Какой процесс в организме человека сопровождается окислением. Окислительные процессы в организме человека: как найти баланс? Получение энергии организмами
Это реакции, идущие с переносом электронов и изменением степени окисления элементов.
ОВП состоят из двух одновременно протекающих и противоположно направленных процессов - окисления и восстановления. Окисление - это процесс отдачи электронов, в ходе которого происходит увеличение степени окисления элементов. Восстановление - это процесс присоединения электронов, в ходе которого происходит уменьшение степени окисления элементов. Окислитель - это вещество, атом которого принимает электроны, тем самым уменьшая степень окисления. Восстановитель - это вещество, атом которого отдает электроны, тем самым увеличивая степень окисления. ОВП подразделяются на три типа.
1. Межмолекулярные , в которых окислитель и восстановитель находятся в разных молекулах, например:
2KMn +7 O 4 + 5KN +3 O 2 + 3H 2 SO 4 = 2Mn +2 SO 4 + 5KN +5 O 3 + K 2 SO 4 + 3H 2 O
окислитель - Mn +7 , восстановитель - N +3 .
2. Внутримолекулярные , в которых окислитель и восстановитель находятся в одной молекуле, но являются разными элементами, например:
2KCl +5 O 3 -2 = 2KCl -1 + 3O 4 0
окислитель - Cl +5 , восстановитель - O -2 .
3. Диспропорционирования (самоокисления - самовосстановления), в которых окислителем является один и тот же элемент в одной и той же степени окисления, например:
3Cl 2 0 + 6KOH = 5КСl -1 + KCl +5 O 3 + 3H 2 O
окислитель - Cl 0 , восстановитель - Cl 0 .
В ходе окислительно-восстановительных процессов между частями системы происходит перераспределение зарядов. Возникающая разность зарядов между частями системы носит название потенциал . Существует несколько видов потенциалов, связанных с прохождением различных процессов.
Одним из них является электродный потенциал , который возникает в том случае, когда пластинку металла погружают в раствор его соли (например, пластинку цинка в раствор сульфата цинка). При этом возможно прохождение двух процессов, которые определяются активностью металла и концентраций его катиона в растворе (рис.1).
Ме n+ + _ + Ме n+ _ + _
рис. 1 Виды электродных процессов
Первый процесс происходит в том случае, когда активность металла высока, а концентрация его катиона невелика. В этом случае (см. рис. 1) ионы металла, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, вследствие гидратации будут переходить в раствор, заряжая его положительно; электроны, входящие в состав «электронного газа» (особенности металлической связи) остаются на куске металла, придавая ему отрицательный заряд.
В случае низкой активности металла и высокой концентрации его катиона процесс может идти в другом направлении (см. рис. 2). Катионы металла могут перейти на пластинку, достраивая кристаллическую решетку металла и придавая ей положительный заряд; анионы соли остаются в растворе, заряжая его отрицательно. В обоих процессах между пластинкой металла и раствором его соли возникает разность зарядов, называемая электродным потенциалом Е . Независимо от механизма возникновения электродного потенциала, он определяется окислительно-восстановительным процессом, а его величина - уравнением Нернста :
Me Me n+ + ne -
Zn Zn 2+ + 2e -
где: Е - потенциал системы,
Т - абсолютная температура,
n - число электронов, участвующих в процессе,
R = 8,31 Дж/моль * К,
F = 96500 Кл/моль
[Ме п+ ] - равновесная концентрация соли данного металла.
Подставляя постоянные при 25 0 С, получим:
По величине стандартного электродного потенциала все металлы выстраиваются в электрохимический ряд напряжений.
Одним из основных является окислительно-восстановительный потенциал. Его возникновение связано с обратимостью окислительно-восстановительных процессов. Одно и то же вещество в зависимости от условий может находиться либо в окисленной (Oх), либо восстановленной (Red) форме. Между этими двумя формами идут процессы взаимного перехода, сопровождающиеся изменением заряда системы. Процесс взаимного перехода идет до тех пор, пока между двумя формами не установится равновесие:
Fe 2+ Fe 3+ + e
После установления равновесия в системе возникает избыточный заряд, называемый окислительно-восстановительным или редокс-потенциалом. Его величина определяется уравнением Нернста:
где: Е - потенциал системы,
Е 0 - стандартный потенциал системы, т.е. потенциал, определенный в стандартных условиях (Т=292 К, р=1 атм, = [Ох] = 1 моль/л)
, [Ох] - равновесные концентрации восстановленной и окисленной форм.
Любой окислительно-восстановительный процесс можно представить как взаимодействие двух редокс-систем - системы окислителя и системы восстановителя. Направление ОВП будет определяться величинами редокспотенциалов систем.
При этом можно выделить следующие закономерности:
1. Одна и та же редокс-система может являться как окислителем, так и восстановителем - это зависит от соотношения величин потенциалов;
2. Системы с более отрицательным потенциалом будут восстанавливать системы с более положительным потенциалом;
3. После прохождения ОВП потенциалы редокс-систем выравниваются.
Возникновение разности зарядов между частями системы может быть и не связано с прохождением ОВП. Так, в ходе процесса диффузии между частями раствора, вследствие различной подвижности ионов, возникает разность зарядов, называемая диффузным потенциалом . Диффузный потенциал существует недолго и исчезает по окончании процесса диффузии.
Если два раствора разделить полупроницаемой мембраной, то на сторонах мембраны возникает разность зарядов, называемая мембранным потенциалом . Возникновение мембранного потенциала связано с тем, что вследствие различного размера ионов они могут проходить или не проходить через мембрану.
В живых организмах, вследствие наличия многочисленных мембран, направленного транспорта веществ и прохождения различных ОВП между его частями, возникает разность зарядов, называемая биопотенциалами. По своей природе биопотенциалы могут быть диффузными, мембранными и редокспотенциалами. Биопотенциалы играют важнейшую роль в направленном транспорте веществ, работе мембранных систем, процессах биосинтеза, выделение и запасание энергии. Выделение и запасание организмом энергии тесно связано с процессами окисления и восстановления.
УДК 373.167.1
З. Н. Хисматуллина
СУЩНОСТЬ, НАПРАВЛЕНИЕ И РОЛЬ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Ключевые слова: окисление, восстановление, метаболизм, диссимиляция, окислительно-восстановительный
потенциал.
Показана роль окислительно-восстановительных реакций в обмене веществ и энергии, происходящем в организме человека и животных. Усвоение общих закономерностей протекания данного вида реакций необходимо для последующего изучения свойств неорганических и органических веществ и химических процессов в целом, протекающих в организме, что дает возможность изучать и управлять всей жизнедеятельностью человека.
Key words: oxidation, reduction, metabolism, dissimilation, redox-potential.
The role of the redox-reactions in the energy-exchange and substance-exchange that occur in humans and animals is shown. The understanding of the general laws of the occurrence of this reaction type is necessary for the further studying of the properties of the organic and nonorganic materials and chemical processes, which occur in the human body, in general. It makes it possible to study and control the whole of human life.
На протяжении всей истории прослеживается взаимосвязь медицины и химии, симбиоз этих двух наук приводил и приводит к обогащению и наибыстрейшему развитию каждой из них. Поэтому изучение химии или хотя бы знание ее основ, необходимо не только в медицинском вузе, но и всем тем, кто получает высшее профессиональное образование.
Нужно отметить, что в нашей стране очень развита молекулярная биология и генетика, уделяется большое внимание организации комплексных научных исследований по раскрытию физико-химической природы жизни, познанию сущности таких важнейших проявлений жизнедеятельности, как обмен веществ, мышление, память, наследственность, иммунитет и т.д. От результатов этих исследований зависят теоретическое вооружение и прогресс практической медицины в ближайшем будущем. Чтобы квалифицированный медико-социальный работник мог следить за ходом этих комплексных исследований, оценивать их значение для практической медико-социальной работы, он должен быть вооружен знаниями не только в области медицины, но и химии. Ведь в основе обмена веществ в конечном итоге лежат химические процессы - диффузия, растворение, диализ, гидролиз, испарение, конденсация и др.
