Свободно-радикальное окисление

Под свободными радикалами понимают молекулу или ее часть, имеющую неспаренный электрон на молекулярной или на внешней атомной орбите. Появление неспаренного электрона – появление у молекулы свободной валентности. Свободные радикалы реакционноактивны и вступают в химические реакции для приобретения недостающего электрона. Полное восстановление О₂ до Н₂О требует присоединения 4 электронов: О₂ + 4е^- + 4Н⁺ ® 2Н₂О.

При неполном восстановлении (т.е. присоединении 1, 2 или 3е^-) образуются свободно-радикальные формы кислорода: О₂ ^× _` – супероксидный анион; НО ^× – гидроксильный радикал (RO∙ - алкоксильный радикал), ∙О₂Н – супероксидный радикал.

К реактивным формам кислорода относят оксид азота (NO∙), пероксинитрит (ONOO-) и озон. По L.Flohe и H.Budde (2006) в клеточной биологии под свободными радикалами понимают малые высоко реактивные О-, N-, S- и C-центровые радикалы, которые участвуют в оксидативном или нитросативном стрессе. Нитросативный стресс характеризуется суперпродукцией NO∙, которая часто усугубляет эффекты избыточной продукции супероксидного аниона.

Супероксидный радикал может возникать в процессе биохимических реакций (окисление с помощью флавопротеинов, в цепях монооксигеназных реакций и др.).

Свободные радикалы инициируют цепные реакции. Если в реакцию вступают ненасыщенные жирные кислоты, то говорят о пероксидном окислении липидов (ПОЛ). Этот процесс важен для развития патологических состояний, связанных с повреждением мембран. Схема цепных реакций:

1. Инициация при действии R^×, металлов, излучений: Х^×+RH®R^×+XH.

2. Удлинение, разветвление: R^× + O₂® ROO^× (пероксидный радикал). ROO^× + RH ® R^× + ROOH (гидроперекись) и т.д.

3. Терминация (обрыв цепи): ROO ^× + R₁ ^× ® ROOR₁; R ^× + R₁ ^× ® RR_1.

Применительно к фрагменту ненасыщенной жирной кислоты можно показать ранние, средние и поздние продукты перекисного окисления. Во всех полиненасыщенных жирных кислотах присутствует дивинилметановая структура, которая легко вступает в реакцию отрыва протона, сопровождающуюся образованием свободного радикала. Ранние продукты ПОЛ – диеновые конъюгаты; средние продукты ПОЛ – гидроперекиси; конечные продукты ПОЛ – малоновый диальдегид. Эти процессы лежат в основе повреждения мембран клеток. Перспективно определение в выдыхаемом воздухе этана, который выделяется при окислении w₃-жирных кислот, например, a-линоленовой 18:3, D^9,12,15, а также пентана – при окислении w₆-жирных кислот, например, линолевой 18:2, D^9,12 или арахидоновой 20:4, D^5,8,11,14.

Свободнорадикальные процессы лежат в основе биохимических механизмов неспецифической резистентности организма, определяемой специальными клетками тканей и крови.

Типичным свободнорадикальным процессом является защитная функция фагоцитов. Свободнорадикальный процесс при окислительном стрессе начинается от НАДФН оксидазы – трансмембранного цитохром b содержащего флавопротеина (gp91)^phox: НАДФН+О₂→2∙О₂^¯ +НАДФ⁺+ Н⁺. Супероксидный анион является не очень агрессивным радикалом. Как слабое основание он ассоциируется в супероксидный радикал с рК 5. При низких значениях рН в вакуолях фагоцитов происходит спонтанная дисмутация: ∙О₂Н + ∙О₂^¯ + Н⁺ → Н₂О₂ + О₂ и ∙О₂Н +∙О₂Н → Н₂О₂ + О₂ . При нейтральном значении рН для превращения супероксидного аниона требуется супероксиддисмутаза. Это завершение свободнорадикального процесса. Однако, образованная перекись водорода или гидропероксиды (ROOH) могут вновь образовать агрессивные гидроксильный или алкоксильный радикалы: Н₂О₂ → 2∙ОН и ROOH → ∙ОН + RО∙.

Возникает вопрос, сколько в клетке содержится О₂ ^× _{`</sub>? Подсчитано, что в оптимальных условиях при 37 ºС клетки кишечной палочки (E.coli) поглощают примерно 6×10<sup>6</sup> молекул кислорода в секунду. Около 0,1% кислорода превращается в супероксидный анион. Клетка может аккумулировать 240 мкмоль/мин супероксидного аниона. 95% О<sub>2</sub> <sup>×</sup> <sub>`} обезвреживается с помощью супероксиддисмутазы и 5% остается для взаимодействия с молекулами-мишенями (I.Fridovich, 2001).

В полиморфноядерных лейкоцитах при окислительном стрессе миелопероксидаза приводит к образованию гипохлорита: Н₂О₂ + Cl¯ → ОCl¯ + Н₂О. Затем возможны превращения: Cl¯ + ОCl¯ + Н⁺ → Cl₂ + ОН¯ и Cl₂ → ∙Cl + ∙Cl. Эти молекулы оказывают бактерицидное действие. Кроме этого гипохлорит и перекись водорода могут генерировать синглетный кислород при ультрафиолетовом облучении, который способен окислять ненасыщенные жирные кислоты.

В макрофагах возможна синхронная продукция двух радикалов ∙О₂^¯ и NO∙, которые могут образовать пероксинитрит: ∙О₂^¯ + NO∙ → ONОO¯. Пероксинитрит, не являясь радикалом, участвует в бактерицидном эффекте. При закислении среды он может вновь создать агрессивные свободные радикалы: ONОO¯ → ∙ОН + ∙NO₂.

Антиоксидантная защита - это сдерживание процессов свободно-радикального окисления осуществляется с помощью неферментативных и ферментативных механизмов. 1) Неферментативная защита включает: комплексоны, связывающие металлы (этилендиаминотетрауксусная кислота); в водной фазе – витамин С, ураты, ароматические амины, SH-соединения; в липидной фазе – жирорастворимые витамины А (b-каротин), Е, гормоны стероидной природы, тироксин. 2) Ферментативная защита включает фермент супероксиддисмутазу (в цитозоле, ядрах и лизосомах простетическая группа – Cu²⁺, Zn²⁺, в митохондриях и у бактерий – Mn²⁺) О₂^{. ×} + О₂^{. ×} + 2Н⁺ ® Н₂О₂ + О₂. Перекись водорода обезвреживается в каталазной или пероксидазной (чаще глутатионпероксидазной) реакциях. Активатор реакции – Se. В продукты питания добавляют антиоксидантные добавки: b-каротин, a-токоферол, ВНА – бутиловый гидроксианизол, ВНТ – бутиловый гидрокситолуен. Для профилактики радиационных поражений используют комплексы витаминов А, Е, С и b-каротин, Е, С.

В заключение необходимо заметить, что многие отечественные биохимики предпочитают пользоваться латинскими сокращенными аббревиатурами соединений, участвующих в энергетическом обмене (NAD, FMN, FAD, ATP и др.).