загрузка...
Биохимия вина  |  Регулирование кислотности молочнокислыми бактериями
Биохимия вина

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

Биологические окислительно-восстановительные процессы, которые протекают во всех биологических средах, являются одной из главных проблем биохимии.

Окисление органических соединений молекулярным кислородом является единственным источником энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. В связи с этим проблема биологических окислительно-восстановительных процессов с давних времен привлекает к себе внимание многих исследователей.

В настоящее время установлено, что использование энергетических ресурсов в процессе окисления происходит не самопроизвольно. Это связано с перекис-ной теорией А. Н. Баха [6], согласно которой в молекуле кислорода два атома прочно связаны между собой, и прежде чем они вступят в реакцию, эту связь необходимо разорвать. Для этого нужно 497 кДж/моль. Необходимо также затратить энергию и на активирование субстрата окисления, так, например, для разрыва связи С—Н требуется от 75 до 420 кДж/моль.

По этому вопросу возникла дискуссия между О. Варбургом и Г. Виляндом относительно того, активируется ли при биологическом окислении водород субстрата или молекулярный кислород? Эта проблема была разрешена после обнаружения в растительных и животных тканях системы перемещения электронов в дыхательной цепи.

Перенос электронов в дыхательной цепи

Для окисления органического вещества необходимо, чтобы, с одной стороны, происходила активация водорода субстрата с помощью дегидрогеназ, а с другой — активация кислорода с помощью терминальных оксидаз, к которым относится цитохромоксидаза.

Переносчиками, осуществляющими транспорт водорода (электронов) от субстрата на молекулярный кислород, являются четыре окислительно-восстановительных фермента: дегидрогеназы, зависящие от пиридиновых коферментов (НАД и НАДФ|); дегидрогеназы, содержащие в простетической группе флави-новые нуклеотиды (ФМН и ФАД); убихинон, или кофермент Q; цитохромы и-цитохромоксидаза.

НАД и НАДФ зависимых дегидрогеназ переносят по два водорода от субстрата к окисленной форме кофермента.

ФМН и ФАД в качестве простетических групп содержат флавиновые нуклеотиды, связанные белковой молекулой фермента. Окислительно-восстановительные свойства этих флавиновых дегидрогеназ, обусловлены способностью изо-алоксазинного кольца рибофлавина к обратимому переходу из окисленного в восстановленное состояние путем присоединения к кольцу двух атомов водорода.

Убихинон способен к обратимому окислению и восстановлению также путем присоединения двух атомов водорода. Он функционирует в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами.

Цитохромы вместе с цитохромоксидазой принимают участие на заключительном этапе процесса в цепи переноса электронов, которые передают электроны на молекулярный кислород с образованием воды.

Последовательность расположения переносчиков электротранспортной цепи представлена на схеме

Цепь переноса водорода (электронов) состоит из большого числа промежуточных переносчиков, осуществляющих электронный транспорт с субстратов на молекулярный кислород. Переносчики, находящиеся ближе к окислительному субстрату (НАД или ФАД), более восстановлены, а переносчики, расположенные ближе к молекулярному кислороду (цитохромы а+а3), более окислены.

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

При изучении последовательности функционирования переносчиков электронной цепи большое значение имели опыты с применением ингибиторов. Так, например, амитол (производное барбитуровой кислоты) ингибирует перенос электронов на участке дыхательной цепи от НАД к цитохрому. Антимицин А (ан-тимицин) блокирует перенос электронов от цитохрома к цитохрому С1 Цианистый калий и окись углерода подавляют конечный этап переноса электронов от цитохрома а3 к молекулярному кислороду.

От пиридиновых и флавиновых дегидрогеназ до кофермента Q происходит

перенос атомов водорода, а далее водород расщепляется на электроны (е) и протоны (Н+|). Электроны переносятся через ряд цитохромов. Протоны в дальнейшем транспорте не принимают участие.

В последнем этапе цитохромоксидаза катализирует перенос электронов на молекулярный кислород и образование воды.

Известно, что в молекуле цитохромоксидазы содержится простетическая группа, в которую входит железо. В окислительно-восстановительных реакциях валентность железа меняется, как это показано в приведенных ниже реакциях:

загрузка...

4Fe2+ +02->4Fe3+ +202-; 202—+4H+->2H20.

