Электрохимия в наших телах
Эта статья приоткрывает завесу над тайной жизни, болезней, старения и смерти. То, что вы прочтете ниже, позволяет понять не только теоретические основы жизнедеятельности, но и увидеть пути к преодолению многих патологических состояний человека.
Заранее прошу у читателя прощения за обилие специальных терминов — к сожалению, их ничем заменить нельзя.
Редокс (редукция (восстановление) и оксидация (окисление))
Химия, подобно всем остальным наукам, оперирует высоко техническими понятиями, в которые химики вкладывают вполне определенный смысл. Ниже я дам подробное разъяснение некоторым понятиям и концепциям, относящимся к окислительно-восстановительным процессам или, для краткости, редокс-процессам. Этот материал является фундаментом для всего последующего изложения.
Начнем с чрезвычайно широкого понятия «окисление», которое является источником огромного числа недоразумений. Прежде всего, окислением называется любой химический процесс, при котором от атома или молекулы отнимаются электроны. При этом вещество, отдающее электроны, называется донором или восстановителем, а вещество, забирающее электроны — акцептором или окислителем. Одновременно переноситься могут один, два или более электронов.
Всем известно, что кислород является окислителем. Но окислить что-то может не только кислород — так, например, такие галогены, как хлор или йод легко присоединяют электроны и безо всякого кислорода.
Точно также и катионы металлов, такие как серебро (Ag+), железо (Fe3+), медь (Cu2+) или хром (Cr6+) с готовностью присоединяют электроны. Такие органические молекулы, как хиноны, флавины и пиридины, тоже присоединяют и удерживают электроны, и, таким образом, выступают в роли биологических окислителей. Даже ион гидроксония (Н3О+), играющий важную роль в кислотно-щелочном равновесии (рН) тканей, иногда ведет себя как слабый окислитель. Присоединение протонов (ионов водорода) к другим окислителям, что имеет место в растворах кислот, зачастую приводит превращению таких «протонированных» молекул в еще более мощные окислители, поскольку в результате объединения электрофильность, очевидно, возрастает. Положительно заряженный электрод, называемый анодом (при приложении достаточно высокого напряжения), может выступать в роли чрезвычайно сильного окислителя.
Другим фундаментальным понятием в биохимии редокс-процессов является концентрация ионов водорода, известная как рН. В сильно кислой среде (при низких значениях рН), реакции по переносу электронов зачастую ингибируются. Это происходит благодаря наличию сильной ковалентной связи между восстановителем, удерживающим потенциально отделимый электрон, и присоединенным к нему протоном. Таким образом, для осуществления отрыва и переноса электрона необходим более сильный окислитель. Если такой окислитель находится, происходит перенос атома водорода — этот процесс называется дегидрогенизацией. В более нейтральной или даже щелочной среде чаще всего переносится гидрид-анион (Н-) или электрон. Эти реакции можно описать следующими уравнениями, где ХH2 обозначает двухвалентный восстановитель, а [О] — окислитель.
Кислая среда: XH2 + [O] → X + H2[O]
Нейтральная среда: XH- + [O] → X + H[O]-
Щелочная среда: X-- + [O] → X + [O]—
Ярким примером подобных реакций является самоокисление пищевых продуктов на воздухе. Благодаря наличию определенных восстановителей, таких как, например, полифенолы или аскорбаты, длительно хранящаяся пища со временем теряет свои свойства, поскольку кислород воздуха даже при комнатной температуре медленно дегидрогенизирует эти восстановители. Именно поэтому вина или свежий кофе со временем утрачивают свой первоначальный вкусовой букет и становятся горькими на вкус — самоокисление превращает полифенолы в ортохиноны. Щелочной витамин С при самоокислении медленно превращается в дегидроаскорбат, в то время как аскорбиновая кислота намного более устойчива к этому процессу. Таким образом, кислоты могут служить пищевыми консервантами, защищая чувствительные к окислению восстановители, содержащиеся в пище.
