках.

Окислительно-восстановительные свойства. Поскольку в фос­ фатах атом фосфора имеет наивысшую степень окисления (+5), то он может выступать только окислителем. Однако эти свойст­ ва для фосфатов в условиях организма не характерны. В то же время при гниении трупов в отсутствие кислорода за счет вос­ становления фосфатов образуется фосфин РН3. Фосфин очень ядовит, но легко окисляется на воздухе. Эта реакция сопрово­ ждается даже воспламенением, что является причиной появле­ ния огоньков над старыми могилами.

Круговорот фосфора в природе осуществляется посредством фосфатов, поэтому он не сложен, так как не сопровождается изменениями степени окисления атома фосфора. Значительная часть фосфора рано или поздно попадает в океан и откладыва­ ется в виде фосфатов в осадочных породах (рис. 12.5).

Общая характеристика и биологическая роль тяжелых эле­ ментов группы VA. В группе VA кроме азота и фосфора находятся

процессы разложения отложение фосфатов

Рис. 12.5. Круговорот фосфора в природе

315

их электронные аналоги - ns2npz-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, +3 и +5.

Водородсодержащие соединения: арсин АзНз, стибин вЬНз, висмутин ВШз - 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:

3HHb02(Fe2+) + 2AsH8 —► 8M©THHb(Fe8+) + 2HAeOs + 2Ha0

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 добавляет цинк и соляную кислоту, выделяющийся при атом водород восста­ навливает любое соединение мышьяка до арсина, который при нагревании разлагается с образованием на стенках стеклянной трубки блестящего налета мышьяка (“мышьяковое зеркало"):

AS203 + 6Zn + 12НС1 -*• 2AaHst + 6ZriCla + 3H80

2AsHg -**► 2As + 8H2T

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 HAs02, а соответствующие соли называют ортоарсенитами (ИазАзОз, K3ASO3) и метаарсенитами (NaAs02, KAs02).

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

R—SH + НО—As(OH) 2 — R—S—As(OH) 2 + 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)CH2SC>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 А82О3 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 (А82О3, KgAeOg) в микродозах (0,001 г

на прием).

Особенностью солей Sb8+ и В18+. является их гидролиз в водной среде с образованием оксокатионов (ВЮ+ - висмутил):

B1(N0S)3 + HjO sgte. BiONOg + 2HN08

Препарат виемута нитрат основной BiONOa 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 НзАв04, хорошо растворимая в воде и по силе близкая к Н3РО4. Соли мышьяковой кислоты - арсенаты (NagAsC^, K3ASO4). Арсенат-ионы, будучи аналогами фосфа­ тов, легко проникают в клетки по транспортным системам фос­ фатов. Они могут конкурировать с фосфатами в процессах этерификации 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:

AsOJ- + S2“ + 2Н20 —► AsOg + S + 40КГ

AsO*" + 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 ls22s*2p*. 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 донорноакцепторной 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 0F2)* 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 62 (кислород) и трикислород 03 (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 0==° 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 фосфорилирования (разд. 9.3.6 и рис. 9.2).

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

0 2 + 4е" + 4Н+ —► 2Н20

Бели процесс восстановления кислорода нарушается, то обра­ зуются различные активные формы кислорода: супероксидный анион-радикал -Ojj, гидропероксидный радикал Н02#, пероксид водорода Н2О2, гидроксидный радикал НО* и синглетный ки­ слород 0£, 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 каталаза. Под действием СОД супероксидный радикал превращается

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

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, по­ глощенных лейкоцитарными клетками.

П е р о к с и д в о д о р о д а Н2О2 широко используется в ме­ дицинской практике в основном как наружное бактерицидное средство. Действие Н2О2 основано на его окислительной способ­ ности и безвредности образующихся продуктов О2 и Н2О. 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 % Н2О2, 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 Н2О2 сопровождается окислительно-восста- новительной дисмутацией атомов кислорода со степенью окис­ ления -1. Поскольку концентрация водных растворов Н2О2 мо­ жет постоянно снижаться вследствие его разложения, их хранят

втемной или непрозрачной посуде. Удобной формой для хранения Н2О2 является гидроперит - таблетки, содержащие комплекс мочевины с пероксидом водорода CO(NH2)2*Н2О2. Для приготов­ ления раствора Н2О2 таблетку гидроперита растворяют в воде.

При действии восстановителей пероксид водорода выступает

вроли окислителя:

Удаление ионов ОНиз зоны реакции способствует усилению окислительных свойств Н2О2.

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