мер СН3», существуют не более нескольких наносекунд. Время существования других, например ?2·, исчисляется миллисекундами или же, если они обладают большими резонансными структурами, которые позволяют делокализацию неспаренно-го электрона, их стабильность увеличивается и такие радикалы могут быть легко обнаружены с помощью физических приборов. Магнитные моменты двух партнеров электронной пары имеют противоположные направления, следовательно они гасятся. Так как магнитный момент неспаренного электрона не скомпенсирован, молекула приобретает общий магнитный момент, равный такому мо-

10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

333

менту для одного неспаренного электрона, т. е. магнетону Бора. Такая молекула называется парамагнитной. Молекулы, не обладающие магнитным моментом, называются диамагнитными. Их можно различать с помощью устройств, измеряющих магнитную восприимчивость.

10.2.2.1. Электронный парамагнитный резонанс

Наиболее чувствительным и удобным способом для обнаружения и исследования свободных радикалов является метод электронного парамагнитного резонанса. Когда совокупность молекул в свободнорадикальной форме находится в нулевом магнитном поле, спины п магнитные моменты их неспаренных электронов ориентированы случайным образом, и все эти электроны обладают одинаковой энергией. Однако в магнитном поле неспаренные электроны должны выстраивать свои магнитные моменты параллельно или антипараллельно данному полю. Частицы, выстроенные параллельно полю, имеют энергию на Ч2$$Н меньшую, чем значение при нулевом поле, а энергия выстроенных антипараллельно частиц ка 'hgfift превышает значение в нулевом поле. Таким образом, разность энергий для этих двух групп неспаренных электронов равна g\5H, где (? — постоянная (магнетои Бора), Я — напряженность магнитного поля (в гауссах) и g — спектроскопический фактор расщепления, который является характеристическим параметром для неспаренных электронов данного органического ¦свободного радикала или парамагнитного атома (металла). Точное значение g •определяют путем исследования спектров электронного парамагнитного резонанса следующим образом. При воздействии электромагнитного излучения на раствор свободных радикалов некоторые антипараллельные (с более низкой энергией) электроны поглощают энергию, «обращают» свои магнитные моменты и, таким образом, оказываются на более высоком энергетическом уровне. Б каждом магнитном поле с заданной напряженностью ? это возможно только при таких значениях частоты ?, при которых энергия hv поглощенного кванта точно совпадает с разностью энергетических уровней между двумя классами иеспаренных электронов, а именно когда h\=g$H. Таким образом, спектроскопический фактор расщепления выражается как

hv

8 = jH

В принципе резонансное поглощение может происходить при любой частоте электромагнитного излучения, если только напряженность магнитного поля удовлетворяет приведенному выше уравнению. На практике удобно использовать ге-«ератор с фиксированной частотой на выходе, изменять напряженность магнитного поля н измерять поглощение энергии излучения образцом.

Для изолированного электрона g=2,0023. Тот факт, что органические свободные радикалы дают значения g, очень близкие к 2,00, свидетельствует об очень незначительном влиянии остальной части молекулы на неспаренный электрон. И, напротив, значение g для иона парамагнитного металла — характеристический параметр этого металла и его лигандов.

Свободные радикалы обычно интенсивно окрашены, поскольку они поглощают энергию света в видимой и дальней красной областях спектра. Это часто дает возможность обнаружить и измерить нх методом спектрофотометрии, так как максимумы поглощения полностью окисленной или восстановленной формы •одного и того же соединения, как правило, четко различаются.

Из самого факта существования окислительно-восстановитель-егых реакций следует., что молекулы и атомы отличаются по своему