Другим значением слова «окисление» является присоединение кислорода к другому атому или молекуле. Так, например, фермент цитохром Р450 может присоединять один атом кислорода к своему ароматическому кольцу и превращаться в эпоксид. Диоксид хлора (ClO2) и озон (О3) обладают теми же свойствами. Как правило, озон присоединяет к другой молекуле все три атома кислорода с образованием озонида. Молекулярный кислород (О2) может присоединяться к определенным субстратам при помощи фермента диоксигеназы. Кроме того, под воздействием ультрафиолета, О2 может переходить в энергетически более высокое состояние синглетного кислорода (1О2), после чего уже легко присоединяться к другим молекулам с образованием липоперекисей, диоксетанов и эндоперекисей. Некоторые ферменты, такие как альдегид-дегидрогеназа и ксантин-оксидаза, сначала присоединяют к субстрату молекулу воды (Н2О), а потом отрывают от нее же два атома водорода, за счет чего, в конечном счете, и осуществляется присоединение О2.
С другой стороны, оксигенация (насыщение кислородом) — это физиологическое понятие, строго ограниченное процессом поглощения из окружающей среды молекулярного кислорода с последующей доставкой его в ткани. Жизнь так называемых аэробных организмов сильно зависит от этого процесса. Анаэробные организмы используют для производства энергии и иных метаболических функций не столько кислород, сколько другие окислители, и зачастую могут быть уничтожены оксигенацией, если только у них нет способности противостоять этому. Некоторые бактерии и опухоли, не являясь строго анаэробными, тем не менее, лучше всего процветают в условиях низкого напряжения кислорода. Их можно называть микроаэрофильными.
Радикалы
Теперь мы рассмотрим некоторые фундаментальные аспекты химических связей, химии свободных радикалов и механизмов гашения таковых.
Существует несколько типов химических связей, удерживающих атомы и молекулы вместе. К ним относятся ионные связи, ион-дипольное притяжение, диполь-дипольное притяжение, водородные связи, комплексы «лиганд-катион» и «комплексон-катион», металлические связи и ковалентные связи. Ковалентные связи образуются между атомами, способными обладать общими электронами. В каждой ковалентной связи обнаруживаются два электрона с противоположными спинами — выполнение этого условия необходимо для занятия одной и той же молекулярной орбиты. Ситуация напоминает попытку плотно совместить два маленьких магнитика. Понятно, что это возможно только при условии противоположной направленности их полюсов.
Существует два типа ковалентных связей — сигма и пи. Сигма-связь намного прочнее и может быть представлена как веретенообразное облако между двумя атомами. Ось веретена совпадает с прямой линией, соединяющей связанные атомы. В структурных формулах сигма-связь обозначается прямой линией.
X–X
Пи-связь слабее, занимает более высокий энергетический уровень и более подвержена вступлению в химические реакции. Ее форма больше напоминает две параллельно расположенные сосиски, по одной на каждой стороне сигма-связи, вогнутые вовнутрь. Когда сигма-связь прикрывается сбоку пи-связью, это называется двойной связью, а в структурных формулах обычно обозначается двумя параллельными линиями.
X=X
Некоторые молекулярные структуры имеют чередующиеся одинарные и двойные связи. Если сигма-связи таких структур расположены в одной и той же плоскости, а пи-связи находятся над и под этими компланарными сигма-связями, то такие пи-связи называются конъюгированными. Конъюгированные пи-связи воздействуют друг на друга электрически, магнитно и химически. Электрические заряды, а также неспаренные электроны могут менять свои позиции и, таким образом, переноситься через систему конъюгированных пи-связей. Подобное смещение заряда или неспаренная характеристика называется резонансом.
X=X–X=X–X=X–X=X
Группы атомов, являющиеся частью одной и той же молекулы, но торчащие как конечности или лучи, и при этом ковалентно связанные, называются связанными радикалами. Молекулы могут разламываться на части при бомбардировке молекулами же (что происходит при высоких температурах), субатомными частицами высоких энергий, фотонами или в результате химической реакции. Любой такой «обломок» можно было бы назвать свободным радикалом. Однако этот термин применяется только к атомам или группам атомов, обладающих неспаренным электроном. Процесс возникновения свободных радикалов часто называется запуском.
RR' → R* + *R'
Благодаря наличию неспаренного электрона, свободные радикалы являются парамагнетиками. Подобно крошечным магнитикам, их можно заставить «переворачиваться» туда-сюда сконцентрированными волноводом радиоволнами. Каждый тип свободного радикала характеристически поглощает свои радиочастоты и передает другие. Иными словами, у каждого радикала имеется свой собственный, уникальный спектр поглощения, известный как электронный спиновый резонанс. Снятие подобных спектров очень помогает идентифицировать и изучать структуру/поведение свободных радикалов с коротким временем жизни.