Для специалистов междисциплинарных профессий, тем более медико-социальных работников высшей квалификации изучение элементов химии необходимо уже потому, что:
78 элементов входят в состав живых организмов;
44 элемента входят в состав применяемых в современной медицине лекарственных препаратов;
Изотопы 38 элементов в настоящее время используются для радиодиагностики и радиотерапии;
Более 70 элементов входят в состав материалов, применяемых для изготовления современной аппаратуры, приборов и инструментов .
Без достаточных познаний в области химии невозможно было бы эффективное использование всего арсенала средств целенаправленного воздействия на организм человека. Чтобы воспринять, систематизировать и осмыслить весь поток информации в области медицины и химии, необходимо опираться на определенный теоретический фундамент.
Более 70 % известных в настоящее время элементов входят в состав человеческого организма. В организме человека постоянно происходят различные химические реакции, в ре-
зультате чего образуется огромное количество самых разных химических соединений. Исходные вещества, необходимые для этого, поступают в организм с вдыхаемым воздухом, с пищей и питьевой водой. Основная часть синтезированных соединений используется в качестве строительных материалов или источников энергопитания и обеспечивает организму человека рост и развитие. Та же часть синтезированных соединений, которую можно рассматривать как шлаки или отходы этого процесса, выводится из организма.
В результате жизнедеятельности организма синтезируются вещества, которые являются химическими соединениями кислорода, углерода, водорода, азота, серы и фосфора. Кроме этих шести химических элементов, в метаболизме (обмене веществ) активно участвуют еще по меньшей мере двадцать шесть элементов: кальций, калий, натрий, хлор, железо, магний, фтор и так называемые микроэлементы - алюминий, бор, кремний, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, цинк, медь, мышьяк, бром, селен, стронций, молибден, кадмий, олово, йод, свинец. Обнаружены также еще сорок шесть элементов, правда, в ничтожно малых количествах и вероятно, они тоже играют важную физиологическую роль, которая пока до конца не выяснена.
Обмен веществ (метаболизм), происходящий в живом организме, включает огромное количество непрерывно протекающих и взаимосвязанных реакций. Живые организмы усваивают поступающие к ним из окружающей среды (главным образом с пищей) вещества, изменяют их химический состав и используют новые химические соединения для создания, обновления элементов ткани и аккумулирования больших запасов химической энергии. Поэтому процесс обмена веществ неразделим с сопутствующим ему процессом обмена энергии. Этот процесс обмена веществ и энергии является самым характерным признаком жизни, с его прекращением останавливается и жизнь.
Систематическое изучение обмена веществ, происходящего в организме человека и животных, было начато еще в конце XVIII века А.Лавуазье. С именем этого ученого, а также еще и М.В. Ломоносова связано установление роли кислорода в процессах жизнедеятельности организмов и в процессах горения. А.Лавуазье впервые доказал, что в организме человека и животных происходит непрерывное окисление органических веществ кислородом воздуха, с образованием диоксида углерода и одновременным выделением так называемой «животной теплоты». Он в числе первых пытался установить связь между количеством потребляемого человеком кислорода и выделяющегося диоксида углерода, показать, как влияют на интенсивность поглощения и генерации этих двух газов режимы питания и труда, температура окружающей среды.
В живом организме осуществляется целый ряд физико-химических процессов - испарение и конденсация, растворение и кристаллизация, электролитическая диссоциация и образование молекул из ионов и т. д. - многие сотни тысяч биохимических реакций, протекающих в зависимости от многочисленных условий внешней и внутренней среды. Но тем не менее, благодаря тонкой нейро-гуморальной регуляции достигается поразительное постоянство внутренней среды организма (гомеостазис).
Как известно, все химические реакции можно разделить на две большие группы:
1) обменные реакции, при которых происходит лишь рекомбинация атомов или ионов, но не имеет места изменение их степени окисления;
2) окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит частичный или полный переход электронов от одних атомов или ионов к другим с соответствующим изменением степени окисления этих атомов или ионов .
Окислительно-восстановительные реакции играют исключительную роль в обмене веществ и энергии, происходящем в организме человека и животных. Первые представления о сущности окислительно-восстановительных реакций были введены выдающимся русским ученым Л.В.Писаржевским (1914 г.).
Окислительно-восстановительными реакциями называются химические реакции, при протекании которых степени окисления элементов изменяются. Изменение степеней окисле-
ния в ходе окислительно-восстановительных реакций обусловлено полным или частичным переходом электронов от атомов одного элемента к атомам другого элемента.
Атомы или ионы, отдающие электроны в ходе окислительно-восстановительного процесса другим атомам или ионам, называются восстановителями. При этом данный атом или ион окисляется, т.е. повышает свою степень окисления.
Атомы или ионы, присоединяющие к себе электроны, называются окислителями. При этом сам атом или ион восстанавливается, т.е. снижает свою степень окисления.
Реакция окисления неотделима от реакции восстановления, и оба эти процесса необходимо рассматривать в неразрывном единстве. При любой окислительно-восстановительной реакции алгебраическая сумма степеней окисления атомов остается неизменной .
Многие окислительно-восстановительные реакции сводятся только к взаимодействию окислителя и восстановителя. Но чаще всего, если реакция осуществляется в водной среде, на ход окислительно-восстановительного процесса оказывает большое влияние взаимодействие реагентов с ионами водорода и гидроксила воды, а также присутствующих в растворе кислот и щелочей. Иногда влияние среды на ход окислительно-восстановительного процесса столь велико, что некоторые реакции могут осуществляться только в кислой или щелочной среде. От кислотно-щелочного баланса среды зависит направление окислительно-восстановительной реакции, количество электронов, присоединяемых молекулой (ионом) окислителя и отдаваемых молекулой (ионом) восстановителя и т. д. Например, реакция между иодидами и иодатами с выделением элементов иода протекает только в присутствии сильных кислот, а в сильно щелочной среде при нагревании может протекать обратная реакция.
Обмен веществ, в котором окислительно-восстановительные процессы играют столь значительную роль, имеет две стороны: 1) пластическую, сводящуюся к синтезу сложных органических веществ, необходимых организму в качестве «строительных материалов» для обновления тканей и клеток, из веществ, которые поступают главным образом с пищей (это анаболические процессы, или процессы ассимиляции, требующие затрат энергии); 2) энергетическую, сводящуюся к распаду (окислению) сложных высокомолекулярных веществ, играющих роль биологического топлива, до более простых - в оды, диоксида углерода и т. д. (это катаболические процессы, или процессы диссимиляции, сопровождающиеся освобождением энергии).
Окислительно-восстановительные реакции являются необходимыми звеньями в сложной цепи как анаболических, так и катаболических процессов, но их роль особенно велика как основных источников энергии для живого организма. Организмы, существующие в аэробных условиях (т. е. в окислительной атмосфере кислорода воздуха), получают эту энергию за счет процесса дыхания, в результате которого поступающие в организм питательные вещества в клетках и тканях окисляются до диоксида углерода, воды, аммиака, мочевины и других продуктов жизнедеятельности, характеризующихся сравнительно небольшими значениями энергии и высокими значениями энтропии (от греч. - поворот, превращение - это мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов).
В основе процессов дыхания лежит окислительно-восстановительная реакция, при которой молекула диатомного кислорода образует две молекулы воды. В процессе внешнего дыхания кислород воздуха связывается с гемоглобином и в форме оксигемоглобина доставляется с потоком крови к капиллярам тканей. В процессе тканевого, или клеточного дыхания, ткани и клетки поглощают этот кислород, за счет которого осуществляется окисление поступивших в организм из внешней среды белков, жиров и углеводов. одновременно образующийся диоксид углерода с потоком венозной крови направляется в легкие и там, диффундируя через стенки альвеол, оказывается в составе выдыхаемого воздуха. Но в этих процессах биологического окисления субстратами, непосредственно подвергающихся действию кислорода, являются не те высокомолекулярные соединения, которые первоначально находились в составе пищи, а образовавшиеся в результате гидролитического расщепления в желудочно-пищевом тракте более простые, низкомолекулярные продукты.
На первой стадии диссимиляции в результате гидролиза сложные углеводы - крахмал, сахароза, гликоген и другие при участии амилаз превращаются в глюкозу и другие моносахариды. Жиры при участии липаз превращаются в жирные кислоты и глицерин. Белки под действием протеолитических ферментов превращаются в низкомолекулярные пептиды и аминокислоты. На этой стадии освобождается энергия, составляющая не более 1 % от общей химической энергии пищевых веществ. Часть продуктов, возникших на первой стадии диссимиляции, организм человека использует в качестве исходных веществ для анаболических реакций, связанных с получением материалов для застройки тканей и клеток, а также как запас химического топлива.