334

III. МЕТАБОЛИЗМ

Таблица 10.1

Электродные потенциалы Е'0 некоторых окислительно-восстановительных

систем2

Система0

IH

он-+н+/н2о 1,35 7,0

V2o2/h2o 0,82 7,0

NOJ/NOI 0,42 7.0

Дноксифеннлаланин/фенилаланин 0,37 7,0

Феррицианид/ферроцианид 0,36 7,0

V2o2+h2o/h2o2 0,30 7,0

Fe3+-UHTOxpoM a/Fe2+ 0,29 7,0

Fe3+-UHTOxpOM c/Fe2+ 0,22 7,0

(2,6-Дихлорфенолиндофенол) ох/(2,6-дихлорфенолиидо- феНОл) Red 0,22 7,0

Кротонил-СоА/бутирил-СоА 0,19 7,0

Мстгемоглобин/гемоглобин 0,17 7,0

Fe3+-UHTOxpoM b2/Fe2+ 0,12 7,4

(УбиХИНОН) ох/(убиХИНОН) Red 0,10 7,4

Дегидроаскорбиновая кислота/аскорбиновая кислота 0,08 6,4

Fe3+-UHTOxpo.M 6/Fe2+ 0,07 7,4

Фумаровая кислота/янтарная кислота 0,03 7,0

(Метиленовый синий)Ох/(метиленовый синий)Red 0,01 7,0

FMN-старый желтый ???????/????2 —0,12 7,0

Пировнноградная кислота +NHJ" /аланин —0,13 7,0

?-Кетоглутаровая кислота + ЫН^/глутаминовая кислота —0,14 7,0

Щавелевоуксусная кислота/яблочная кислота —0,17 7,0

Пировнноградная кислота/молочная кислота —0,19 7,0

Ацегальдегид/этанол —0,20 7,0

(Глутатион) ох/(глутатион) Red -0,23 7,0

Ацетоуксусная кислота/Р-оксимасляная кислота —0,27 7,0

1,3-Дифосфоглицернновая кислота/глицеральдегид-3-фос-фат+Pi —0,29 7,0

(Липоевая кислота)ох/(Липоевая кислота) Red —0,29 7,0

(Флаводокснн)ох/(флаводоксин)Кеа (клостридиальный) -0,31 7,0

NAD+/NADH+H+ —0,32 7,0

Пировнноградная кислота + С02/яблочная кислота —0,33 7,0

Мочевая кислота/ксантин —0,36 7,0

10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Продолжение табл. 10.1

335

Система^ е'о. в РН

{Ферредоксин)ок/(феррвдоксин) Red (из водорослей) —0,41 7,5

Ацетил-СоА/ацетальдегид + СоА —0,41 7.0

(Ферредоксин)ох/(феррсдоксин) ней (Clostridium pasteu- —0,42 7,5

fianum)

Н+/'/2Н2 -0,42 7,0

(Ферредоксин) ох/(ферредоксин) Red (из шпината) -0,43 7,5

о2/ог- —0,45 7.0

Уксусная кислота/ацетальдегид —0,60 7,0

е-Кетоглутаровая кислота/янтарная кислота -+- С02 —0,67 7,0

Пировиноградная кислота/уксусная кислота + С02 —0,70 7,0

• разность потенциалов (показания потенциометра) между стандартным водородным электродом н инертным электродом, который находится в растворе, содержащем эквимолярные количества (при указанных рН) «кисленной н восстановленной формы данной электроактивной пары. Замыкание цепи достигается с помощью солевого мостика между стандартным электродом н исследуемым раствором.

^ Индексы Ох и Red обозначают окисленную и восстановленную форму вещества соответственно; Р* — неорганический иртофосфат.

сродству к электронам. Такого рода различия в сродстве к электронам описываются в виде хорошо известного ряда электродвижущих сил (э. д. с.) элементов, который количественно отображает тенденцию элемента получать или терять электроны. За точку отсчета шкалы электродвижущих сил принят потенциал стандартного водородного электрода, значение которого произвольным образом считают равным нулю, ?? = 0. Соглашение, соблюдаемое при составлении таблицы э. д. с, устанавливает знак плюс для потенциалов элементов, которые являются более сильными восстановителями, чем газообразный водород, и знак минус для потенциалов элементов, являющихся более слабыми восстановителями. В соответствии с указанным соглашением металлы, расположенные левее в ряду элементов по их э. д. с, могут вытеснять любой металл, расположенный правее, из его солей. Кроме того, чем более удалены друг от друга металлы в ряду, тем больше нх относительная окислительная или восстановительная способность. Для органических веществ также могут быть составлены такого рода ряды, отражающие их относительное сродство к электронам. В этом случае, однако, условия описания изменены, и чем более эффективно вещество в качестве восстановителя, тем отрицательнее его окислительно-восстановительный потенциал. Несколько интересных в этом отношении систем представлено в табл. ЮЛ.

336

III. МЕТАБОЛИЗМ

10.2.3. Реакции окисления с участием молекулярного кислорода

В основном состоянии молекулярный кислород парамагнитен и обладает двумя неспаренными электронами; фактически он представляет собой бирадикал. Молекулярный кислород легко вступает в реакцию с веществами, содержащими одиночные неспаренные электроны, в то время как его взаимодействие с веществами, все электроны которых спарены, затруднено из-за спиновых запретов. Антипараллельные спины электронов таких веществ не позволяют одному электрону из данной пары образовать пару с неспаренными электронами кислорода в основном состоянии. По этой причине реакции с кислородом в основном состоянии обычно осуществляются по свободнорадикальным механизмам. При особых условиях кислород может также находиться в двух ннзколежащнх, возбужденных синглетных состояниях, не содержащих неспарен-ных спинов и, следовательно, свободных от спиновых запретов, препятствующих взаимодействию с обычными ковалентными соединениями. Такой синглетный кислород необычайно реакционно-способен и участвует во многих реакциях фотохимического окисления; однако в обычных биологических процессах окисления синглетный кислород вряд ли играет существенную роль.

Реакция восстановления кислорода (образование воды) требует четыре электрона. Если протекание этого процесса делится на последовательные одноэлектронные стадии, то в качестве промежуточных продуктов, вероятно, выступают надпероксидный (супероксидный) анион Ог-, пероксид водорода Н202 и гидроксидный радикал ОН». Эти реакционноспособные частицы потенциально ядовиты_для живых систем, что особенно справедливо для радикалов ?2· и ??·, которые, как полагают, входят в группу мутагенных радикалов, возникающих при ионизирующей радиации. Поэтому, согласно основным механизмам биологического восстановления кислорода, эти процессы проходят через стадии, непосредственно приводящие к образованию Н202 или Н20. Так, цитохромоксидаза и содержащие медь оксидазы проводят полное четырехэлектронное восстановление кислорода до воды, а флаво-ферменты обычно катализируют двухэлектронное восстан