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生命體內(nèi)的氧活化


化學(xué)先生 / 2019-07-31

        大自然之所以選擇氧氣作為氧化劑，通過呼吸和有氧運動，維持生命的運動和循環(huán)，是因為氧在常溫下很安全且性能奇特。首先O2作為一種活潑的氧化劑，可以使碳水化合物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O,從而釋放出能量。


        從熱力學(xué)角度看，幾乎所有的生物分子和O2的氧化反應(yīng)，在熱力學(xué)上都是有利的。然而，在生命體所處的自然環(huán)境中，氧又是非常穩(wěn)定的。盡管空氣中含有大約20%的氧，但在常溫常壓條件下，生命體和有機(jī)物絕不會發(fā)生“自燃”。將O2的熱力學(xué)性質(zhì)與其它類似的雙原子分子，例如I2相比較，它們的氧化還原電位分別為0.682V和0.535V，二者十分接近。然而，人們卻無法在含20%I2的環(huán)境中生存，而在含20%O2的空氣中則能生活得很滋潤。這是由于O2是一種順磁性物質(zhì)，分子氧與所有有機(jī)物的反應(yīng)都是自旋禁阻過程，在動力學(xué)上必須克服巨大的勢壘。因此在常溫常壓下反應(yīng)進(jìn)行的速率很慢，只有到達(dá)一定溫度，O2才能使有機(jī)物發(fā)生可觀察到的氧化反應(yīng)，甚至所謂的“自燃”。

        從催化化學(xué)角度而言，在熱力學(xué)上可以自發(fā)進(jìn)行的許多反應(yīng)，在常溫常壓下反應(yīng)速率都很慢。為了克服勢壘使反應(yīng)加快進(jìn)行，必須通過提高反應(yīng)溫度來獲得活化能，而且在多數(shù)情況下還需要添加催化劑，通過催化劑與反應(yīng)物形成過渡中間態(tài)，降低勢壘提高反應(yīng)速率，但不能改變熱力學(xué)平衡。為保護(hù)生命體和有機(jī)物不在高溫下發(fā)生氧化和自燃，自然界為溫和條件下的氧活化設(shè)計了一類天然的過渡金屬配合物催化劑一加氧酶 (oxygenase)。 它們的獨特功能是在維持生命體正常生存和活動的溫度下，能夠巧妙地活化分子氧，為適應(yīng)不同催化功能的要求，其結(jié)構(gòu)在生物進(jìn)化過程中，也在不斷改變和進(jìn)化，細(xì)胞色素P450就是該類加氧酶中最具代表性的一種。
 

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