Другая часть продуктов гидролиза подвергается окислению, при котором наряду с диоксидом углерода, водой, аммиаком, мочевиной и т. д. образуются также продукты неполного окисления.
На второй стадии диссимиляции освобождается около 1/3 общего количества энергии, но еще не происходит аккумулирование выделившейся энергии путем образования высокоэр-гических веществ.
На третьей стадии диссимиляции происходит полное окисление всех образовавшихся во второй стадии промежуточных продуктов: воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и т. д. и освобождаются остальные 2/3 химической энергии, полученные организмом из пищевых веществ. Это сложный химический процесс, включающий десять последовательно протекающих реакций, каждая из которых катализируется соответствующим ферментом, называется циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Ферменты, необходимые для осуществления этих последовательных реакций, локализуются в мембранных структурных элементах клеток - митохондриях.
На третьей стадии диссимиляции освобождается 40-60 % энергии, которая используется организмом для синтеза высокоэргических веществ .
Таким образом, рассмотренные стадии диссимиляции в организме питательных веществ показывает, что энергоснабжение организма на 99 % обеспечивается протеканием в нем окислительно-восстановительных процессов.
Кроме того, с помощью окислительно-восстановительных реакций в организме разрушаются некоторые токсические вещества, образующиеся в ходе метаболизма. Именно таким путем организм избавляется от вредного влияния промежуточных продуктов биохимического окисления.
Сведения относительно окислительно-восстановительных свойств различных лекарственных препаратов позволяют решать вопросы о совместимости при одновременном их назначении больному, а также о допустимости их совместного хранения. С учетом этих данных становятся понятными несовместимость ряда лекарственных средств (например, таких как ио-дид калия и нитрит натрия, перманганат калия и тиосульфат натрия, пероксид водорода и ио-диды и т.д.).
Во многих случаях фармацевтические свойства медицинских препаратов находятся в непосредственной связи с их окислительно-восстановительными свойствами. Так, например, многие из антисептических, противомикробных и дезинфицирующих средств, (иод, перманганат калия, пероксид водорода, соли меди, серебра и ртути) являются в то же время и сильными окислителями.
Применение тиосульфата натрия в качестве универсального антидота (противоядия) основано на его способности участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в роли как окислителя, так и восстановителя. В случае отравлений соединениями мышьяка, ртути и свинца, прием внутрь раствора тиосульфата натрия приводит к образованию труднорастворимых и потому практически неядовитых сульфатов. При отравлениях синильной кислотой или цианидами тиосульфат натрия дает возможность превратить эти токсичные вещества в менее ядовитые роданистые соединения. При отравлении галогенами и другими сильными окисли-
телями антитоксическое действие триосульфата натрия обусловлено его умеренными восстановительными свойствами .
Говоря об окислительно-восстановительных процессах, нужно отметить, что во время окислительных или восстановительных реакций изменяется электрический потенциал окисляемого или восстанавливаемого вещества: одно вещество, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляется, другое, приобретая электроны и заряжаясь отрицательно, -восстанавливается. Разность электрических потенциалов между ними есть окислительновосстановительный потенциал (ОВП).
Окислительно-восстановительный потенциал является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Это означает, что ОВП, называемый также, редокс-потенциал (от английского RedOx - Reduction/Oxidation), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. в реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов. При измерениях (в электрохимии) величина этой разности обозначается как Eh и выражается в милливольтах. Чем выше концентрация компонентов, способных к окислению, к концентрации компонентов, могущих восстанавливаться, тем выше показатель редокс-потенциала . Такие вещества, как кислород и хлор, стремятся к принятию электронов и имеют высокий электрический потенциал, следовательно, окислителем может быть не только кислород, но и другие вещества (в частности, хлор), а вещества типа водорода, наоборот, охотно отдают электроны и имеют низкий электрический потенциал. Наибольшей окислительной способностью обладает кислород, а восстановительной - водород, но между ними располагаются и другие вещества, присутствующие в воде и менее интенсивно выполняющие роль либо окислителей, либо восстановителей.
Значение ОВП для каждой окислительно-восстановительной реакции может иметь как положительное, так и отрицательное значение.
Так, например, в природной воде значение Eh колеблется от -400 до +700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды .
В биохимии величины редокс-потенциала выражаются не в милливольтах, а в условных единицах rH (reduction Hydrogenii).
Шкала условных единиц rH содержит 42 деления.
«0» - означает чистый водород,
«42» - чистый кислород,
«28» - нейтральная среда.
pH и rH тесно взаимосвязаны .
Окислительные процессы понижают показатель кислотно-щелочного равновесия (чем выше rH, тем ниже pH), восстановительные - способствуют повышению pH. В свою очередь показатель pH влияет на величину rH.
В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется на поддержание гомеостаза (относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма) и регенерацию клеток организма, т. е. на обеспечение процессов жизнедеятельности организма.
ОВП внутренней среды организма человека, измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, в норме всегда меньше нуля, т.е. имеет отрицательные значения, которые обычно находятся в пределах от -100 до -200 милливольт. ОВП питьевой воды, измеренный таким же способом практически всегда больше нуля, обычно находится в пределах от +100 до +400 мВ. Это справедливо практически для всех типов питьевой воды, той, которая течет из водопроводных кранов во всех городах мира, которая продается в стеклянных и пластиковых бутылках, которая получается после очистки в уста-
новках обратного осмоса и большинства разнообразных больших и малых водоочистительных систем.
Указанные различия ОВП внутренней среды организма человека и питьевой воды означают, что активность электронов во внутренней среде организма человека намного выше, чем активность электронов в питьевой воде.
Активность электронов является важнейшей характеристикой внутренней среды организма, поскольку напрямую связана с фундаментальными процессами жизнедеятельности.
Когда обычная питьевая вода проникает в ткани человеческого (или иного) организма, она отнимает электроны от клеток и тканей, которые состоят из воды на 80-90%. В результате этого биологические структуры организма (клеточные мембраны, органоиды клеток, нуклеиновые кислоты и другие) подвергаются окислительному разрушению. Так организм изнашивается, стареет, жизненно-важные органы теряют свою функцию. Но эти негативные процессы могут быть замедлены, если в организм с питьем и пищей поступает вода, обладающая свойствами внутренней среды организма, т. е. обладающая защитными и восстановительными свойствами .
Для того, чтобы организм оптимальным образом использовал в обменных процессах питьевую воду с положительным значением окислительно-восстановительного потенциала, ее ОВП должен соответствовать значению ОВП внутренней среды организма. Необходимое изменение ОВП воды в организме происходит за счет затраты электрической энергии клеточных мембран, т.е. энергии самого высокого уровня, энергии, которая фактически является конечным продуктом биохимической цепи трансформации питательных веществ.
Количество энергии, затрачиваемой организмом на достижение биосовместимости воды, пропорциональна ее количеству и разности ОВП воды и внутренней среды организма.
Если поступающая в организм питьевая вода имеет ОВП близкий к значению ОВП внутренней среды организма человека, то электрическая энергия клеточных мембран (жизненная энергия организма) не расходуется на коррекцию активности электронов воды и вода тотчас же усваивается, поскольку обладает биологической совместимостью по этому параметру. Если питьевая вода имеет ОВП более отрицательный, чем ОВП внутренней среды организма, то она подпитывает его этой энергией, которая используется клетками, как энергетический резерв антиокси-дантной защиты организма от неблагоприятного влияния внешней среды .
Дыхание, усвоение углекислого газа растениями с выделением кислорода, обмен веществ и ряд других химических процессов в основе своей являются окислительновосстановительными реакциями. Сжигание топлива в топках паровых котлов и двигателях внутреннего сгорания, электролитическое осаждение металлов, процессы, происходящие в гальванических элементах и аккумуляторах, включают реакции окисления-восстановления.
Получение элементарных веществ (железа, хрома, марганца, золота, серебра, серы, хлора, иода и т. д.) и ценных химических продуктов (аммиака, щелочей, азотной, серной и других кислот) основана на окислительно-восстановительных реакциях.
