Фосфор и его соединения

В периодической системе фосфор, как и азот, находится в группе VA, но в III периоде. Его электронная конфигурация ls²2s²2p⁶3s²3p³. Наличие в валентном слое трех неспаренных электронов приводит к образованию трех связей. Однако, в отли­чие от элементов II периода, фосфор имеет в валентном слое сво­бодные Зd-орбитали. Поэтому при возбуждении атома фосфора легко достигается состояние с пятью неспаренными электронами ls²2s²2p⁶3s¹3p³3d¹, что позволяет ему образовывать пять связей. Таким образом, фосфор в своих соединениях проявляет валент­ность 3 и 5. Степень окисления атома фосфора в соединениях может меняться от -3 до +5:

В природе фосфор встречается только в формах, содержащих фосфат-анион Р04(3-). Это обусловлено тем, что фосфор образует с кислородом более прочные связи, чем с другими органогенами В организме фосфор встречается только в виде фосфатов, неорганических и органических. Все они имеют тетраэдрическук структуру, в которой атом фосфора расположен в центре тетраэдра, а атомы кислорода - в его вершинах.

Фосфаты в живых организмах играют две ключевые роли, Во-первых, они служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань по­строена главным образом из гидроксиапатита Са5(Р0₄)3ОН. Ос­нову клеточных мембран составляют фосфолипиды (разд. 20.2). Остов нуклеиновых кислот состоит из рибозо- или дезоксирибо-зофосфатных цепей (разд. 23.4).

Вторая, более оригинальная роль фосфатов, точнее поли­фосфатов, в организме заключается в аккумуляции и переносе энергии от экзэргонических к эндэргоническим реакциям и процессам (разд. 4.5). Поскольку фосфор в живых системах представлен только фосфатами, рассмотрение свойств фосфор­содержащих соединений ограничим только ими.

Кислотные свойства. Из оксидов фосфора наибольшее зна­чение имеет оксид фосфора(5) Р2О5, проявляющий кислотные свойства и существующий в молекулярной форме Р₄О₁₀. Глав­ная особенность оксида Р2О5 - очень большое сродство к воде. Поэтому он часто используется как эффективный осушитель для газов и органических растворителей.

Оксид фосфора(5) может присоединять одну, две, три и более молекул воды. При этом образуются метафосфорная (НРОз), ди-фосфорная, или пирофосфорная (Н4Р2О7), ортофосфорная (Н3РО4) и полифосфорные кислоты (Р2О₅ • nH2 О):

Самое замечательное свойство этих кислот - способность превращаться друг в друга в результате гидролиза (присоедине­ния воды) или в результате дегидратации (потери воды). При дегидратации фосфаты могут образовывать ди- или полифосфа­ты, характерной особенностью которых является наличие в их молекулах одной или нескольких ангидридных групп:

Общая формула неорганических полифосфатов H(P02)n(OH)n+1, а органических - R(P0₂)n(OH)_n+1, где п - степень конденсации.

Ортофосфорная кислота Н3Р0₄ — трехосновная ки­слота:

Она образует сред­ние (Nа3Р0₄) и кислые (Na₂HP0₄ и NaH2P0₄) соли. В водных растворах соли ортофосфорной кислоты гидролизуются. При этом дигидрофосфаты дают кислую среду 4 < рН < 6, гидрофос­фаты - слабощелочную 7 < рН < 9, а средние фосфаты - щелоч­ную рН > 11,5. Совокупность кислых фосфатов НРО4(2-) и Н2РО4(-) образует в крови фосфатную буферную систему (разд. 8.5), ко­торая вместе с другими буферными системами обеспечивает по­стоянство рН крови. Ортофосфорная кислота и труднораствори­мые фосфаты алюминия АlР0₄ и цинка Zn3(P0₄)₂ входят в со­став фосфат-цементов, применяемых в стоматологии в качестве пломбировочного материала.

Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Са₅(Р0₄)3ОН, называемый гидроксиапатитом. Образование малорастворимого Са₅(Р0₄)3ОН можно выразить общим уравнением (разд. 11.4):

Следовательно, формирование костной ткани в организме яв­ляется результатом протекания взаимопротивоположных реак­ций минерализации (осаждения) и деминерализации (растворе­ния) кости. Но эти две взаимообратные реакции происходят в разных клетках: минерализация - в остеобластах, а деминера­лизация - в остеокластах. Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция, но эта связь антагонистична. При увеличении содержания кальция в крови наблюдается умень­шение содержания фосфатов, прежде всего неорганических.

