Физико-химические основы свободно радикального окисления

Существование живых организмов на Земле (за исключением некоторого количе­ства облигатных анаэробных микроорганизмов) невозможно в от­сутствии кислорода, являющегося неотъемлемым компонентом метаболических про­цессов в живых клетках. Однако существование организмов в богатой кислородом окружающей среде несет в себе и постоянную угрозу для их существования. При включении кислорода в процессы жизнедеятельности организмов постоянно в существенном количестве образуются различные активированные производные мо­лекулярного кислорода – активные формы кислорода (АФК). Одновременно, биомо­лекулы могут легко подвергаться окислению и разрушению под действием АФК. Со­ответственно, выживание организмов в кислородной среде весьма сильно зависит от предотвращения и репарации окислительных повреждений в организме.

Согласно современным представлениям, многие жизненно важные метаболические и физиологические процессы, протекающие в организме, тесно связаны со свободнорадикальным окислением. Известно множество окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых образуются различные виды свободных радикалов. Хорошо известно, что в органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется один или несколько неспаренных (одиночных) электрона. Это делает радикалы химически активными, поскольку радикал стремится либо вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул, либо избавиться от «лишнего» электрона, отдавая его другим молекулам. Неспаренный электрон в радикалах принято обозначать точкой. Например, радикал гидроксила обозначают как HO ˙, радикал перекиси водорода как HOO ˙, радикал супероксида как ˙ OO- или O₂ ˙ -.

В особом положении оказалась молекула кислорода (диоксигена), которая содержит на внешней оболочке целых два неспаренных электрона. Таким образом, диоксиген – это бирадикал и, подобно другим радикалам, обладает высокой реакционной способностью.

Важно подчеркнуть, что неспаренные электроны должны находиться на внешней оболочке атома или молекулы. В понятие свободного радикала не включаются ионы металлов переменной валентности, неспаренные электроны в которых находятся на внутренних оболочках. Поскольку и радикалы, и ионы таких металлов как железо, медь или марганец (так же как комплексы этих металлов) дают сигналы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), эти частицы в совокупности часто называют парамагнитными центрами.

Образование радикалов из устойчивых молекул обусловлено, таким образом, появлением на свободной, валентной орбитали нового электрона или наоборот – удалением одного электрона из электронной пары. Эти процессы обычно происходят в результате реакций одноэлектронного окисления или восстановления.

При высоких температурах или под действием ультрафиолетового излучения радикалы могут образовываться также в результате разрыва химической связи (гомолитическое расщепление). В обычных условиях такие реакции в нормальных живых клетках практически не имеют места.

Отличительные особенности свободных радикалов (СР):

· наличие неспаренного электрона на внешнем энергетическом уровне;

· собственный магнитный момент;

· высокая химическая активность и малое время жизни;

· способность инициировать цепные реакции окисления.

Наиболее вероятно появление свободных радикалов в организме при последовательном присоединении электронов к кислороду и во время свободнорадикального перекисного окисления липидов.

Основные процессы, ведущие к образованию свободных радикалов в организме:

· последовательное присоединение электронов к кислороду в присутствии металлов переменной валентности;

· микросомальное и митохондриальное окисление;

· фагоцитоз;

· ферментативные реакции с участием гидролаз, оксидаз, дегидрогеназ;

· реакции автоокисления и биосинтеза (тиолы, катехоламины и т.д.);

· окисление чужеродных соединений (ксенобиотики, лекарственные препараты);

· действие негативных факторов среды (физические и химические инициаторы окисления);

· фотохимические процессы;

· перекисное окисление липидов.

Первыми в цепи реакций свободнорадикального окисления (СРО) обычно появляются активные формы кислорода – супероксидный анион радикал (О˙₂), синглетная форма кислорода ('O₂), гидроксильный радикал (OH˙), перекись водорода (Н₂О₂). Они дают начало серии других радикалов – окисленных галогенов, окислов азота, инициируют свободнорадикальное перекисное окисление липидов, что ведет к образованию перекисных радикалов, моно- и димерных, циклических и полимерных перекисей и гидроперекисей, которые распадаются с появлением новых радикалов. Конечными продуктами перекисного окисления липидов являются кетоны, альдегиды, предельные углеводороды. Избыток свободных радикалов и перекисных продуктов вызывает структурные и функциональные повреждения биологических мембран.

Наиболее распространённые в организме формы свободных радикалов:

· активные формы кислорода

О˙₂ – супероксидный анион радикал;

'O₂ –синглетная форма кислорода;

OH˙ – гидроксильный радикал;

Н₂О₂ –перекись водорода;

· окисленные галогены

CLO˙ –гипохлорид, хлорамины;

· окислы азота

NO˙ – оксид азота;

· свободные радикалы, образующиеся при перекисном окислении липидов

· RO˙, RO₂˙ – моно-, димерные, полимерные, циклические, алкоксильные и перекисные радикалы жирных кислот.

Таблица. Значение свободнорадикального окисления