На окислении-восстановлении в аналитической химии основаны методы объемного анализа: перманганатометрия, йодометрия, броматометрия и другие, играющие важную роль при контролировании производственных процессов и выполнении научных исследований. В органической химии для проведения ряда химических превращений самое широкое распространение нашли именно процессы окисления-восстановления.
Таким образом, большинство химических процессов, протекающих в природе и осуществляемых человеком в его практической деятельности, представляют собой окислительновосстановительные реакции. Эти реакции являются основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма и имеют огромное значение в теории и практике.
Глубокое знание сущности и закономерностей протекания химических реакций дает возможность управлять ими и использовать для синтеза новых веществ. Усвоение общих закономерностей протекания химических реакций необходимо для последующего изучения
свойств неорганических и органических веществ, что важно для понимания процессов, происходящих в организме человека.
Литература
1. Ахмадышин, Р.А. Оценка адсорбции витаминов и микроэлементов клеточной стенкой дрожжей Saccharomyces cerevisiae / Р.А.Ахмадышин, А. В. Канарский, З. А. Канарская. - Вестник Казан. технол. ун-та.- 2007. - № 6. - С. 83-86.
2. Балакирева, Ю.В. Изучение антиоксидантной активности коровьего и козьего молока / Ю.В.Балакирева, Ф.Ю. Ахмадуллина, А.А. Лапин. - Вестник Казан. технол. ун-та.- 2009. - № 1. -С. 56-60.
3. Егоров, А.С. Репетитор по химии / под ред. А.С.Егорова. - Изд. 24-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. -762 с.
4. Ленский, А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию: Учеб. пособие для студентов медицинских вузов / А.С.Ленский. - М.: Высш. шк., 2009. - 256 с.
5. Николаев, А.Я. Биологическая химия: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. / А.Я.Николаев. - М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2007. - 568 с.
© З. Н. Хисматуллина - канд. социол. наук, доц. каф. социальной работы, педагогики и психологии КНИТУ, [email protected].
Многие разрушительные процессы в нашей жизни связаны с окислением, то есть происходят при участии кислорода. Однако окислительные реакции просто необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Они влияют на образование энергии, восстановление, процессы гомеостаза и другие жизненно важные функции. Главное здесь - сохранить баланс и не допустить перехода границы, когда окисление превращается в нашего врага.
Процессы, происходящие в организме человека, неизменно связаны с реакцией окисления. При этом сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых и выделяется энергия, необходимая для жизни.
Однако результаты подобных окислительных процессов могут иметь два итога: положительный и отрицательный.
Результаты окислительных реакций
Баланс окислительных и антиокислительных процессов - залог долголетия
Необходимое условие нормального функционирования всех систем организма и здоровья человека - баланс между окислительными и антиокислительными процессами. Смещение этого явления в ту или другую сторону может являться как патологией, так и приспособительной реакцией.
Если окислительных процессов становится больше, то нашему организму приходится нелегко. Большое количество свободных радикалов (которые образуются в процессе окисления) вызывает оксидативный стресс, при котором поражаются здоровые клетки организма.
Это может привести к развитию злокачественных опухолей, преждевременному старению и серьезным заболеваниям. Различные вирусы активнее проникают в организм, так как он не защищен, а мы становимся более уязвимы для инфекционных заболеваний.
Когда организм ослаблен, вредное UV-А-излучение запускает процесс окисления, нанося непоправимый вред как коже, так и организму в целом. От этого страдают иммунная система и ДНК.
Факторы нарушения баланса окислительных процессов:
- Ионизирующее излучение.
- Химические препараты.
- Бактерии, вирусы.
- Алкоголь, курение.
- Загрязнение окружающей среды.
- Неправильное питание.
Одно из решений - восстановление или своевременное поддержание баланса между окислительными и антиокислительными процессами. Это возможно при регуляции процессов окисления с помощью рациона питания и качественного улучшения образа жизни.
Особенно об этом необходимо помнить жителям крупных городов, где выхлопные газы и неправильное питание разрушают антиоксидантную систему в организме. Внутри человека постепенно накапливаются вредные вещества, которые приводят к оксидативному стрессу и вызывают различные патологии.
Антиоксиданты - полноценная защита организма
На сегодня известно более 3000 разнообразных антиоксидантов. Обычно их подразделяют на 4 группы:
- Биофлавоноиды растений. Действуют как ловушка: захватывают свободные радикалы и токсины и выводят их из организма. С их помощью можно снизить риск возникновения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Источник: катехин, который содержится в зеленом чае, красном вине, цитрусовых.
- Витамины. Поглощают излишнюю энергию агрессивных свободных радикалов, а также прекращают или затормаживают развитие цепной реакции. Бывают двух видов: жирорастворимые (защита жировой ткани) и водорастворимые (защита мышц и сосудов). Например, витамины А, Е, С, бета-каротин.
- Минеральные вещества, которые человек не способен вырабатывать сам. Поддерживают нормальный уровень витаминов в организме и защищают от инфекций. Пример: селен, марганец, кальций, цинк.
- Ферменты. Выступают в роли катализаторов, обеззараживая и ускоряя процесс вывода свободных радикалов. Пример: фермент коэнзим Q10.
В зависимости от происхождения можно выделить два вида антиоксидантов:
- Природные (содержатся в продуктах питания и лучше всего усваиваются организмом).
- Синтетические (препараты, производящиеся фармацевтической промышленностью).
Самый богатый источник антиоксидантов - растительная пища. Кстати, кожура, семечки и корневища наиболее богаты этими ценными элементами. Некоторые ученые предполагают, что самые эффективные антиоксиданты - это биофлавоноиды, которые находятся в кожуре ярко окрашенных растений, например в винограде, свекле, чернике, баклажанах, капусте фиолетового цвета.
Основными источниками сильнейших антиоксидантов являются:
- апельсины, абрикосы, папайя, арбузы, мандарины, нектарины, киви, манго, орехи;
- морковь, горчица, семена подсолнечника, тыква, шпинат;
- брокколи, свекла, кукуруза, томаты, спаржа, шпинат;
- тунец, птица, говядина, устрицы, зерновой хлеб, молочные продукты;
- красное мясо, устрицы, фасоль, красная рыба.
Баланс антиоксидантных и окислительных процессов является незаменимой профилактикой многих опасных заболеваний. Продлите свою молодость и отличное настроение с помощью регулярного приема антиоксидантов!
| Рубрики: | |
Две цитаты из журнала "Наука и жизнь" из статьи "Блеск и нищета антиоксидантов" ():
"Эффективность антиоксидантов зависит от дозы препарата не линейно. В больших концентрациях антиоксиданты начинают действовать в обратном направлении и не тормозят, а, напротив, ускоряют свободнорадикальные реакции. Дело в том, что, взаимодействуя со свободным радикалом, антиоксидант сам превращается в радикал, только менее активный. Пока таких радикалов мало, они не опасны для организма. Но если их накапливается слишком много, вклад в окисление становится весомым."
"В живом организме действует физико-химическая регуляторная система, которая поддерживает необходимый уровень свободнорадикальных реакций, регулирует обмен мембранных липидов и скорость расходования антиоксидантов. Как работает эта система? Если уровень антиоксидантов по каким-то причинам повышается, то процессы окисления в клеточных мембранах замедляются. В результате мембраны обогащаются ненасыщенными липидами, которые окисляются легче, чем насыщенные. Увеличение окисляемости ведет в свою очередь к более быстрому расходованию антиоксидантов, и все параметры возвращаются к норме. Если концентрация антиоксидантов падает, то процесс идет в обратном направлении, выводя клетку на оптимальную скорость окисления. Существование такой системы регуляции обнаружено практически во всех изученных внутриклеточных и клеточных мембранах клеток животных, растительных организмов и микроорганизмов. Изменение состава липидов и степени их окисленности приводит к изменению текучести различных слоев мембраны. А это влияет на активность связанных с мембраной белков - ферментов, рецепторов. Процесс релаксации системы к нормальному состоянию может занимать от считанных минут до нескольких суток."
