РАДИКАЛЫ СВОБОДНЫЕ

Радикалы свободные — атомы или группы химически связанных атомов, обладающие свободными валентностями, т. е. неспаренными (нескомпенсированными) электронами на внешней (валентной) орбитали. Наличие неспаренных электронов определяет высокую химическую реакционную способность и электронный спиновый магнетизм Радикалов свободных (см. Молекула).

Многочисленные данные свидетельствуют об участии Радикалов свободных в нормальном функционировании живых клеток и тканей, а также в развитии некоторых патологических состояний. Установлено, что процесс старения (см. онкогенезе (см.). Антибактериальное действие некоторых антибиотиков объясняют их способностью образовывать Р. с., обладающие цитолитическим эффектом в отношении бактериальных клеток.

Существует гипотеза, основанная на теоретических представлениях и на экспериментальных данных, что абиогенными предшественниками белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров на Земле были Р. с., образовавшиеся из углекислого газа, аммиака, водяного пара, метана и других простейших соединений первичной атмосферы Земли.

Стабильные иминоксильные Р. с., выделенные и подробно изученные Э. Г. Розанцевым, A. Л. Бучаченко и М. Б. Нейманом, используют в качестве меток и зондов при изучении конформации белков и нуклеиновых к-т, а также при изучении механизма взаимодействия субстрата с ферментом, фермента с коферментом, антигена с антителом и свойств биол. мембран, в т. ч. механизма иммунолизиса биол, мембран при участии комплементов.

Фундаментальные закономерности реакций с участием Р. с. были установлены H. Н. Семеновым и его учениками и послужили основой создания нового раздела физики — химической физики. Участие Р. с. в биол, процессах начали изучать в 30-х гг. 20 в. Большой вклад в решение этой проблемы внесли А. Г. Гурвич, H. М. Эмануэль, Б. Н. Тарусов, Л. А. Блюменфельд, Г. М. Франк и др., за рубежом — Р. Вильштеттер, Коммонер (В. Commoner), Горди (W. Gordy), Келвин (М. J. Calvin), Хайд (J. S. Hyde), Чанс (В. Chance), Пьетт (L. H. Piette), Байнерт (H. Beinert), Ингрем (D. J. Е. Ingram), Эренберг (A. Ehrenberg), Мюллер (A. Müller), Мак-Коннелл (J. McConnell) и др.

Радикалы свободные могут быть нейтральными или заряженными частицами — ион-радикалами, которые в зависимости от знака заряда называют анионили катион-радикалами. Обозначают Р. с. символом «R», точка указывает на наличие неспаренного электрона.

В живых организмах Р. с. образуются в результате реакций одноэлектронного окисления или восстановления молекул соответствующими донорами или акцепторами электронов, напр, кислородом или металлами переменной валентности, а также непосредственно под действием ионизирующего или УФ-излучения.

Наиболее простыми по строению Р. с. живой клетки являются анион-радикал супероксида (О^-₂ ) и нейтральный радикал гидроксила (ОН)— гидроксильный радикал, которые образуются в реакциях последовательного одноэлектронного восстановления молекулярного кислорода:

Одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в клетках и тканях при участии ряда ферментов, таких как ксантиноксидаза (КФ 1. 2. 3. 2), глюкозооксидаза (КФ 1. 1. 3. 4) и др. Радикал супероксида обладает относительно невысокой реакционной способностью, тогда как гидроксильный радикал вступает во взаимодействие почти со всеми основными хим. компонентами клетки: аминокислотами и белками, нуклеиновыми к-тами, многими коферментами и липидами, что лежит в основе его цитотоксического действия. В фагоцитирующих клетках фермент НАДФН-оксидаза катализирует образование супероксидных радикалов, которые в свою очередь образуют перекись водорода и гидроксильные радикалы, участвующие, по-видимому, в разрушении бактериальных клеток, захваченных фагоцитами. В других клетках превращение супероксидного радикала в цитотоксический гидроксильный радикал предотвращается благодаря активности защитных ферментов — супероксиддисмутазы (пероксидисмутазы; КФ 1. 15. 1. 1) и каталазы (см.):

Действие некоторых антибиотиков (напр., стрептонигрина) основано на том, что они обеспечивают одноэлектронное восстановление молекулярного кислорода, отводя поток электронов от терминальных оксидаз (см.) бактериальной клетки. В результате образуются супероксидные, а значит, и гидроксильные радикалы, вызывающие в конечном счете гибель такой клетки. Однако существуют штаммы микроорганизмов, имеющих очень высокое содержание супер оксид дисмутазы, что делает их устойчивыми к действию таких антибиотиков, как стрептонигрин.

При действии ионизирующего и УФ-излучения на аминокислоты, белки, нуклеотиды, нуклеиновые к-ты, жирные к-ты и липиды в результате фотоионизации, т. е. отрыва электрона или разрыва хим. связи, образуются различные Р. с., а также первичные продукты фотолиза — сольватированный (т. е. захваченный молекулами среды, в основном — воды) электрон, атом водорода и органические радикалы.

На 100 эв энергии ионизирующего излучения образуется 2—4 свободных радикала, квантовый выход Р. с. невысок: при поглощении каждых 100 квантов света образуется всего несколько свободных радикалов.