~~~~ + *R → ~~*R~~
Свободные радикалы чрезвычайно реакционноспособны, поскольку спаривание «кредитного» электрона с другим (с противоположным спином) чрезвычайно выгодно с энергетической точки зрения — может образоваться новая ковалентная связь. «Кредитный» электрон, связанный с конъюгированными пи-связями может менять свое местоположение или резонировать. Резонансы делают радикалы более стабильными энергетически, но немного менее реакционноспособными.
В большинстве систем, где генерируются свободные радикалы, таковые являются короткоживущими потому, что они имеют особенность быстро спариваться или сочетаться друг с другом. Либо они могут присоединяться к нерадикалам, как правило, в области пи-связи, образуя аддукт (продукт присоединения). В зависимости от обстоятельств, такие реакции называются ловушками, димеризацией, алкилированием, прерыванием или гашением.
R* + *R' → RR'
R* + C=C → R-C-C*
Если свободные радикалы генерируются в присутствие активных доноров водорода или электронов, они часто присоединяют атом водорода или электрон, приобретая, таким образом, пару к своему неспаренному электрону, т.е. гасятся. Именно по этой причине свободные радикалы часто считаются окислителями, а вещества, ингибирующие их активность, называются расхожим и расплывчатым термином «антиоксиданты».
R* + AOH → RH + AO*
Однако далеко не все свободные радикалы являются сильными окислителями, равно как и не все гасители таковых делают это за счет восстановления. Иными словами, некоторым свободным радикалам легче отдать свой электрон, т.е. выступить в роли восстановителей. Понятно, что такие радикалы лучше гасить окислителями.
*RH + [O] → R + H[O]*
Еще одним способом устранения свободных радикалов является комбинированный. Сначала электрон отнимается у одного из радикалов, а затем передается другому. Совмещение окисления и восстановления подобных молекул называется диспропорционированием. Если эта операция применяется для гашения свободных радикалов, процесс называется дисмутацией.
*OOH + *OOH → OO + HOOH
В биологических системах используются все перечисленные способы элиминации свободных радикалов. Например: тиольные радикалы (RS*), возникающие при окислении тиолов (RSH), как правило, объединяются с образованием дисульфидов (RSSR).
RS* + R'S* → RSSR'
Ярчайшими примерами могут служить тиоловые группы глутатиона, тиоктовой (липоевой) кислоты и металлотионеина.
Множество различных гетероциклических соединений, ароматических соединений и терпенов, встречающихся в Природе, обладают способностью захватывать свободные радикалы путем ковалентного присоединения к пи-связям. Удачным примером может служить мочевая кислота, способная выдержать атаку свободных радикалов без каких-либо побочных эффектов. Неудачным примером является гуанин, взаимодействие которого со свободным радикалом может привести к мутации.
Семейство доноров водорода, присутствующих во многих видах, служит для элиминации окисляющих радикалов. К таким донорам относятся: тиолы, аскорбаты, убихинолы, токоферолы и полифенолы. Каждый из них может рассматриваться в роли сторожевого пса, охраняющего определенный иерархический уровень организма (см. работы Э. Ревичи). Глутатион (тиоловое соединение) находится, преимущественно, в цитоплазме клеток. Тогда как аскорбат (энедиол) работает, преимущественно, во внеклеточной жидкости. Убихинолы и токоферолы с их длинными липофильными терпеновыми боковыми цепями склонны концентрироваться в клеточных мембранах и липидных частицах, где они восстанавливают радикалы с кислородом в качестве центрального атома. Полифенолы, такие как катехины и галлаты, защищают те или иные ткани, в которых они концентрируются. Пул водородных доноров характеризуется существенной многогранностью, особенно если все виды доноров присутствуют в оптимальных количествах. Все доноры могут обмениваться друг с другом ионами водорода, так что если у одного вида восстановителей атомы водорода заканчиваются (истощается восстановительная способность), ими могут поделиться с ним соседствующие, реактивировав, таким образом, угасший механизм. Так, например, витамин С может вернуть к жизни окисленный витамин Е и наоборот. Для того чтобы существенно истощить все семейство интерактивных антиоксидантов, требуется непрерывное и длительное окисление.