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http :// www . allbest . ru /
Министерство здравоохранения Республики Беларусь
Учреждение образования
«Гомельский государственный медицинский университет»
Кафедра общей и биоорганической химии
Роль окислительно-восстановительных реакций в организме
Выполнил:
Купрейчик В. В.
Проверил:
Одинцова М. В.
Гомель 2016
Введение
1. Краткая история
2. ОВР в организме
3. ОВР в медицине и фармации
4. Окислительно-восстановительный потенциал
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Биологическое окисление имеет огромное значение для живых организмов. Большая часть энергии, необходимой для жизнедеятельности, образуется в результате окислительно-восстановительных реакций.
Окисление веществ может осуществляться следующими способами: а) отщеплением водорода от субстрата, который окисляется (процесс дегидрирования), б) отдачей субстратом электрона в) присоединением кислорода к субстрату. В живых клетках встречаются все перечисленные типы окислительных реакций, катализируемых соответствующими ферментами - ок-сидоредуктазамы. Процесс окисления происходит не изолированно, он связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции присоединения водорода или электрона, т.е. осуществляются окислительно-восстановительные реакции. Окислением называют все химические реакции, при которых происходит отдача электронов, что сопровождается увеличением положительных валентностей. Но одновременно с окислением одного вещества должно происходить и восстановление, т.е. присоединения электронов в другое вещество.
Таким образом, биологическое окисление и восстановление - это ответные реакции переноса электронов, происходящих в живых организмах, а тканевое дыхание - такой вид биологического окисления, при котором акцептором электрона является молекулярный кислород.
1. Краткая история
Изучение процессов биологического окисления начал в XVIII в. А. Лавуазье. Он обратил внимание на наличие определенной тождественности процессов горения органических веществ вне организма и дыханием животных. Оказалось, что при дыхании, как и при горении, поглощается кислород и образуются CO2 и H2O, однако процесс «горения» в организме идет очень медленно, к тому же, без пламени.
После работ А. Лавуазье в науке в течение длительного времени господствовало мнение о тождестве явлений горения и медленного окисления питательных веществ в организме. Однако оставалось неясным, почему это особое медленное «горения» в организме происходит при необычных условиях. при определенной низкой температуры (36-37 ° C), без возникновения пламени (как это имеет место при горении) и в присутствии воды, содержание которой достигает в тканях 75-80% от общей массы и которая в обычных условиях горению мешает. Это указывало на то, что медленное окисление органических веществ в организме по своему механизму резко отличается от обычного горения в воздухе органических веществ (дерева, угля и т.д.), хотя конечными продуктами в обоих случаях CO2 и вода.
Причину такого своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые сначала пытались объяснить «активацией» кислорода в клетках организма.
Одна из первых теорий биологического окисления, связанных с «активацией» кислорода, была развита русским ученым О.М.Бахом (1897), который считал, что молекула кислорода способна действовать как окислитель органических веществ только после своей активации результате разрыва одного из н "связей в его молекуле (-OO-). Активация происходит, в частности, если в среде присутствуют соединения, которые легко окисляются (например, имеющих двойные связи), при участии ферментов оксигеназ.
Соединения легко окисляются, например, ненасыщенные жирные кислоты, взаимодействуя с кислородом, образуют пероксиды. В этих реакциях окисление параллельно с восстановлением. Таким образом О.М. Бах впервые сформулировал идею о сопряженность окислительно-восстановительных процессов при дыхании. Теория А.Н. Баха получила название «перекисной теории» активации кислорода.
Однако истинный механизм активации кислорода во время окисления различных субстратов дыхания оказался другим.
Значительную роль в развитии теории биологического окисления сыграли работы другого российского ученого - В.И. Палладина (1907). Он развил представление о дыхании как систему ферментативных процессов и особое значение придавал окислению субстратов путем отщепления водорода (процесс дегидрирования).
Изучая окисление субстратов в растениях, В.И. Палладин установил, что оно может происходить без кислорода, если в среде имеются вещества, способные присоединять отщепленным при окислении водород. Такими веществами могут быть пигменты или хромогены и другие вещества, которые выполняют функцию промежуточных переносчиков водорода. Присоединяя водород от субстратов при этом окисляются, хромогены восстанавливаются и становятся бесцветными. Таким образом, В.И. Палладин придавал большое значение процесса окисления как процесса дегидрирования, а также указывал на важную роль кислорода как акцептора водорода в процессах биологического окисления.
Исследования В.И. Палладина были подтверждены работами Г. Виланда, который установил на примере окисления альдегидов, что процесс дегидрирования субстратов является основным процессом, который лежит в основе биологического окисления, и кислород взаимодействует уже с активированными атомами водорода. Таким образом, была создана концепция окисления веществ путем их дегидрирования, которая стала называться теорией Пал-Ладина-Виланда. Большую роль в подтверждении этой теории сыграло открытие и изучение целого ряда ферментов-дегидрогеназ, катализирующих отщепление атомов водорода от различных субстратов.
В дальнейшем были изучены: связь дыхания с другими процессами обмена веществ, в том числе и с процессом фосфорилирования; свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления; локализация этих ферментов в клетке; механизм аккумуляции и преобразования энергии и т.п..
Значительный вклад в изучение биологического окисления сделали О. Варбург, Д. Кейлин, Г. Кребс, П. Митчелл, Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рекер, В.О. Энгельгардт, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев и др..
2. ОВР в организме
Окислительно-восстановительные реакции играют исключительную роль в обмене веществ и энергии, происходящем в организме человека и животных. Реакция окисления неотделима от реакции восстановления, и оба эти процесса необходимо рассматривать в неразрывном единстве. При любой окислительно-восстановительной реакции алгебраическая сумма степеней окисления атомов остается неизменной. Многие окислительно-восстановительные реакции сводятся только к взаимодействию окислителя и восстановителя. Но чаще всего, если реакция осуществляется в водной среде, на ход окислительно-восстановительного процесса оказывает большое влияние взаимодействие реагентов с ионами водорода и гидроксила воды, а также присутствующих в растворе кислот и щелочей. Иногда влияние среды на ход окислительно-восстановительного процесса столь велико, что некоторые реакции могут осуществляться только в кислой или щелочной среде. От кислотно-щелочного баланса среды зависит направление окислительно-восстановительной реакции, количество электронов, присоединяемых молекулой (ионом) окислителя и отдаваемых молекулой (ионом) восстановителя и т. д. Например, реакция между иодидами и иодатами с выделением элементов иода протекает только в присутствии сильных кислот, а в сильно щелочной среде при нагревании может протекать обратная реакция.
Обмен веществ, в котором окислительно-восстановительные процессы играют столь значительную роль, имеет две стороны: 1) пластическую, сводящуюся к синтезу сложных органических веществ, необходимых организму в качестве «строительных материалов» для обновления тканей и клеток, из веществ, которые поступают главным образом с пищей (это анаболические процессы, или процессы ассимиляции, требующие затрат энергии) -- 2) энергетическую, сводящуюся к распаду (окислению) сложных высокомолекулярных веществ, играющих роль биологического топлива, до более простых -- в оды, диоксида углерода и т. д. (это катаболические процессы, или процессы диссимиляции, сопровождающиеся освобождением энергии).
Окислительно-восстановительные реакции являются необходимыми звеньями в сложной цепи как анаболических, так и катаболических процессов, но их роль особенно велика как основных источников энергии для живого организма. Организмы, существующие в аэробных условиях (т. е. в окислительной атмосфере кислорода воздуха), получают эту энергию за счет процесса дыхания, в результате которого поступающие в организм питательные вещества в клетках и тканях окисляются до диоксида углерода, воды, аммиака, мочевины и других продуктов жизнедеятельности, характеризующихся сравнительно небольшими значениями энергии и высокими значениями энтропии (от греч. -- поворот, превращение -- это мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов).
В основе процессов дыхания лежит окислительно-восстановительная реакция, при которой молекула диатомного кислорода образует две молекулы воды. В процессе внешнего дыхания кислород воздуха связывается с гемоглобином и в форме оксигемоглобина доставляется с потоком крови к капиллярам тканей. В процессе тканевого, или клеточного дыхания, ткани и клетки поглощают этот кислород, за счет которого осуществляется окисление поступивших в организм из внешней среды белков, жиров и углеводов. одновременно образующийся диоксид углерода с потоком венозной крови направляется в легкие и там, диффундируя через стенки альвеол, оказывается в составе выдыхаемого воздуха. Но в этих процессах биологического окисления субстратами, непосредственно подвергающихся действию кислорода, являются не те высокомолекулярные соединения, которые первоначально находились в составе пищи, а образовавшиеся в результате гидролитического расщепления в желудочно-пищевом тракте более простые, низкомолекулярные продукты.