Анионы ортофосфорной кислоты в результате ферментатив­ных реакций фосфорилирования различных биосубстратов об­разуют органические фосфаты ROPO(OH)2, которые в тканях обычно полностью ионизованы:

Дифосфорная кислота Н4Р2О7 ~ хорошо растворима в воде и в растворе постепенно (а при нагревании - быстрее) превращается в ортофосфорную кислоту в результате гидролиза по ангидридной группе:

В тканях эта реакция катализируется пирофосфатазой. Дифосфорная кислота является более сильной, чем ортофосфорная, в соответствии с общим правилом увеличения силы кислот при их конденсации. Особенно легко удаляются первые два протона: Кислотные свойства органических полифосфатов R(PO₂)_n(0H)_n+1 подобны свойствам дифосфорной кислоты, но их полная ней­трализация происходит в среде близкой к нейтральной (рН < 8). Поэтому фосфатные группы полифосфатов АТФ и АДФ в ус­ловиях организма находятся почти полностью в ионизован­ном состоянии АТФ^-4 и АДФ^3- (полианионы). Фосфатные группы нуклеиновых кислот и других органических фосфа­тов в условия организма также ионизованы практически пол­ностью.

Комплексообразующие свойства. Анионы неорганических и органических фосфатов являются довольно жесткими лигандами, поэтому они образуют комплексы преимущественно с жесткими комплексообразователями. Так, во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют главным образом в виде комплексов с магнием МgАТФ^2-, MgАДФ-. Эти комплексы являются актив­ной формой АТФ в ферментативных реакциях фосфорилирования различных биосубстратов с образованием органических фосфа­тов. Активация нуклеиновых кислот происходит за счет обра­зования ими по фосфатным группам довольно лабильных ком­плексов с внутриклеточными катионами К⁺ и Mg²⁺.

Макроэргические свойства полифосфатов. Особого внима­ния заслуживают соединения, содержащие ангидридные группы, например аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ). В ангидридной группе связи Р—О имеют большую длину, а атомы фосфора несут значительный частичный положительный заряд, что делает эту группу удобной для атаки нуклеофилом по атому фосфора. В качестве нуклеофила могут выступать: Н2О: при реак­ции гидролиза, при этерификации илипри аммонолизе. Этой атаке способствует также то, что полифосфатный фрагмент АТФ связан в комплекс с катионом магния и что атом фосфора содержит свободные Зd-орбитали, готовые принять элек­тронную пару нуклеофила. В организме, где среда водная, чаще всего протекает реакция гидролиза АТФ, сопровождаемая раз­рывом связи Р—О в ангидридной группе и выделением энергии. Поэтому связь Р—О называют макроэргической связью и часто обозначают волнистой линией: Непосредственно разрыв мак­роэргической связи, как и любой связи, требует затраты энергии, но за счет энергии, выделяющейся при гидролизе и гидратации об­разующихся частиц АДФ и Н2РО4(-), это превращение АТФ в це­лом сопровождается выделением энергии: кДж/моль (разд. 4.5).

Концентрация АТФ в клетках поддерживается на относи­тельно постоянном уровне, поскольку скорость его образования приблизительно уравновешивается скоростью его гидролиза. Всего в организме человека около 30 г АТФ, и чтобы удовле­творить потребности организма в химической энергии вся АТФ организма в течение суток должна десятки тысяч раз прогидролизоваться до АДФ и фосфата с последующим ресинтезом. Тким образом, концевые фосфатные группы молекул АТФ пре­терпевают непрерывное обновление в процессах метаболизма. Они постоянно отщепляются и замещаются новыми за счет ортофосфат-анионов клетки.

Образование АТФ в клетке в основном происходит в мито­хондриях за счет энергии, выделяющейся при биологическом окислении (разд. 9.3.6). Энергия гидролиза АТФ является глав­ной энергетической валютой, обеспечивающей круговорот энер­гии в клетках.

Окислительно-восстановительные свойства. Поскольку в фос­фатах атом фосфора имеет наивысшую степень окисления (+5), то он может выступать только окислителем. Однако эти свойст­ва для фосфатов в условиях организма не характерны. В то же время при гниении трупов в отсутствие кислорода за счет вос­становления фосфатов образуется фосфин РНз. Фосфин очень ядовит, но легко окисляется на воздухе. Эта реакция сопрово­ждается даже воспламенением, что является причиной появле­ния огоньков над старыми могилами.

Круговорот фосфора в природе осуществляется посредством фосфатов, поэтому он не сложен, так как не сопровождается изменениями степени окисления атома фосфора. Значительная часть фосфора рано или поздно попадает в океан и откладыва­ется в виде фосфатов в осадочных породах (рис. 12.5).

Общая характеристика и биологическая роль тяжелых эле­ментов группы VA. В группе VA кроме азота и фосфора находятся

Рис. 12.5. Круговорот фосфора в природе

их электронные аналоги - ns²np³-элементы: мышьяк As, сурь­ма Sb и висмут Bi, содержание которых в организме человека составляет около 10^-6 %. Висмут - металл, а для As и Sb ха­рактерны две модификации: одна неметаллическая, другая ме­таллическая, более устойчивая. Для этих элементов в соедине­ниях характерны степени окисления -3, +3 и +5.

