Биологическая неорганическая химия: структура и реакционная способность : в 2 т. Т. 2

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

Biological Inorganic
Chemistry

Structure and Reactivity

Ivano Bertini
University of Florence

Harry B. Gray
California Institute of Technology

Edward I. Stiefel
Princeton University

Joan Selverstone Valentine
UCLA

UNIVERSITY SCIENCE BOOKS
Sausalito, California

ЛУЧШИЙ ЗА
ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИ
УБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

И.  Бертини, Г.  Грей,
Э.  Стифель, Дж.  Валентине

СТРУКТУРА И РЕАКЦИОННАЯ
СПОСОБНОСТЬ
 

В двух томах
2

Перевод с английского

канд. хим. наук В. В. Авдеевой
и канд. хим. наук Д. В. Севастьянова

под редакцией

академика РАН Н. Т. Кузнецова,
профессора, доктора хим. наук  Е. Р. Милаевой
и профессора, доктора хим. наук К. Ю. Жижина 

 
4Е ИЗДАНИЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ

Москва
Лаборатория знаний
2021

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

УДК 577+546
ББК 28.072
Б52

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Бертини И.
Б52
Биологическая неорганическая химия: структура и реакционная 
способность : в 2 т. Т. 2 / И. Бертини, Г. Грей,
Э. Стифель,
Дж. Валентине
;
пер.
с
англ. — 4-е
изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 642 с. — (Лучший 
зарубежный учебник). — Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-505-9 (Т. 2)
ISBN 978-5-93208-503-5
В
учебном
издании,
написанном
ведущими
зарубежны-
ми учеными, изложены фундаментальные теоретические пред-
ставления,
лежащие
в
основе
функционирования
природных
биологических
систем,
содержащих
ионы
металлов,
а
также
прикладные проблемы в этой области. Бионеорганическая химия
занимает междисциплинарную нишу на стыке координационной,
неорганической,
металлоорганической
и
медицинской
химии,
фармакологии и химии окружающей среды. В научном сообще-
стве эта книга признана наиболее полным и фундаментальным
на сегодняшний день трудом в этой области.
В русском переводе выходит в двух томах. Т. 2 содержит
главы XI–XIV, дополнительный материал по основам биологии,
биохимии
и
координационной
химии,
а
также
приложение
и предметный указатель.
Для студентов старших курсов и аспирантов, а также научных
работников.
УДК 577+546
ББК 28.072

Деривативное издание на основе печатного аналога: Биологи-
ческая неорганическая химия: структура и реакционная способ-
ность : в 2 т. Т. 2 / И. Бертини, Г. Грей, Э. Стифель, Дж. Вален-
тине ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. —
623 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — (Лучший зарубежный учебник). —
ISBN 978-5-9963-1146-0 (Т. 2); ISBN 978-5-9963-0534-6.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-505-9 (Т. 2)
ISBN 978-5-93208-503-5

© Copyright © 2007 by University
Science Books
© Перевод на русский язык,
оформление, Лаборатория знаний,
2015

XI

 
Метаболизм кислорода

XI.1. 
Реакционная способность 
и токсичность кислорода 

Дж. Селверстоун Валентине 

XI.1.1. 
Введение

Энергия, которая питает бóльшую часть нефотосинтетических биологиче-
ских процессов, образуется при ферментативном восстановлении сильно-
го окислителя, молекулярного кислорода (O2), до воды (см. разделы Х.3 
и Х.4). Молекулярный кислород должен, таким образом, непрерывно по-
глощаться дышащими клетками. Простая диффузия O2 может удовлетво-
рить эту потребность в одноклеточных и других небольших организмах, 
но она недостаточна для обеспечения каждой клетки многоклеточных 
организмов без дополнительной помощи. Вследствие этого в процессе 
эволюции появились специальные белки, например гемоглобин или мио-
глобин, которые связывают, переносят, накапливают и высвобождают O2, 
чтобы обеспечить более быструю его доставку (см. раздел XI.4). Моле-
кулярный кислород используется также как источник атомов кислорода 
для разнообразных ферментативных биосинтетических реакций с участием 
молекул органических субстратов (см. раздел XI.5).1–4