На первой стадии диссимиляции в результате гидролиза сложные углеводы -- крахмал, сахароза, гликоген и другие при участии амилаз превращаются в глюкозу и другие моносахариды. Жиры при участии липаз превращаются в жирные кислоты и глицерин. Белки под действием протеолитических ферментов превращаются в низкомолекулярные пептиды и аминокислоты. На этой стадии освобождается энергия, составляющая не более 1% от общей химической энергии пищевых веществ. Часть продуктов, возникших на первой стадии диссимиляции, организм человека использует в качестве исходных веществ для анаболических реакций, связанных с получением материалов для застройки тканей и клеток, а также как запас химического топлива.
Другая часть продуктов гидролиза подвергается окислению, при котором наряду с диоксидом углерода, водой, аммиаком, мочевиной и т. д. образуются также продукты неполного окисления.
На второй стадии диссимиляции освобождается около 1/3 общего количества энергии, но еще не происходит аккумулирование выделившейся энергии путем образования высокоэргических веществ.
На третьей стадии диссимиляции происходит полное окисление всех образовавшихся во второй стадии промежуточных продуктов: воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и т. д. и освобождаются остальные 2/3 химической энергии, полученные организмом из пищевых веществ. Это сложный химический процесс, включающий десять последовательно протекающих реакций, каждая из которых катализируется соответствующим ферментом, называется циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Ферменты, необходимые для осуществления этих последовательных реакций, локализуются в мембранных структурных элементах клеток -- митохондриях. окисление тиосульфат антидот вода
На третьей стадии диссимиляции освобождается 40?60% энергии, которая используется организмом для синтеза высокоэргических веществ.
Таким образом, рассмотренные стадии диссимиляции в организме питательных веществ показывает, что энергоснабжение организма на 99% обеспечивается протеканием в нем окислительно-восстановительных процессов.
Кроме того, с помощью окислительно-восстановительных реакций в организме разрушаются некоторые токсические вещества, образующиеся в ходе метаболизма. Именно таким путем организм избавляется от вредного влияния промежуточных продуктов биохимического окисления.
3. ОВР в медицине и фармации
Сведения относительно окислительно-восстановительных свойств различных лекарственных препаратов позволяют решать вопросы о совместимости при одновременном их назначении больному, а также о допустимости их совместного хранения. С учетом этих данных становятся понятными несовместимость ряда лекарственных средств (например, таких как ио-дид калия и нитрит натрия, перманганат калия и тиосульфат натрия, пероксид водорода и ио-диды и т. д.).
Во многих случаях фармацевтические свойства медицинских препаратов находятся в непосредственной связи с их окислительно-восстановительными свойствами. Так, например, многие из антисептических, противомикробных и дезинфицирующих средств, (иод, перманганат калия, пероксид водорода, соли меди, серебра и ртути) являются в то же время и сильными окислителями.
Применение тиосульфата натрия в качестве универсального антидота (противоядия) основано на его способности участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в роли как окислителя, так и восстановителя. В случае отравлений соединениями мышьяка, ртути и свинца, прием внутрь раствора тиосульфата натрия приводит к образованию труднорастворимых и потому практически неядовитых сульфатов. При отравлениях синильной кислотой или цианидами тиосульфат натрия дает возможность превратить эти токсичные вещества в менее ядовитые роданистые соединения. При отравлении галогенами и другими сильными окислителями антитоксическое действие триосульфата натрия обусловлено его умеренными восстановительными свойствами.
4. Окислительно-восстановительный потенциал
Говоря об окислительно-восстановительных процессах, нужно отметить, что во время окислительных или восстановительных реакций изменяется электрический потенциал окисляемого или восстанавливаемого вещества: одно вещество, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляется, другое, приобретая электроны и заряжаясь отрицательно, -восстанавливается. Разность электрических потенциалов между ними есть окислительновосстановительный потенциал (ОВП).
Окислительно-восстановительный потенциал является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Это означает, что ОВП, называемый также, редокс-потенциал (от английского RedOx -- Reduction/Oxidation), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т. е. в реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов. При измерениях (в электрохимии) величина этой разности обозначается как Eh и выражается в милливольтах. Чем выше концентрация компонентов, способных к окислению, к концентрации компонентов, могущих восстанавливаться, тем выше показатель редокс-потенциала. Такие вещества, как кислород и хлор, стремятся к принятию электронов и имеют высокий электрический потенциал, следовательно, окислителем может быть не только кислород, но и другие вещества (в частности, хлор), а вещества типа водорода, наоборот, охотно отдают электроны и имеют низкий электрический потенциал. Наибольшей окислительной способностью обладает кислород, а восстановительной -- водород, но между ними располагаются и другие вещества, присутствующие в воде и менее интенсивно выполняющие роль либо окислителей, либо восстановителей.
Значение ОВП для каждой окислительно-восстановительной реакции может иметь как положительное, так и отрицательное значение.
Так, например, в природной воде значение Eh колеблется от -400 до +700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды.
В биохимии величины редокс-потенциала выражаются не в милливольтах, а в условных единицах rH (reduction Hydrogenii).
Шкала условных единиц rH содержит 42 деления.
«0» -- означает чистый водород,
«42» -- чистый кислород,
«28» -- нейтральная среда.
pH и rH тесно взаимосвязаны.
Окислительные процессы понижают показатель кислотно-щелочного равновесия (чем выше rH, тем ниже pH), восстановительные -- способствуют повышению pH. В свою очередь показатель pH влияет на величину rH.
В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется на поддержание гомеостаза (относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма) и регенерацию клеток организма, т. е. на обеспечение процессов жизнедеятельности организма.
ОВП внутренней среды организма человека, измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, в норме всегда меньше нуля, т. е. имеет отрицательные значения, которые обычно находятся в пределах от -100 до -200 милливольт. ОВП питьевой воды, измеренный таким же способом практически всегда больше нуля, обычно находится в пределах от +100 до +400 мВ. Это справедливо практически для всех типов питьевой воды, той, которая течет из водопроводных кранов во всех городах мира, которая продается в стеклянных и пластиковых бутылках, которая получается после очистки в уста-
новках обратного осмоса и большинства разнообразных больших и малых водоочистительных систем.
Указанные различия ОВП внутренней среды организма человека и питьевой воды означают, что активность электронов во внутренней среде организма человека намного выше, чем активность электронов в питьевой воде.
Активность электронов является важнейшей характеристикой внутренней среды организма, поскольку напрямую связана с фундаментальными процессами жизнедеятельности.
Когда обычная питьевая вода проникает в ткани человеческого (или иного) организма, она отнимает электроны от клеток и тканей, которые состоят из воды на 80?90%. В результате этого биологические структуры организма (клеточные мембраны, органоиды клеток, нуклеиновые кислоты и другие) подвергаются окислительному разрушению. Так организм изнашивается, стареет, жизненно-важные органы теряют свою функцию. Но эти негативные процессы могут быть замедлены, если в организм с питьем и пищей поступает вода, обладающая свойствами внутренней среды организма, т. е. обладающая защитными и восстановительными свойствами.
Для того, чтобы организм оптимальным образом использовал в обменных процессах питьевую воду с положительным значением окислительно-восстановительного потенциала, ее ОВП должен соответствовать значению ОВП внутренней среды организма. Необходимое изменение ОВП воды в организме происходит за счет затраты электрической энергии клеточных мембран, т. е. энергии самого высокого уровня, энергии, которая фактически является конечным продуктом биохимической цепи трансформации питательных веществ.
Количество энергии, затрачиваемой организмом на достижение биосовместимости воды, пропорциональна ее количеству и разности ОВП воды и внутренней среды организма.
