Свободные радикалы

Рис. 15.1. Образование свободных радикалов и активных форм кислорода

Активные формы кислорода и свободные радикалы

К активным формам кислорода (АФК) относятся следующие соединения:

• свободные радикалы, например гидроксильный радикал •ОН (примечание: не путайте гидроксильный радикал с гидроксильным ионом ОН^-, это разные соединения);
• ионы (в частности, гипохлорит-ион ОН-, сопряженное основание для хлорноватистой кислоты, активный компонент бытовых отбеливателей);
• соединения, которые являются одновременно и ионом, и свободным радикалом (супероксид-анион О₂^-);
• молекулы (такие как пероксид водорода Н₂О₂).

Свободный радикал — это любое самостоятельно существующее соединение, которое несет на внешней орбите хотя бы один неспаренный электрон (обозначается точкой •). Особенно страдают от действия свободных радикалов ненасыщенные жиры: воздействие на них свободных радикалов приводит к перекисному окислению липидов. Свободные радикалы — очень нестабильные, короткоживущие молекулы, которые практически сразу реагируют с ближайшими молекулами, вызывая повреждение клетки. Чтобы восстановить свою пару электронов на внешней орбите, свободный радикал забирает электрон у соседней молекулы. Но теперь уже другая молекула несет неспаренный электрон и становится свободным радикалом. По цепной реакции электрон передается от одной молекулы к другой, нарушая установленные законы и порядок в клетке. И результатом этих действий может оказаться повреждение клетки.

Образование свободных радикалов

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь — главный источник свободных радикалов кислорода. Теоретически молекулярный кислород должен полностью восстанавливаться в комплексе IV четырьмя электронами с образованием воды и без образования каких-либо других промежуточных соединений. Но иногда кислород восстанавливается не полностью, и образуются супероксид-анион-радикалы. Кроме того, зачастую утечка электронов происходит из комплексов I и II в реакциях с убихиноном, и эти электроны тоже восстанавливают кислород. В целом около 2% молекулярного кислорода в клетке переходит в форму свободных супероксид-радикалов, и природа разработала защитные механизмы, чтобы избавиться от них.

Ионизирующее излучение

Если Н₂О _{и О2 подвергаются воздействию ионизирующего излучения, образуются свободные радикалы. Этот принцип используется в лучевой терапии рака, хотя излучение может пагубно влиять и на здоровые клетки. При лучевой терапии свободные радикалы в большом количестве образуются в прицельно облучаемых опухолевых клетках, вызывая летальные повреждения их ДНК.}

Загрязняющие вещества (поллютанты)

Табачный дым содержит эпоксиды и пероксиды, которые могут повреждать альвеолы легких. В табачных смолах присутствуют свободные радикалы, образовавшиеся из хинонов и семихинонов. Вдыхание неорганических частиц, например, асбеста, вызывает повреждение ткани легких свободными радикалами.

Ишемия миокарда и реперфузионное повреждение миокарда

Реперфузия — жизненно важный механизм, благодаря которому восстанавливается поток насыщенной кислородом крови к ишемизированным тканям. Однако реперфузия приводит к образованию свободных радикалов кислорода. Считается, что они ответственны за повреждение тканей при реперфузии.

Ионы металлов

Ионы переходных металлов, особенно ионы меди и железа, катализируют образование опасных гидроксильных радикалов (•ОН) из перекиси водорода в реакции Хабера—Вайса. Поскольку железо участвует в окислительном повреждении, концентрация свободных ионов железа в клетке должны регулироваться хелаторами железа (например, внутриклеточными белками, депонирующими железо, например ферритином).

Свободные радикалы: польза или вред?

Полезное действие свободных радикалов

Свободные радикалы не всегда приносят вред организму. Так, клетки эндотелия образуют оксид азота (NO*) для регуляции кровяного давления. Пероксид водорода используется в синтезе тироксина. Кроме того, АФК выделяются фагоцитами в процессе «окислительного взрыва» для уничтожения патогенных микроорганизмов .

Вредное воздействие свободных радикалов

Как правило, свободные радикалы причиняют организму вред. Они вызывают перекисное окисление липидов и нарушают их структуру, повреждают ДНК и вызывают рак. Окислительное повреждение клеток свободными радикалами приводит к преждевременному старению организма и развитию целого ряда дегенеративных заболеваний (чаще всего сердечно-сосудистых). Самые опасные свободные радикалы — гидроксильные (•ОН).

Механизмы защиты от свободных радикалов и активных форм кислорода

Ферментативная защита

Супероксиддисмутаза переводит супероксид-анионы в пероксид водорода, а каталаза вызывает разложение пероксида водорода на неопасную для организма воду и молекулярный кислород (рис. 15.1). Кроме того, пероксид водорода разрушается цитозольным ферментом — селензависимой глутатионпероксидазой, и это основной путь удаления пероксида водорода из клетки.

Перехватчики свободных радикалов

Перехватчики свободных радикалов — молекулы, которые реагируют со свободными радикалами и делают их безопасными для организма. Особенно богаты ими продукты с высоким содержанием витаминов А, С и Е, а также продукты, содержащие в большом количестве такие соединения растительного происхождения, как фенолы, полифенолы, флавоноиды. Эти вещества имеют высокую способность к поглощению радикалов кислорода (oxygen radical absorbance capacity, ORAC) и являются мощными перехватчиками свободных радикалов. Считается, что они снижают риск развития некоторых хронических дегенеративных заболеваний.

Способность к поглощению радикалов кислорода, величина ORAC

Относительно недавно усилился интерес к полезным свойствами продуктов с высокими значениями ORAC. Величина ORAC — это оценка общего содержания антиоксидантов в пище (например, фенолов и витаминов С и Е), которая выражается в ммоль ТЭ/кг, где ТЭ — это «тролокс-эквивалент». Тролокс — водорастворимый аналог витамина Е, который обладает мощным антиоксидантными свойствами и используется как эталонный препарат при тестировании пищевых продуктов в лабораторных условиях.