Однако та же окислительная способность O2, которая является основой 
дыхания, превращает О2 в токсический агент, инициирующий окисли-
тельный стресс. Внутри живых клеток поддерживается восстановитель-
ная среда, и комбинация O2 со многими жизненно важными компонен-
тами клетки термодинамически нестабильна. К счастью, по причинам, 
которые обсуждаются ниже, большинство реакций O2 имеют достаточно 
высокие активационные барьеры в отсутствие катализаторов или ради-
кальных инициаторов, и таким образом, представляют собой минорные 
пути биологического потребления О2. В противном случае клетка бы 
«сгорела», и аэробная жизнь, такая как мы ее знаем, была бы невоз-
можна. Тем не менее в аэробных клетках в неферментативных и ферментативных 
реакциях молекулярного кислорода образуются небольшие, 
но значимые количества частично восстановленных форм O2, например 
супероксид-анион-радикала (O2
– ·) и пероксида водорода (Н2О2). Эти формы 

XI. Метаболизм кислорода

восстановленного O2 и частицы, образующиеся из них в последующих 
реакциях, называются «активными метаболитами кислорода» (АМК) или 
ROS (reactive oxygen species). Эти частицы вызывают окислительное 
повреждение in vivo.1, 4 Установлено, что для защиты организм использует 
антиоксидантные ферменты и низкомолекулярные антиоксиданты. В случае 
пероксида водорода этими ферментами являются каталазы и пероксидазы (
см. раздел XI.3), а в случае супероксида – супероксиддисмутазы 
(см. раздел XI.2).
Столь сложная реакционная способность простой двухатомной молекулы 
O2 фундаментально важна для понимания, каким образом устроена 
аэробная жизнь.2 Многое известно о факторах, которые управляют реакционной 
способностью О2 и ROS.1–4 Особый интерес исследователей 
к метаболическим реакциям кислорода во многом связан с тем, что механизмы 
биологических ферментативных реакций очень сильно отличаются 
от механизмов некатализируемых реакций О2 или даже реакций О2, 
катализируемых различными небиологическими металлсодержащими катализаторами.
3, 4 Следовательно, сначала мы рассмотрим факторы, которые 
определяют характеристики некатализируемых реакций О2 с переносчиками 
электронов, а также с типичными органическими и неорганическими 
субстратами.

XI.1.2. 
Химия дикислорода

XI.1.2.1. Термодинамика

Молекулярный кислород является мощным окислителем и, следовательно, 
термодинамически способен реагировать с разнообразными субстратами. 
В этом разделе мы разделили химические реакции O2 на две категории 
в зависимости от сложности образующихся продуктов. Первая категория 
включает те реакции переноса электрона, в которых продукты, образующиеся 
из О2, содержат только атомы кислорода или атомы кислорода и водорода (
например, O2
– · , Н2О2 и Н2О). Термодинамику таких реакций можно 
оценить с использованием таблиц стандартных восстановительных потенциалов. 
Вторая категория включает реакции переноса атома, в которых по 
крайней мере один атом кислорода оказывается связанным с элементом Х, 
отличным от кислорода или водорода. Для оценки термодинамики таких 
реакций требуеся дополнительная информация, например прочность об-
разующихся связей О–Х. Оба типа реакций обсуждаются ниже.

Реакции переноса электрона. Потенциал четырехэлектронного восста-
новления O2 (реакция (1)) является мерой рассматриваемой окислительной 
силы молекулы О2. Однако реакция включает перенос четырех электро-
нов, процесс, который редко, если вообще происходит в одну согласован-
ную стадию. Так как большинство восстановителей способно переносить 
за один акт только один или два электрона окисляющему агенту, для 
понимания всего механизма следует рассматривать термодинамику одно- 
и двухэлектронного восстановления О2.

, H
2
2
e
H O
OH
2 H O

−
+
⎯⎯→
+
⋅
⎯⎯⎯→

,
,
2H
H
2
2
2
2
e
e
e
O
O
H O

−
−
+
−
+
−⋅
⎯⎯→
⎯⎯⎯⎯
→
⎯⎯⎯→

Дикислород
Супероксид
Пероксид
водорода

Гидроксильный
радикал
Вода
Вода
 
(1)

В водном растворе некатализируемые реакции переноса электрона, 
включающие быстрый и согласованный перенос более чем одного электро-
на, относительно редки. Таким образом, наиболее простым путем вос-
становления О2 электронтранспортным агентом в отсутствие какого-либо 
катализатора является одноэлектронное восстановление с образованием 
супероксида. Однако одноэлектронное восстановление термодинамически 
наименее предпочтительная реакция из всех стадий, составляющих полное 
четырехэлектронное восстановление О2, и, следовательно, требует наличия 
относительно сильных восстановителей (табл. XI.1.1).
Таким образом, если только одноэлектронный маршрут доступен для 
восстановления О2, то низкий потенциал одноэлектронного восстановления 
О2 до O2
– · представляет собой барьер, который предохраняет чувствительные 
частицы от полного окисления под действием О2, так как эта реакция не 
может начаться. Если O2
– · действительно образуется, он быстро диспропор-
ционирует в водном растворе (за исключением случая очень высоких значе-
ний рН) с образованием Н2О2 и О2, так что стехиометрия реакции в целом 
такая же, что и для процесса двухэлектронного восстановления. При нор-
мальных условиях невозможно различить одно- и двухэлектронные стадии 
восстановления О2 в водном растворе только на основании стехиометрии.
Одноэлектронное восстановление дикислорода с образованием су-
пероксида:
 О2 + e– → O2
– · 
(2)