Если поступающая в организм питьевая вода имеет ОВП близкий к значению ОВП внутренней среды организма человека, то электрическая энергия клеточных мембран (жизненная энергия организма) не расходуется на коррекцию активности электронов воды и вода тотчас же усваивается, поскольку обладает биологической совместимостью по этому параметру. Если питьевая вода имеет ОВП более отрицательный, чем ОВП внутренней среды организма, то она подпитывает его этой энергией, которая используется клетками, как энергетический резерв антиокси-дантной защиты организма от неблагоприятного влияния внешней среды.
Заключение
Дыхание, усвоение углекислого газа растениями с выделением кислорода, обмен веществ и ряд других химических процессов в основе своей являются окислительно-восстановительными реакциями. Сжигание топлива в топках паровых котлов и двигателях внутреннего сгорания, электролитическое осаждение металлов, процессы, происходящие в гальванических элементах и аккумуляторах, включают реакции окисления-восстановления.
Получение элементарных веществ (железа, хрома, марганца, золота, серебра, серы, хлора, иода и т. д.) и ценных химических продуктов (аммиака, щелочей, азотной, серной и других кислот) основана на окислительно-восстановительных реакциях.
На окислении-восстановлении в аналитической химии основаны методы объемного анализа: перманганатометрия, йодометрия, броматометрия и другие, играющие важную роль при контролировании производственных процессов и выполнении научных исследований.
Таким образом, большинство химических процессов, протекающих в природе и осуществляемых человеком в его практической деятельности, представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Эти реакции являются основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма и имеют огромное значение в теории и практике.
Глубокое знание сущности и закономерностей протекания химических реакций дает возможность управлять ими и использовать для синтеза новых веществ. Усвоение общих закономерностей протекания химических реакций необходимо для последующего изучения свойств неорганических и органических веществ, что важно для понимания процессов, происходящих в организме человека.
Список используемой литературы
1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. / Под ред. А.И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс, 2002. - 728 с.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. / Под ред. Ершова Ю.А. - 3-е изд., М.: Высш.шк., 2002. - 560
3. Энциклопедический словарь юного химика. / Сост. Крицман В.А., Станцо В.В. - 2-е изд. - М.: Педагогика, 1990. - 320 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Сущность и виды окисления - химических реакций присоединения кислорода или отнятия водорода. Ознакомление с методами восстановления металлов в водных и соляных растворах. Изучение основных положений теории окислительно-восстановительных реакций.
реферат , добавлен 03.10.2011
Определение водородного и гидроксильного показателей. Составление окислительно-восстановительных реакций и электронного баланса. Изменение степени окисления атомов реагирующих веществ. Качественные реакции на катионы различных аналитических групп.
практическая работа , добавлен 05.02.2012
Важнейшие окислители и восстановители. Cоставление уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбор стехиометрических коэффициентов. Влияние различных факторов на протекание реакций. Окислительно-восстановительный эквивалент, сущность закона.
лекция , добавлен 22.04.2013
Методы окислительно-восстановительного титрования. Основные окислители и восстановители. Факторы, влияющие на окислительно-восстановительные реакции. Применение реакции окисления-восстановления в анализе лекарственных веществ. Растворы тиосульфата натрия.
презентация , добавлен 21.10.2013
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса. Степень окисления как условный заряд атома элемента. Распространённые восстановители. Свободные неметаллы, переходящие в отрицательные ионы. Влияние концентрации.
презентация , добавлен 17.05.2014
Характеристика окислительных и восстановительных процессов. Правила определения степени окисления атомов химических элементов, терминология и правила определения функции соединения в ОВР. Методы составления уравнений: электронного баланса, полуреакций.
презентация , добавлен 20.03.2011
Важнейшие окислители и восстановители. Правила определения CO. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбор стехиометрических коэффициентов. Влияние различных факторов на протекание ОВР. Электрохимический ряд напряжений металлов.
презентация , добавлен 11.08.2013
Отличительные признаки окислительно-восстановительных реакций. Схема стандартного водородного электрода. Уравнение Нернста. Теоретические кривые титрования. Определение точки эквивалентности. Окислительно-восстановительные индикаторы, перманганатометрия.
курсовая работа , добавлен 06.05.2011
Классификация окислительно-восстановительных реакций в органической и неорганической химии. Химические процессы, результат которых - образование веществ. Восстановление альдегидов в соответствующие спирты. Процессы термической диссоциации водного пара.
реферат , добавлен 04.11.2011
Положения теории окислительно-восстановительных реакций. Важнейшие окислители и восстановители. Кислородсодержащие соли элементов. Гидриды металлов. Метод электронного баланса. Особенности метода полуреакций. Частное уравнение восстановления ионов.
Без энергии невозможно существование ни одного живого существа. Ведь каждая химическая реакция, любой процесс требуют ее присутствия. Любому человеку легко понять это и почувствовать. Если весь день не употреблять пищу, то уже к вечеру, а возможно, и раньше, начнутся симптомы повышенной усталости, вялости, сила значительно уменьшится.
Каким же способом разные организмы приспособились к получению энергии? Откуда она берется и какие процессы при этом происходят внутри клетки? Попробуем разобраться в данной статье.
Получение энергии организмами
Каким бы способом ни потребляли существа энергию, в основе всегда лежат Примеры можно привести разные. Уравнение фотосинтеза, который осуществляют зеленые растения и некоторые бактерии − это тоже ОВР. Естественно, что процессы будут отличаться в зависимости от того, какое живое существо имеется в виду.
Так, все животные − это гетеротрофы. То есть такие организмы, которые не способны самостоятельно формировать внутри себя готовые органические соединения для дальнейшего их расщепления и высвобождения энергии химических связей.
Растения, напротив, являются самым мощным продуцентом органики на нашей планете. Именно они осуществляют сложный и важный процесс под названием фотосинтез, который заключается в формировании глюкозы из воды, углекислого газа под действием специального вещества − хлорофилла. Побочным продуктом является кислород, который является источником жизни для всех аэробных живых существ.
Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых иллюстрируют данный процесс:
- 6CO 2 + 6H 2 O = хлорофилл = C 6 H 10 O 6 + 6O 2 ;
- диоксид углерода + под воздействием пигмента хлорофилла (фермент реакции) = моносахарид + свободный молекулярный кислород.
Также существуют и такие представители биомассы планеты, которые способны использовать энергию химических связей неорганических соединений. Их называют хемотрофы. К ним относят многие виды бактерий. Например, водородные микроорганизмы, окисляющие молекулы субстрата в почве. Процесс происходит по формуле: 2Н 2 +0 2 =2Н 2 0.
История развития знаний о биологическом окислении
Процесс, который лежит в основе получения энергии, сегодня вполне известен. Это биологическое окисление. Биохимия настолько подробно изучила тонкости и механизмы всех стадий действия, что загадок почти не осталось. Однако так было не всегда.
Первые упоминания о том, что внутри живых существ происходят сложнейшие преобразования, которые являются по природе химическими реакциями, появились примерно в XVIII веке. Именно в это время Антуан Лавуазье, знаменитый французский химик, обратил свое внимание на то, как схожи биологическое окисление и горение. Он проследил примерный путь поглощаемого при дыхании кислорода и пришел к выводу, что внутри организма происходят процессы окисления, только более медленные, чем снаружи при горении различных веществ. То есть окислитель − молекулы кислорода − вступают в реакцию с органическими соединениями, а конкретно, с водородом и углеродом из них, и происходит полное превращение, сопровождающееся разложением соединений.
Однако, хоть данное предположение по сути своей вполне реально, непонятными оставались многие вещи. Например:
- раз процессы схожи, то и условия их протекания должны быть идентичными, но окисление происходит при низкой температуре тела;
- действие не сопровождается выбросом колоссального количества тепловой энергии и не происходит образования пламени;
- в живых существах не менее 75-80% воды, но это не мешает «горению» питательных веществ в них.
Чтобы ответить на все эти вопросы и понять, что на самом деле представляет собой биологическое окисление, понадобился не один год.
Существовали разные теории, которые подразумевали важность наличия в процессе кислорода и водорода. Самые распространенные и наиболее успешные были:
- теория Баха, именуемая перекисной;
- теория Палладина, основывающаяся на таком понятии, как «хромогены».
