Энергия жизни. От искры до фотосинтеза - [115]

Вернемся же к судьбе тех двух атомов водорода, которые были удалены из органического вещества путем дегидрогенизации. Один из возможных вариантов — что они объединятся в молекулу газообразного водорода и улетят. Однако при дегидрогенизации органических веществ в живой ткани этого, как правило, не происходит, за исключением тканей нескольких видов бактерий.

Альтернативный вариант — атомы перейдут к некоей «принимающей» молекуле, которая, приобретя атомы водорода, таким образом «восстанавливается». В качестве варианта такой молекулы напрашивается кислород, значит, пора нам присмотреться к электронному строению этого элемента.

В атоме кислорода восемь электронов, два во внутренней оболочке и шесть — во внешней. В электронной записи этот атом можно отобразить так:

В обычных условиях этот атом в свободном виде не встречается, а существует по парам, составляющим молекулу кислорода. Логично предположить, что при этом у двух атомов формируется общее множество из двух пар электронов, так что в оболочке каждого из них оказывается вожделенная восьмерка:

Проблема в том, что кислород обладает, ко всему прочему, еще и сильным магнетическим действием, и химики уверены, что причиной тому — наличие непарных электронов. Так что более вероятной кажется вот такая картина:

Это уже два свободных радикала, которые тем не менее являются стабильными. Достаточно интересное исключение для тех, кто занимается теоретической химией, но мы сейчас в это углубляться не будем.

Такая молекула кислорода легко может принять два атома водорода следующим образом (привожу как «электронную», так и обычную запись):

H₂O₂ — это перекись водорода, достаточно нестабильное соединение, имеющее тенденцию к расщеплению на воду и кислород:

2H >2 O >2 → 2H >2 O + O >2 .

Распад перекиси водорода — спонтанная реакция, представляющая уменьшение свободной энергии (рис. 57). Своей медленной скоростью (а хранить раствор перекиси водорода при низких температурах можно достаточно долго без значительных потерь) она обязана тому факту, что для распада необходимо разорвать связь О—О, а для этого нужна достаточно большая энергия активации.

Для получения этой энергии активации, а значит, и ускорения распада перекиси водорода достаточно даже слабого нагревания. Ряд химических веществ способны этот распад катализировать, например железные опилки или широко распространенный фермент каталаза.

Поскольку при переходе от перекиси водорода к воде уровень свободной энергии значительно снижается, то можно сказать, что при переходе от кислорода к воде уровень свободной энергии снижается сильнее, чем при переходе от кислорода к перекиси водорода. Следует ли в таком случае ожидать, что кислород, принимая водород, каждый раз будет образовывать воду?

Застревание происходит на этапе разрыва связи О—О. Если кислород соединяется с водородом при высоких температурах (к примеру, при сжигании смеси кислорода с водородом или сжигании же какого-нибудь органического соединения) связь кислорода с кислородом рвется без проблем и образуется вода.

> Рис. 57. Перекись водорода и вода

Если же кислород соединяется с водородом при комнатной температуре, как это случается при некоторых реакциях, катализируемых ферментами, на разрыв связи «кислород-кислород» энергии может и не хватить и вместо воды образуется перекись водорода.

Однако в живых тканях перекись водорода в каких-либо значительных концентрациях не встречается — и хорошо, потому что она очень ядовита. Одним из возможных тому объяснений служит присутствие каталазы. Ее действие может заключаться в том, что любая образующаяся молекула перекиси водорода тут же расщепляется с образованием воды. Однако, как мы вскоре увидим, вполне вероятно, что крупномасштабного образования перекиси водорода в организме вообще не происходит, а каталаза служит лишь для подстраховки и потребность в ней возникает нечасто.

Кислород, конечно, наиболее вероятный захватчик свободного атома водорода, но не единственно возможный. Атом водорода, который одно органическое вещество отпускает, может быть принят целым рядом других органических веществ.

Чтобы лучше понять этот факт, представим, что множество органических веществ могут существовать в двух формах — в восстановленной и окисленной, причем разница между ними будет заключаться в присутствии или отсутствии двух атомов водорода. Это можно выразить следующим образом:

АН >2 ↔ А + 2Н.

ВН >2 ↔ В + 2Н и так далее.

восстановленная форма ↔ окисленная форма

Окислительно-восстановительные реакции будут, естественно, разными для разных веществ. К примеру, у первой из вышеприведенных реакций точка равновесия может быть смещена вправо, так что АН₂ будет иметь ярко выраженную склонность к потере двух атомов водорода. С другой стороны, у второй реакции точка равновесия может быть смещена влево, так что В будет иметь склонность к присоединению атомов водорода.

В таком случае, если смешать АН₂ и В, то получим следующую реакцию:

АН >2 + В → ВН >2 + А.

АН₂, теряя атомы водорода, окисляется агентом окисления В. Само же В, приобретая водород, восстанавливается агентом восстановления АН