Таблица XI.1.1. Стандартные потенциалы восстановления дикислородных частиц в воде, 
(рН 7, 25 °С)

Реакция
Е° (В) относительно HNEa

O2 + е– → O2
– ·
– 0.33б

O2
– · + е– + 2H+ → H2O2
+ 0.89

H2O2 + е– + H+ → H2O + НО ·
+ 0.38

НО· + е– + H+ → H2O
+ 2.31

O2 + 2е– + 2H+ → H2O2
+ 0.281б

H2O2 + 2е– + 2H+ → 2 H2O2
+ 1.349

O2 + 4е– + 4H+ → 2 H2O
+ 0.815б

а NHE – нормальный водородный электрод.
б Для стандартного состояния с единичным давлением; чтобы перейти к единичной активности O2, 
редокс-потенциал реакций с этими частицами должен быть скорректирован на +0.17 В.

XI.1. Реакционная способность и токсичность кислорода

XI. Метаболизм кислорода

Диспропорционирование супероксида с образованием кислорода и пероксида 
водорода:
 
 2O2
– · + 2Н + → Н2О2 + О2 
(3)

Двухэлектронное восстановление кислорода с образованием пероксида 
водорода:
О2 + 2e– + 2Н + → Н2О2 
(4)

Реакции переноса атома. Среди этих реакций О2 наиболее важны для биологических 
процессов те, в которых образуются новые связи углерод–кислород. 
Чтобы оценить термодинамику таких реакций, рассматривают реакции 
молекулярного кислорода с молекулярным водородом с образованием воды 
(2H2 + О2 → 2Н2О, ΔG° = –58 ккал/моль), с метаном с образованием 
метанола (2СН4 + О2 → 2СН3ОН, ΔG° = –30 ккал/моль) и с бензолом 
с образованием фенола (2С6Н6 + О2 → 2С6Н5ОН, ΔG° = –43 ккал/моль). 
Несмотря на то что все три реакции высокоэкзергонические, ни одна из 
них не протекает самопроизвольно и быстро при комнатной температуре, 
если только не присутствует катализатор или свободнорадикальный инициатор. 
Таким образом, чтобы понять, почему реакции О2 с органическими 
субстратами медленные, важно рассмотреть их кинетические барьеры 
в дополнение к термодинамическим харак теристикам.

XI.1.2.2. Кинетика

Главный кинетический барьер для прямой реакции O2 с органическими 
субстратами определяется тем, что молекула О2 в основном состоянии 
содержит два неспаренных электрона и, таким образом, в основном состоянии 
представляет собой триплет. Обычные органические молекулы, 
которые являются представителями биологических субстратов, в основном 
состоянии не содержат неспаренных электронов, т.е. они являются 
синглетами, и продукты, образующиеся в результате их оксигенирования, 
также представляют собой синглеты. Триплет-синглетные спиновые пере-
ходы запрещены, согласно квантовой механике, и следовательно, протекают 
медленно. Столкновения между молекулами происходят гораздо чаще, чем 
переориентация спина, так что эта реакция не может быть согласованной. 
Число неспаренных электронов остается одинаковым до и после каждого 
элементарного акта химической реакции, а переориентации спинов долж-
ны рассматриваться как кинетически отдельные акты. Следовательно, мы 
знаем, что запрещенная по спину реакция не может протекать в одну со-
гласованную стадию.

 
3О2(↑↑) + 1Х(↑↓) —×→ 1ХО2(↑↓)  
(5)

(Стрелками обозначены спины электронов, т.е. (↑↓) означает синг-
 летную молекулу со спаренными электронами, (↑↑) – триплетную молекулу 
с двумя неспаренными электронами; (↑) представляет собой дублетную 
молекулу, также называемую свободным радикалом, с одним неспарен-
ным электроном.)

Стадии, в которых не нарушается спиновой запрет, энергетически 
«дороги» из-за высоких активационных барьеров. Например, реакция 
дикислорода в основном триплетном состоянии (т.е. 3О2) с синглетным 
субстратом с образованием возбужденного триплетного состояния окис-
ленного продукта разрешена по спину, и можно представить механизм, по 
которому за этим процессом следует переориентация спина и образуется 
синглетный продукт.