В дальнейшем было еще много ученых, как в России, так и других странах мира, которые постепенно вносили дополнения и изменения в вопрос о том, что же такое биологическое окисление. Биохимия современности, благодаря их трудам, может рассказать о каждой реакции этого процесса. Среди самых известных имен в этой области можно назвать следующие:
- Митчелл;
- С. В. Северин;
- Варбург;
- В. А. Белицер;
- Ленинджер;
- В. П. Скулачев;
- Кребс;
- Грин;
- В. А. Энгельгардт;
- Кейлин и другие.
Виды биологического окисления
Можно выделить два основных типа рассматриваемого процесса, которые протекают при разных условиях. Так, самый распространенный у многих видов микроорганизмов и грибков способ преобразования получаемой пищи − анаэробный. Это биологическое окисление, которое осуществляется без доступа кислорода и без его участия в какой-либо форме. Подобные условия создаются там, куда нет доступа воздуху: под землей, в гниющих субстратах, илах, глинах, болотах и даже в космосе.
Этот вид окисления имеет и другое название − гликолиз. Он же является одной из стадий более сложного и трудоемкого, но энергетически богатого процесса − аэробного преобразования или тканевого дыхания. Это уже второй тип рассматриваемого процесса. Он происходит во всех аэробных живых существах-гетеротрофах, которые для дыхания используют кислород.
Таким образом, виды биологического окисления следующие.
- Гликолиз, анаэробный путь. Не требует присутствия кислорода и заканчивается разными формами брожения.
- Тканевое дыхание (окислительное фосфорилирование), или аэробный вид. Требует обязательного наличия молекулярного кислорода.
Участники процесса
Перейдем к рассмотрению непосредственно самих особенностей, которые заключает в себе биологическое окисление. Определим основные соединения и их аббревиатуры, которые в дальнейшем будем использовать.
- Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) − конденсат щавелевой и уксусной кислоты с коферментом, формирующийся на первой стадии цикла трикарбоновых кислот.
- Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) − ряд сложных последовательных окислительно-восстановительных преобразований, сопровождающихся высвобождением энергии, восстановлением водорода, образованием важных низкомолекулярных продуктов. Является главным звеном ката- и анаболизма.
- НАД и НАД*Н − фермент-дегидрогеназа, расшифровывающийся как никотинамидадениндинуклеотид. Вторая формула − это молекула с присоединенным водородом. НАДФ - никотинамидадениндинуклетид-фосфат.
- ФАД и ФАД*Н − флавинадениндинуклеотид - кофермент дегидрогеназ.
- АТФ − аденозинтрифосфорная кислота.
- ПВК − пировиноградная кислота или пируват.
- Сукцинат или янтарная кислота, Н 3 РО 4 − фосфорная кислота.
- ГТФ − гуанозинтрифосфат, класс пуриновых нуклеотидов.
- ЭТЦ − электроно-транспортная цепь.
- Ферменты процесса: пероксидазы, оксигеназы, цитохромоксидазы, флавиновые дегидрогеназы, различные коферменты и прочие соединения.
Все эти соединения являются непосредственными участниками процесса окисления, которое происходит в тканях (клетках) живых организмов.
Стадии биологического окисления: таблица
| Стадия | Процессы и значение |
| Гликолиз | Суть процесса заключается в бескислородном расщеплении моносахаридов, которое предшествует процессу клеточного дыхания и сопровождается выходом энергии, равным двум молекулам АТФ. Также образуется пируват. Это начальная стадия для любого живого организма гетеротрофа. Значение в образовании ПВК, который поступает на кристы митохондрий и является субстратом для тканевого окисления кислородным путем. У анаэробов после гликолиза наступают процессы брожения разного типа. |
| Окисление пирувата | Этот процесс заключается в преобразовании ПВК, образовавшейся в ходе гликолиза, в ацетил-КоА. Он осуществляется при помощи специализированного ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Результат − молекулы цетил-КоА, которые вступают в В этом же процессе осуществляется восстановление НАД до НАДН. Место локализации − кристы митохондрий. |
| Распад бета-жирных кислот | Этот процесс осуществляется параллельно с предыдущим на кристах митохондрий. Суть его в том, чтобы переработать все жирные кислоты в ацетил-КоА и поставить его в цикл трикарбоновых кислот. При этом также восстанавливается НАДН. |
| Цикл Кребса | Начинается с превращения ацетил-КоА в лимонную кислоту, которая и подвергается дальнейшим преобразованиям. Одна из важнейших стадий, которые включает в себя биологическое окисление. Данная кислота подвергается:
Каждый процесс совершается несколько раз. Результат: ГТФ, диоксид углерода, восстановленная форма НАДН и ФАДН 2 . При этом ферменты биологического окисления свободно располагаются в матриксе митохондриальных частиц. |
| Окислительное фосфорилирование | Это последняя стадия преобразования соединений в организмах эукариот. При этом происходит преобразование аденозиндифосфата в АТФ. Энергия, необходимая для этого, берется при окислении тех молекул НАДН и ФАДН 2 , которые сформировались на предыдущих стадиях. Путем последовательных переходов по ЭТЦ и понижением потенциалов происходит заключение энергии в макроэргические связи АТФ. |
Это все процессы, которые сопровождают биологическое окисление при участии кислорода. Естественно, что описаны они не полностью, а лишь по сущности, так как для подробного описания нужна целая глава книги. Все биохимические процессы живых организмов чрезвычайно многогранны и сложны.
Окислительно-восстановительные реакции процесса
Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых могут проиллюстрировать описанные выше процессы окисления субстрата, следующие.
- Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2НАД + + 2АДФ = 2ПВК + 2АТФ + 4Н + + 2Н 2 О + НАДН.
- Окисление пирувата: ПВК + фермент = диоксид углерода + ацетальдегид. Затем следующий этап: ацетальдегид + Кофермент А = ацетил-КоА.
- Множество последовательных преобразований лимонной кислоты в цикле Кребса.
Данные окислительно-восстановительные реакции, примеры которых приведены выше, отражают суть происходящих процессов лишь в общем виде. Известно, что соединения, о которых идет речь, относятся к высокомолекулярным, либо имеющим большой углеродный скелет, поэтому изобразить все полными формулами просто не представляется возможным.
Энергетический выход тканевого дыхания
По приведенным выше описаниям очевидно, что подсчитать суммарный выход всего окисления по энергии несложно.
- Две молекулы АТФ дает гликолиз.
- Окисление пирувата 12 молекул АТФ.
- 22 молекулы приходится на цикл трикарбоновых кислот.
Итог: полное биологическое окисление по аэробному пути дает выход энергии, равный 36 молекулам АТФ. Значение биологического окисления очевидно. Именно эта энергия используется живыми организмами для жизни и функционирования, а также для согревания своего тела, движения и прочих необходимых вещей.
Анаэробное окисление субстрата
Второй вид биологического окисления − анаэробный. То есть тот, что осуществляется у всех, но на котором останавливаются микроорганизмы определенных видов. и именно с него четко прослеживаются различия в дальнейшем преобразовании веществ между аэробами и анаэробами.
Стадии биологического окисления по данному пути немногочисленны.
- Гликолиз, то есть окисление молекулы глюкозы до пирувата.
- Брожение, приводящее к регенерации АТФ.
Брожение может быть разных типов, в зависимости от организмов, его осуществляющих.
Молочнокислое брожение
Осуществляется молочнокислыми бактериями, а также некоторыми грибками. Суть состоит в восстановлении ПВК до молочной кислоты. Этот процесс используют в промышленности для получения:
- кисломолочных продуктов;
- квашеных овощей и фруктов;
- силоса для животных.
Этот вид брожения является одним из самых применяемых в нуждах человека.
Спиртовое брожение
Известно людям с самой древности. Суть процесса заключается в превращении ПВК в две молекулы этанола и две диоксида углерода. Благодаря такому выходу продукта, данный вид брожения используют для получения:
- хлеба;
- вина;
- пива;
- кондитерских изделий и прочего.
Осуществляют его грибы дрожжи и микроорганизмы бактериальной природы.
Маслянокислое брожение
Достаточно узкоспецифичный вид брожения. Осуществляется бактериями рода Клостридиум. Суть состоит в превращении пирувата в масляную кислоту, придающую продуктам питания неприятный запах и прогорклый вкус.
Поэтому реакции биологического окисления, идущие по такому пути, практически не используют в промышленности. Однако эти бактерии самостоятельно засевают продукты питания и наносят вред, понижая их качество.
