Образование свободных радикалов

Свободными радикалами (или оксидантами) называют атомы (или молекулы, в составе которых есть такие атомы), имеющие на внешнем электронном уровне неспаренные электроны. Такие атомы (молекулы) обладают высокой химической активностью. Они стремяться либо получить недостающие электроны, забрав их у других молекул, либо отдать свой лишний. Если оксидант забирает электрон у другой молекулы, та, превратившись в новый свободный радикал, забирает электрон у следующей молекулы и т. д. Начинается своеобразная «цепная реакция» последовательного окисления с образованием свободных радикалов.

Как правило, вся цепь образования свбодных радикалов начинается с кислорода. Молекулярный кислород содержит два неспаренных электрона с одинаково ориентированными спинами, занимающими внешние орбитали, каждая из которых может принять еще один электрон.

Потребляемый и доставляемый в ткани кислорода должен восстанавливается цитохромоксидазой митохондрий и используется в качестве акцептора водорода по уравнению:

О₂ + 4е‾ + 4Н⁺ → 2Н₂О

Конечным продуктом этой реакции является вода. Однако не все электроны доходят до завершающего этапа дыхательной цепи. Возможна их утечка с промежуточных переносчиков. Так коэнзим Q, действующий в середине дыхательной цепи, способен отдавать электрон не только своему естественному окислителю (цитохрому b), но и молекулярному кислороду, что приводит к образованию супероксида кислорода (О₂‾).

В итоге передачи коэнзимом Q (или другими переносчиками) электронов кислороду могут развиваться следующие варианты реакций:

О₂ + е‾ → О₂‾

О₂‾ + е‾ + 2Н⁺ → Н₂О₂

Н₂О₂ + е‾ + Н⁺ → Н₃О₂ → Н₂О +НО‾

2НО‾ + е‾ + 2Н⁺ → 2Н₂О

Образующиеся при этом промежуточные продукты – супероксидный радикал (О₂‾), пероксид водорода (Н₂О₂) и радикал (НО‾) – являются мощными окислителями, накопление которых чрезвычайно токсично для тканей организма человека.

Но кислород может проявить свою оксидантную активность еще на этапе транспорта к местам использования. Преодалевая различные клеточные мембраны (стенки кровеносных сосудов, оболочки клеток и др.), он может отнимать электроны (окислять) у непердельных (полиненасыщенных) жирных кислот фосфолипидов, входящих в состав клеточных оболочек. Это вызывает пероксидное окисление мембранных липидов, приводящее к повреждению структуры и функции мембран, в частности, нарушению их проницаемости.

Источником свободнорадикальных соединений могут быть и другие неферментативные, спонтанно протекающие процессы. Так супероксид может образоваться при частичном спонтанном окислении оксигемоглобина в метгемоглобин:

Нb(Fе²⁺) + О₂ → НbO₂(Fе²⁺) → Нb(Fе³⁺) + О₂‾

Пероксид водорода может образовываться при окислении молекулярным кислородом восстановленных коферментов оксидаз аминокислот (ФАД-Н₂ и ФМН-Н₂) по схеме:

ФАД-Н₂ (ФМН-Н₂) + О₂ → ФАД (ФМН) + Н₂О₂

Необходимо добавить, что все перечисленные выше свободные радикалы крайне реакционноспособны и могут вступать в другие неферментативные реакции окисления, приводящие к образованию новых свободнорадикальных соединений.

Среди отрицательных воздействий свободных радикалов на ткани организма можно также отметить окислительное повреждение ДНК. Доказано воздействие активных форм кислорода на белки, приводящее к их химической и структурной модификации (окислительная денатурация).

Существующая в организме система защиты от свободных радикалов включает в себя два основных способа: неферментативный и ферментативный.

Неферментативная защита осуществляется с помощью антиоксидантов – веществ, взаимодействующих со свободными радикалами, в результате чего снижается их реакционная способность и прекращается отрицательное воздействие на организм. К веществам, обладающим высокой антиоксидантной активностью относятся витамины А, С, Е, микроэлементы селен, цинк, медь, марганец, железо. Перечень веществ, обладающих антиоксидантной активностью, в последние годы быстро пополняется.

Ферментативная защита от свободных радикалов обеспечивается комплексом двух ферментов: супероксиддисмутазой и каталазой. Первый из ферментов катализирует реакцию между двумя супероксидными радикалами и ионами водорода, проходящую по уравнению:

О₂‾ + О₂‾ + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂

Образующийся в этой, а также других реакциях, протекающих спонтанно, пероксид водорода разлагается на воду и кислород другим участником данного комплекса - каталазой:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

Супероксиддисмутаза и каталаза содержатся в клетках всех органов и тканей, а также биологических жидкостях организма человека. Особенно высока их концентрация в митохондриях клеток и пероксисомах.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чем проявляется взаимосвязь обмена веществ и энергии?

2. Назовите основные источники энергии организма человека и дайте им краткую характеристику.

3. В чем заключается сущность биологического окисления?

4. В чем заключается отличие аэробного и анаэробного окисления?

5. Дайте характеристику аэробному окислению как многоступенчатому процессу.

6. Назовите компоненты дыхательной цепи. Дайте характеристику особенностей их химического состава.

7. Каков энергетический эффект аэробного биологического окисления?

8. Каковы особенности химического строения АТФ и какова ее роль в организме?

9. Как осуществляется накопление энергии, освобождающейся в ходе аэробного окисления в макроэргических фосфатных связях АТФ?

10. Что понимается под свободным окислением, чем оно вызывается и какова его биологическая роль?

11. Что понимается под свободными радикалами, как они образуются и какое влияние оказывают на организм?

12. Что называется антиоксидантами? Приведите примеры важнейших антиоксидантов.