Водородсодержащие соединения: арсин АsН3, стибин SbН3, висмутин BiH3 - газообразные неустойчивые вещества, прояв­ляющие сильные восстановительные и токсические свойства. Арсин прежде всего поражает оксигемоглобин, способствуя активации связанного в нем кислорода, который окисляет не только арсин, но и гемоглобин в метгемоглобин:

Таким образом, арсин представляет собой яд гемолитического действия, и при отравлениях им рекомендуется переливание крови.

Определение мышьяка в биологическом материале проводят по реакции Марша. Для этого к биоматериалу добавляют цинк и соляную кислоту, выделяющийся при этом водород восста­навливает любое соединение мышьяка до арсина, который при нагревании разлагается с образованием на стенках стеклянной трубки блестящего налета мышьяка ("мышьяковое зеркало"):

Аналогично определяют наличие в биоматериалах сурьмы и висмута.

Оксиды и гидроксиды As(III), Sb(III) и Bi(III) - амфотерные соединения. При этом в соответствии с общей закономерностью у производных мышьяка преобладают кислотные свойства, а у со­единений висмута - основные свойства. Мышьяковистая кислота в водных растворах может находиться в ортоформе H3AsO3 и мтаформе HAs02, а соответствующие соли называют ортоарсенитами (Nа3АsО3, K3ASO3) и метаарсенитами (NaAs02, КАsО2).

Соединения мышьяка (III) очень токсичны. Механизм токси­ческого действия объясняют способностью мышьяка блокировать тиоловые группы (-SH) ферментов и других биологических суб­стратов:

Еще эффективней соединения мышьяка взаимодействуют с 1,2-ди-тиолами, так как при этом образуются циклические дитиоарсениты, которые значительно стабильнее:

Поэтому унитиол CH₂(SH)CH(SH)CH2S0₃Na и другие 1,2-ди-тиолы являются эффективными антидотами при отравлениях мышьяком.

Мышьяк является кроме того антиметаболитом элементов: фосфора, селена и иода. Так, известно, что в районах, где отме­чено повышенное содержание мышьяка, он накапливается в щи­товидной железе, угнетает ее функцию и вызывает эндемический зоб. Смертельная доза для человека составляет 0,1 - 0,3 г мышь­яка. Интересно, что организм может привыкать к мышьяку, если вводить его соединения, постепенно увеличивая дозу. В ме­дицинской практике используют AS2O3 для омертвления (некротизации) мягких тканей зуба. В то же время соединения мышьяка не только убивают, но и помогают в борьбе за жизнь. Так, при малокровии, истощении и нервозности назначают мышьяковые препараты (AS2O3, K₃As0₃) в микродозах (0,001 г на прием).

Особенностью солей Sb³⁺ и Bi³⁺ является их гидролиз в водной среде с образованием оксокатионов (ВiO⁺ - висмутил):

Препарат висмута нитрат основной BiONOз широко приме­няют в медицине в качестве дезинфицирующего, уничтожающего запахи и одновременно вяжущего средства. Его используют при желудочных и кишечных заболеваниях, особенно при дизентерии и холере. Механизм действия этого препарата, вероятно, связан с его кислотно-основными и комплексообразующими свойствами, а также с гетерогенными процессами осаждения и отслоения в вод­ных системах (разд. 11.4), которые он может вызывать.

Из соединений As(V), Sb(V), Bi(V) наиболее устойчивы соеди­нения мышьяка. AS2O5 - кислотный оксид, которому соответству­ет мышьяковая кислота Н3А3О4, хорошо растворимая в воде и по силе близкая к Н3РО4. Соли мышьяковой кислоты - арсенаты (Na3As0₄, K3As0₄). Арсенат-ионы, будучи аналогами фосфа­тов, легко проникают в клетки по транспортным системам фос­фатов. Они могут конкурировать с фосфатами в процессах этерификации и окислительного фосфорилирования в митохондриях, выступая ингибиторами ферментов, обеспечивающих эти процес­сы. В отличие от фосфатов, которые устойчивы к восстановлению и не токсичны, соединения мышьяка(5) токсичны, так как в ор­ганизме человека легко восстанавливаются до соединений As(III) под действием сульфидов или тиолов:

Образующиеся арсениты являются токсичными соединениями, блокирующими тиоловые группы биосубстратов.

Таким образом, мышьяк, сурьма и висмут постоянно при­сутствуют в живых организмах, но их физиологическая и био­химическая роль пока практически не выяснена. В то же время соединения этих элементов обладают высокой токсичностью.