Превращения кислорода. Образование и окисление молекулярного водорода

1 Превращения кислорода Кислород — самый распространенный химический элемент на Земле. Он составляет по массе большую часть гидросферы в со­ставе воды (89%), почти половину минералов литосферы (47%) и в свободном состоянии находится в атмосфере (21%). Его нали­чие в воздухе определяет все основные окислительно-восстановительные реакции на поверхности нашей планеты. В биомассе живых организмов 50-60% кислорода в составе всех важнейших макромолекул клетки — белков, жиров, углеводов, нуклеиновых и аденозинфосфорных кислот.

Круговорот кислорода неразрывно связан с циклом углерода и превращениями водорода.

Молекулярный кислород образуется при разложении молеку­лы воды в процессе фотосинтеза и вновь включается в Н₂0 при биологическом окислении во время дыхания. Кислород, связан­ный с углеродом, участвует в процессах массообмена, переходя из газообразного состояния в молекуле диоксида углерода в орга­нические соединения и обратно. Эти два звена связа­ны между собой через водород, который меняет свой энергетиче­ский уровень за счет энергии солнечного излучения, поглощаемого фотосинтезирующими организмами. Водород вновь связывается с кислородом в процессах биологического окисления. В резуль­тате этого перехода водорода запасается биохимическая энергия, обеспечивающая все проявления жизни. Часть молекулярного кислорода прямо включается в состав органических веществ, например, при окислении углеводородов.

Если процесс генерации молекулярного кислорода осуществ­ляется в надземном растительном ярусе за счет фотосинтеза, то связывание кислорода протекает в основном в почве в результате окислительных превращений органических веществ почвенны­ми микроорганизмами. Кислород потребляется также при нит­рификации, окислении метана и сероводорода.

Интенсивность процессов образования и потребления 0₂ и С0₂ зависит от сезона, так как она является следствием активно­сти живых систем. Известно, например, что концентрация С0₂ в атмосфере максимальна зимой, когда снижается или прекраща­ется фотосинтез, а процессы деструкции органических веществ продолжаются. Летом содержание С0₂ в воздухе минимально. Доля С0₂, образуемого животными, не превышает 10%, осталь­ная часть выделяется при разложении органических веществ по­чвенными микроорганизмами, в первую очередь грибами (до 80%).

С фотосинтезом связано происхождение молекулярного кис­лорода в атмосфере Земли. Первым источником кислорода были, по-видимому, предки цианобактерий — фотосинтезирующие про­кариоты, выделяющие 0₂. Кислородный фотосинтез закрепился в процессе эволюции у водорослей и высших растений. Таким образом, весь свободный кислород в атмосфере Земли биогенно­го происхождения.

Молекулярный кислород, как конечный акцептор электронов при окислении субстратов дыхания, абсолютно необходим для аэробной жизни. Для строго анаэробных организмов кислород токсичен.

Известны токсические эффекты молекулярного кислорода и его производных и для аэробов: происходит окисление клеточ­ных метаболитов, которые активно функционируют в восстанов­ленной форме. Особенно чувствительна к молекулярному кисло­роду нитрогеназная система азотфиксации. При фотосинтезе описано явление фотодинамического эффекта, в результате ко­торого возникает синглетный кислород, токсическое действие которого проявляется в повреждении важных клеточных компо­нентов. Функцию «тушения» синглетного кислорода выполняют пигменты каротиноиды, содержащиеся у большинства организ­мов, живущих в условиях прямого освещения. Для прокариот очень токсичны продукты неполного восстановления 0₂ — супер- оксидный и гидроксидный радикалы, защита от которых связана с образованием ферментов — супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы, разлагающих перекись водорода (Н₂0₂).