Гашение свободных радикалов путем окисления происходит, когда отнимается один из «лишних» электронов атома водорода. Хорошим примером может служить окисление семихинон-радикала (*QH) или аскорбил-радикала (*O-C=C-OH) церрулоплазмином (ЦП) с образованием нерадикалов хинона (Q) или дегидроаскорбиновой кислоты (O=C-C=O) соответственно.
*QH + ЦП(окисл.) → Q + ЦП(восст.)
*O-C=C-OH + ЦП(окисл.) → O=C-C=O + ЦП(восст.)
Антиоксидантный фермент супероксид-дисмутаза (СОД) диспропорционирует анионы супероксид-радикала (*OO-). В качестве активного редокс-центра СОД использует катион меди (Cu2+), который отнимает у супероксида электрон, превращая его в молекулярный кислород (О2).
Cu++ + -OO* → Cu+ + O2
После этого восстановленный катион меди (Cu+) дожидается второго супероксида (*OO-), которому он отдает ранее принятый электрон, в результате чего образуется перекись водорода (Н2О2).
Cu+ + -OO* + 2H+ → Cu++ + H2O2
Часто используются также комбинированные механизмы гашения. Так, например, радикалы с центральным атомом углерода, опасные своей способностью к алкилированию, могут быть погашены присоединением молекулярного кислорода (О2) с последующим восстановлением любым донором водорода.
R* + O2 → ROO*
ROO* + XH → ROOH + X*
Либо восстановление производится напрямую витамином Е.
R* + вит.E-OH → RH + вит.E-O*
Понятия «свободный радикал» и «окислитель» нельзя отождествлять. Гидроксильный (НО*), алкоксильный (RO*), гидроперекисный (НОО*) и алкоперекисный (ROO*) радикалы являются одновременно как радикалами, так и сильными окислителями. Другие свободные радикалы, такие как аскорбил, ацил, семихинон или супероксид, окислителями не являются — наоборот, они чаще ведут себя как восстановители. Точно также нельзя отождествлять и понятия «восстановитель» и «антиоксидант». Некоторые восстановители, такие как гербицид или двухвалентное железо (Fe2+), отдают электроны молекулярному кислороду с образованием супероксида, известного как кислородный радикал. Такие восстановители, как монофенолы, полифенолы, энедиолы, хинолы, тиолы и арил-амины, гасят кислородные радикалы путем восстановления. Многие так называемые «антиоксиданты» элиминируют кислородные радикалы не за счет восстановления, а за счет окисления, диспропорционирования или захвата. Антиоксиданты могут быть весьма специализированными или селективными. Хорошим примером может служить ДМСО, который быстро реагирует с гидроксильным радикалом (НО*) и элиминирует его. При этом ДМСО практически равнодушен к супероксиду (-ОО*).
Все, о чем шла речь выше, касалось, преимущественно, защиты от повреждений, вызываемых свободными радикалами, путем перехвата уже образовавшихся радикалов. Однако есть «антиоксидантные» системы, которые служат для ограничения производства свободных радикалов путем устранения их пускачей. Например, редокс-пара Fe3+/Fe2+ представляет собой печально известную своим вредоносным действием систему генерации кислородных радикалов. Эта система может быть инактивирована такими комплексонами, как лактоферрин или дефероксамин, которые связывают катионы железа, не давая им функционировать в роли производителей кислородных радикалов.
O2 + Fe++ → *OO- + Fe+++
Комплексон + Fe+++ → Fe-комплексон
Под воздействием повышенных температур липоперекиси (LOOH) могут служить источниками как алкоксильных (LO*), так и гидроксильных радикалов (НО*).
LOOH + тепло → LO* + HO*
Липоперекиси могут также подвергаться одноэлектронному восстановлению переходными металлами с образованием алкоксильных радикалов (LO*).
LOOH + Fe++ → LO* + OH- + Fe+++
LOOH + Cu++ → LO* + OH- + Cu+++
Накопление токсичных липоперекисей предотвращается глутатион-пероксидазой, содержащей селенолы, производящиеся из селеноцистеина. Они отдают водород липоперекисям, за счет чего последние превращаются в безвредные спирты.
LOOH + 2фермент-SeH → LOH + HOH