Как видно, в образовании воды участвуют четыре электрона, которые переносятся на молекулу кислорода.

В некоторых местах дыхательной цепи происходит сопряжение транспорта электронов с фосфорилированием, т. е. синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфора. Оно, как известно, является основным механизмом консервации энергии окисления.

В настоящее, время известно, что использование энергетических ресурсов (глюкозы, органических кислот и др.) при брожении, дыхании и фотосинтезе связано с переносом электронов по дыхательной цепи, состоящей из ферментов, коферментов и субстратов, способных к обратимому окислению и восстановлению. В результате этих реакций освобождающаяся на отдельных участках дыхательной цепи энергия трансформируется в химическую энергию в виде фосфатных связей АТФ. Молекулярный механизм фосфорилирования пока не выяснен. Однако известно, что синтезу АТФ предшествует образование высокоэнергетических соединений, химическая природа которых пока остается неизвестной. Синтез этих соединений сопряжен с использованием энергии, которая освобождается при электронном транспорте.

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

В связи с этим были выдвинуты различные гипотезы по выяснению механизма фосфорилирования, а именно: химическая, механо-химическая и электрохимическая. Последняя гипотеза была выдвинута Р. Митчеллом. Она является наиболее правдоподобной и обоснована экспериментальными данными. Согласно теории Р. Митчелла в результате функционирования дыхательной цепи во внутреннем митохондриальном пространстве образуются ион ОН-, а во внешнем — Н+, что приводит к связыванию Н+ с ОН- и нейтрализации зарядов в обе стороны мембраны, возникших при транспорте электронов.

Таким образом, при фосфорилировании используется электрическая энергия, т. е. мембранный потенциал, образующийся в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи.

Такого рода окислительно-восстановительные реакции происходят в живых клетках дрожжей и растений, что касается окислительных реакций, протекающих в вине, то в этом случае признана перекисная теория А. Н. Баха.

Перекисная теория окисления

Перекисная теория, сформулированная А. Н. Бахом в 1897 г., в сущности была первой теорией биологического окисления. Согласно этой теории механизм биологического окисления рассматривается следующим образом: при активации в молекуле кислорода разрывается одна из связей, удерживающих атомы. В результате образуется перекисная группа —О—О—, которая присоединяется к окисляющемуся соединению, образуя перекись.

При воздействии на эту перекись фермента пероксидазы окислительный потенциал значительно увеличивается вследствие отщепления от перекиси активного кислорода, который способен вызвать окисление более трудноокисляемого соединения.

А. Н. Бах объяснял механизм биологического окисления с позиции теории лерекисного окисления, согласно которой молекулярный кислород присоединяется к ненасыщенному, легкоокисляемому веществу, названному оксигеназой. Механизм окисления с помощью оксигеназы и пероксидазы показан ниже:

Не так давно О. Хаяши (1964) и Г. Мезон (1957) сообщили, что в растениях и микроорганизмах содержится фермент типа оксигеназ, который активирует кислород воздуха, делая его способным вклиниваться в окисляемые вещества.

Мезон назвал этот фермент трансферазой кислорода, а О. Хаяши предложил баховский термин оксигеназы. Существуют высокомолекулярные ферменты, так называемые монооксигеназы и диоксигеназы.

Открытие нового фермента оксигеназы, активирующего молекулярный кислород и прямо внедряющегося в субстрат, подтвердило правильность перекис-ной теории биологического окисления А. Н. Баха.

в

является высокоактивным

ионным радикалом, который образуется при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода, а также при энзиматическом аэробном метаболизме. Этот супероксид обладает как окислительными, так и восстановительными свойствами в зависимости от условий проведения реакции (рН среды). Это не противоречит правильности перекисной теории А. Н. Баха, так как в данном случае мы также имеем активирование кислорода.

Однако наряду с теорией перекисного окисления, которая предусматривает активирование кислорода, была выдвинута теория дегидрирования, т. е. отнятия водорода в процессе биологического окисления. Впервые теорию дегидрирования выдвинул В. И. Палладии (1912), который считал, что для завершения биологического окисления наряду с активированием кислорода необходимо и активирование водорода субстрата.

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

Г. Виланд подтвердил более раннее представление В. И. Палладина, который считал, что в процессе биологического окисления главная роль принадлежит лабилизации водорода органического вещества, переходящего затем в акцептор кислорода, дающий с водородом воду.