3О2(↑↑) + 1Х(↑↓) → 3ХО2(↑↑) 
(6)

 3ХО2(↑↑) → 1ХО2(↑↓) 
(7)

Но такой реакционный путь имеет высокий активационный барьер, так как 
возбужденные триплетные состояния даже для ненасыщенных соединений 
обычно на 40–70 ккал/моль менее стабильны, чем основное состояние, 
а для насыщенных углеводородов эта разница гораздо больше.
Подобным образом путь, в котором О2 возбуждается сначала до синглет-
ного состояния, а затем реагирует с субстратом, вполне возможен. Однако 
такой путь реакции для О2, который первоначально находится в основном 
триплетном состоянии, также требует высокой энергии активации, так как 
наиболее низкое по энергии синглетное состояние О2 на 22.5 ккал/моль 
менее стабильно, чем основное триплетное состояние дикислорода.

 
    3О2(↑↑) → 1О2(↑↓) 
(8)

   1О2(↑↓) + 1Х(↑↓) → 1ХО2(↑↓) 
(9)

Аналогичный высокий активационный барьер существует для маршрута, 
в котором субстрат Х сначала возбуждается до триплетного состояния, 
а затем следует реакция с триплетным кислородом:

 
    1Х(↑↓) → 3Х(↑↑) 
(10)

   3О2(↑↑) + 3Х(↓↓) → 1ХО2(↑↓) 
(11)

Путь прямой реакции O2 в основном триплетном состоянии с органическим 
субстратом в основном синглетном состоянии, который может 
осуществляться легче без катализатора,  – это механизм, в котором первой 
стадией является одноэлектронное окисление субстрата кислородом. 
Продукты такой реакции были бы двумя дублетами, а именно супероксид-
анион-радикал и одноэлектронно окисленный субстрат  – каждый с одним 
неспаренным электроном. Эти свободные радикалы могут диффундировать 
и затем рекомбинировать со спариванием двух спинов.

 
 3О2(↑↑) + 1Х(↑↓) → 2О2
–(↑) + 2Х+(↑) 
(12)

  2О2
–(↑) + 2Х+(↑) → 2О2
–(↑) + 2Х+(↓) 
(13)

  2О2
–(↑) + 2Х+(↓) → 1ХО2(↑↓) 
(14)

По такому механизму протекает реакция молекулярного кислорода с восстановленными 
флавинами.5

XI.1. Реакционная способность и токсичность кислорода

XI. Метаболизм кислорода

R

N

H

N
N

N

H

H

O

O

O

R

N

N
N

N

H

H

(15)

H

O

O

H

O

O

O2

H

O2R

N

N
N

N

H

H

O

O

R

N

N
N

N
O

H2O2

Однако такие реакции встречаются редко, так как они требуют, чтобы 
субстрат был очень сильным восстановителем (например, восстановленный 
флавин), способным одноэлектронно восстанавливать кислород до 
супероксида. Типичные органические субстраты в ферментативных и не-
ферментативных реакциях оксигенирования обычно являются недостаточно 
сильными одноэлектронными восстановителями, чтобы восстановить 
О2 до O2
– ·, и этот механизм обычно не наблюдается.
Кинетические барьеры реакций кислорода с большинством органических 
молекул приводят к тому, что некатализируемые реакции этого 
типа обычно очень медленные. Исключением из этого правила является 
механизм окисления, известный как свободнорадикальное автоокисление.

XI.1.2.3. Свободнорадикальное автоокисление

Термин «свободнорадикальное автоокисление» описывает реакционный 
путь, по которому О2 реагирует с органическим субстратом с  образованием 
окисленного продукта в свободнорадикальном цепном процессе, который 
требует инициатора для начала цепной реакции. (Свободнорадикальный 
инициатор – это соединение, которое легко образует свободные радикалы 
при термическом или фотохимическом разложении.) Механизм свободно-
радикального автоокисления описывается следующим образом.6

Инициирование:   Х2 → 2Х· 
 
(16)

 
 Х·(↓) + RH → XH + R·(↓) 
(17)

Рост цепи:    R·(↓) + O2(↑↑) → ROO·(↑) 
(18)

 ROO·(↑) + RH → ROOH + R·(↑) 
(19)

Обрыв цепи:   R· + ROO· → ROOR 
(20)

2ROO· → ROOOOR → O2 + ROOR (и другие
 
   продукты окисления, например ROOH, ROH, RC(O)R, RC(O)H). (21)