2.3.1.Cвободные радикалы

Свободные радикалы (атомы или молекулы, имеющие на внешней орбитали один или несколько неспаренных электронов) существуют обычно в очень низких концентрациях от 10^-11 до 10^-9 моль/л или10^-6 - 10^-8 моля на 1 г ткани, но при этом обладают высокой реакционной способностью и малым временем жизни. Они могут легко взаимодействовать с биологически важными соединениями, модифицировать их и тем самым изменять течение физиологических процессов. Радикалы кислорода часто в норме обнаруживаются в вегетативных тканях растений и на поверхности клеток генеративных органов (пыльцы) и вегетативных спор споровых видов и семян различных растений.

Свободные радикалы возникают в реакциях озона с большим числом неорганических и органических соединений, включая разветвленные алкены, спирты, энолы. При этом возникают Криге-радикалы этих соединений. При растворении озона в чистой воде возникают цепные реакции, в результате которых образуются супероксид анион радикал ( ), триоксид радикал ( ), гидроксилрадикал ( Н). В водной среде с недиссоциированными органическими соединениями формируется Н радикал, Криге - радикалы олефинов, супероксидрадикал и гидроксилрадикал.

Другим источником радикалов, генерируемых в клетке, являются пероксиды, гидропероксиды и перекись водорода , которые образуются не только при озонировании, но и также при перекисном окислении липидов. Пероксиды могут восстанавливаться в реакции Хабера-Вайcа при донировании электронов железом. При этом образуется гидроксилрадикал ( ) и свободные углеродные радикалы ( )

Эти реакции относительно быстрые и не требуют высокой концентрации двухвалентного железа. Липидные пероксиды могут давать радикалы, которые инициируют цепи образования других радикалов.

Радикалы кислорода по своим свойствам существенно отличаются друг от друга (таблица 1). Наиболее короткоживущими и соответственно реакционноспособными являются гидроксильные радикалы, которые имеют очень малый радиус действия. Пероксирадикал менее реактивен, чем гидроксилрадикал, но имеет несколько больший радиус действия. Перекись водорода и супероксидный анион-радикал являются относительно стабильными соединениями и могут диффундировать из места их образования на значительные расстояния, даже пересекать клеточную и внутриклеточные мембраны.

Высокая реакционная способность и малые значения времени жизни в биологических субстратах являются общими свойствами кислородных радикалов. Вследствие малого времени жизни радикалы кислорода характеризуются малыми радиусами действия. Так, действие Н радикала ограничено размерами средней органической молекулы, например, пепсина. Супероксид анионрадикал и синглетный кислород обладают радиусом действия, соизмеримым с размерами клетки. Органические радикалы и гидроперекиси обладают еще большим радиусом действия, которое проявляется уже на тканевом и организменном уровнях. По реактивности на основе константы скоростей реакции К(м^-1s^-1) радикалы распределяются следующим образом Н>Н ₂>R > >RО . Таким образом из всех известных окислителей гидроксильный ион наиболее сильный.

Супероксид анионрадикал. Супероксид анионрадикал окисляет серусодержащие вещества, аскорбат, катехоламины, НАДФН.. Возможно взаимодействие с Н₂О₂ (Реакция Хабера- Вайса) -процесса обеспечивающего образование в живых клетках гидроксильного радикала.

В живых системах супероксид анионрадикал является повреждающим фактором и вызывает инактивацию ферментов, например каталазы и глютатионпероксидазы. участвует в таких реакциях как перекисное окисление липидов, повреждает мембраны и вызывает однотяжевые разрывы ДНК. В культуре ткани супероксид анион разрушает клетки растений, животных, и убивает бактерии.

Гидроксильный радикал. Предшественниками гидроксильного радикала являются супероксиданион радикал и перекись водорода. Он является самым сильным из известных окислителей и может разрывать С-Н или С-С связи. Время жизни гидроксильного радикала в клетке составляет около 100 мкс, а расстояние, которое он может пройти от места образования до встречи с молекулой-мишенью не превышает 100 нм. Это означает, что место образования и место реакции Н радикала находится в непосредственной близости друг от друга.

Радикалы Н могут участвовать в реакциях трех основных видов :

1.Отрыв атомов водорода

2. Присоединение по двойной связи

3. Перенос электрона

К первому типу реакций относится взаимодействие гидроксил радикала с ненасыщенными жирными кислотами и рассматривается как одна из основных реакций инициирования перекисного окисления липидов в биологических мембранах. К этому типу реакций относится и взаимодействие Н -радикала с рибозой и дезоксирибозой, входящими в состав нуклеиновых кислот. Это взаимодействие лежит в основе мутагенного действия гидроксильных радикалов. Ко второму типу реакций относятся реакции взаимодействия гидроксил-радикалов с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями нуклеиновых кислот. Присоединение Н радикала к молекуле тимина может привести к нарушению комплементарности оснований в цепи ДНК и в конечном итоге, вызвать мутацию или гибель клетки.

Пероксирадикалы. Реакции углеводородов (главным образом ненасыщенных) с озоном приводят к образованию пероксирадикалов, которые в результате последующих реакций превращаются в кислородсодержащие соединения - перекиси, спирты, кетоны, кислоты и др.

Синглетный кислород. Во многих химических, фотохимических и биохимических реакциях, включая свободные радикалы, пероксиды липидов или продукты фотоокисления, образуется синглетный кислород. Концентрация в клетках не превышает 10^-6 М. Подобно озону синглетный кислород, как активная форма кислорода,может быть источником соединений, которые генерируют радикалы in vivo. Он вступает в реакции с алкенами, давая гидропероксиды, принимает участие в инициировании перекисного окисления липидов и возникновении биохемилюминесценции.