Согласно теории Г. Виланда, специфичность фермента проявляется только лишь по отношению донатора водорода, акцепторная специфичность им отрицалась.

В. И. Палладии впервые показал, что дыхание в растениях осуществляется при помощи особых посредников дыхания. К посредникам относятся полифенолы, которые окисляются кислородом под действием оксидаз, приобретая ту или иную окраску и превращаются в пигменты, так называемые хромогены.

Этот исследователь также показал, что хромоген активирует не только кислород, а также водород дыхательного субстрата в присутствии дегидрогеназ. В. И. Палладии заменил дыхательные хромогены на водородные акцепторы. Он объединил процесс окисления и восстановления при непосредственном участии воды. Так, например, водород воды восстанавливает дыхательнйй пигмент и превращает его в хромоген, а кислород воды окисляет хромоген в пигмент. В. И. Палладии придавал особое значение участию воды в процессе дыхания, считая, что в образовании С02 участвует кислород воды, а не кислород атмосферы. Это было доказано экспериментально с помощью изотопа кислорода Б. Б. Вартапетяном и А. Л. Курсановым (1955).

Теория В. И. Палладина хорошо объясняет жизнь анаэробных микроорганизмов, которые в своей жизнедеятельности обходятся без кислорода. В этом случае акцептором водорода при дегидрировании органического вещества является не кислород воздуха, и следовательно, вода не образуется. Акцептором водорода при алкогольном брожении может служить уксусный альдегид, который восстанавливается в этанол, а при молочнокислом брожении акцептором водорода является пировиноградная кислота, которая также восстанавливается в молочную кислрту. В ацетобутиловом брожении акцептором водорода является масляный альдегид, который восстанавливается в бутанол.

О роли редокспотенциала в виноделии

глютатион восстановленный с редокспотенциалом 40 мВ.

А. А. Мержаниан [58] показал, что при использовании платинового электрода в вине измеряется не равновесный потенциал, а предельный. При замене платинового электрода на золотой можно избежать этой ошибки и установить в вине состояние равновесия между окисленной и восстановленной формами.

, при этом теряют свои восстановительные свойства.

К диэнолам относятся аскорбиновая и диоксифумаровая кислоты, которые также снижают редокспотенциал вина. Аскорбиновая кислота в процессе технологии вина окисляется, и ее необходимо вводить без доступа кислорода воздуха, как это делали А. С. Вечер и В. М. Лоза (1957|). Вкус и букет вина при этом намного улучшались.

Такую же роль играет диоксифумаровая кислота, которая возникает из винной кислоты, но при доступе кислорода окисляется и быстро распадается. В вине присутствует множество редокссистем, имеющих редокспотенциал от —140 до +714 мВ.

Современная теория окислительно-восстановительных процессов

Наши исследования показали, что главную роль в образовании ре-докспотенциала вина играют продукты окисления винной кислоты. Если в раствор винной кислоты добавить сернокислое закисное железо, то образуется диоксифумаровая кислота, которая дает с четыреххлористым титаном розовое окрашивание. При взбалтывании этого раствора на воздухе окрашивания не происходит. Аналогичный опыт был поставлен и О. Варбургом. Он показал, что 0,1 н. раствор винной кислоты с 0,01 н. двухвалентным железом способен восстанавливать дихлорфенолиндофенол, как аскорбиновая кислота, т. е. при окислении винной кислоты образуется редуктон, который был идентифицирован как диоксифумаровая кислота. При проветривании этот раствор не восстанавливает дихлорфенолиндофенола.

Наши исследования [76] показали, что при добавлении диоксифумаровой кислоты в вино или шампанское редокспотенциал уменьшается до 140—150 мВ, а при проветривании вина увеличивается до 300—350 мВ.

НООС—СОН = СОН—СООН. Эта система снижает редокспотенциал вина до 200 мВ и ниже; при проветривании редокспотенциал увеличивается.

В зависимости от условий выдержки и от способов переливок вина диоксифумаровая кислота непрерывно возникает и исчезает. При незначительном доступе кислорода воздуха она образуется в вине, а при переводе его в анаэробные условия хранения редокспотенциал уменьшается. При доступе кислорода диоксифумаровая кислота окисляется и редокспотенциал опять увеличивается, поэтому диоксифумаровая кислота как бы регулирует редокспотенциал в вине.

  • Реклама