Сольватированный электрон может присоединяться к соединениям, содержащим SH-группы, NH₂-группы и др. с образованием новых P.c., или же к молекулярному кислороду с образованием супероксидного радикала. В результате реакции с участием Р. с. в облученных белках и нуклеиновых к-тах происходит хим. модификация макромолекул (разрывы пептидных или нуклеотидных связей, образование «сшивок», хим. изменения различных аминокислотных остатков, нуклеотидов и др.). Хим. модификации приводят к изменению структуры макромолекулы, ее формы и биохим, свойств, появлению точковых мутаций, к инактивации ферментов, разрушению биол, мембран и т. д.

Полагают, что функционально самой важной и универсальной по распространению группой Радикалов свободных в живых клетках являются семихиноны, анион-радикалы, постоянно образующиеся в ходе обмена веществ и энергии (см.), а именно при окислительно-восстановительных превращениях переносчиков электронов в митохондриях, хлоропластах, мембранах бактериальных клеток и внутриклеточных мембранах эукариотов.

Впервые на участие семихинонов в окислительно-восстановительных реакциях (см.) органических соединений указал в 30-х гг. Михаэлис (L. Michaelis).

Достаточно подробно изучены P.c. Хиноны). Эти Р. с. принимают участие в переносе электронов в энергосопрягающих мембранах и в системах гидроксилирования у ксенобионтов.

С промежуточным образованием Р. с. осуществляется также окисление аскорбиновой к-ты (витамина С), токоферола (витамина Е), многих фенолов (см.) и других биологически активных молекул, входящих в состав живых клеток.

Большое значение для нормальной жизнедеятельности клетки, а также в развитии ряда патологических процессов имеют Р. с., образующиеся при окислении липидов молекулярным кислородом, в первую очередь — при окислении полиненасыщенных жирных к-т и жирных к-т фосфолипидов, входящих в состав липопротеидов и биол, мембран.

Как показал Б. Н. Тарусов (1954), механизм свободнорадикального окисления липидов в тканях и мембранах соответствует общим законам цепного окисления (см. Цепные реакции). Процесс цепного окисления начинается стадией инициирования, причем в роли инициатора может выступать OH-радикал, способный отнимать атом водорода у органических соединений (RH) с образованием воды и органического свободного радикала:

Скорость свободнорадикального окисления липидов пропорциональна концентрации двойных связей в ненасыщенных жирных к-тах, входящих в состав этих липидов. Образующиеся радикалы ненасыщенных жирных к-т (R) взаимодействуют с кислородом, образуя перекисные радикалы (RO₂), а те, в свою очередь, вступают в реакцию с новой молекулой ненасыщенной жирной к-ты с образованием К и накоплением гидроперекиси липидов (ROOH):

Чередование двух последних реакций приводит к цепному перекисному окислению жирных к-т.

Прямое обнаружение перекисных радикалов липидов RO₂ удается только в модельных опытах.

В суспензиях органелл, целых клеток и в тканях обнаружить радикалы липидов RO2 можно пока только косвенным путем с помощью регистрации хемилюминесценции (см. Биохемилюминесценция) — сверхслабого свечения, сопровождающего процесс взаимодействия (рекомбинации) двух RO₂-радикалов: RO₂ + RO₂ → промежуточный продукт → спирт + кетон + O₂ + квант света. Т. о. реакция взаимодействия перекисных радикалов приводит к обрыву цепей окисления липидов. В биол, системах значение этого процесса для ограничения скорости перекисного окисления липидов, по-видимому, невелико, т. к. основное количество RO2-радикалов исчезает либо в реакциях с металлами переменной валентности (в частности, с ионами двухвалентного железа и меди), либо при взаимодействии с липидными антиоксидантами: альфа-токоферолом, эстрогенами, тироксином, восстановленным КоQ, витамином К, глутатионом (см.), цистеином и др.

Особенность свободнорадикального окисления заключается в том, что при действии повышенной температуры, УФ-излучения или в присутствии металлов переменной валентности цепная реакция становится разветвленной, т. к. продукт цепного окисления — гидроперекись (ROOH) разлагается с образованием Р. с., начинающих новые цепи окисления:

Регуляция перекисного окисления в клетке может происходить на стадии разветвления цепей. Напр., появление ионов двухвалентного железа приводит к разложению гидроперекисей и возникновению новых радикалов, т. е. к ускорению свободнорадикального окисления липидов. Процесс восстановления трехвалентного железа до двухвалентного происходит в митохондриальной цепи переноса электронов. Однако удаление гидроперекисей исключает возможность разветвления цепей в реальных условиях живой клетки, т. к. интенсивность свободнорадикального окисления снижается. Процесс удаления гидроперекисей без образования Р. с. осуществляется в клетке за счет восстановления ROOH SH-соединениями, в частности — восстановленным глутатионом, и катализируется глутатионпероксидазой (КФ 1. 11. 1. 9), содержащейся во всех животных и растительных тканях.

Торможение свободнорадикального окисления SH-соединениями может также происходить в результате взаимодействия SH-групп таких соединений с липидными Р. с., при этом образуются тиольные радикалы (RS).

Методы определения Радикалов свободных и процессов, протекающих с их образованием, различны. Прямое определение Р. с. в клетках и тканях, в р-рах и суспензиях клеточных органелл при физиол, температурах трудно осуществимо из-за высокой реакционной способности Р. с. и малого времени жизни, вследствие чего их стационарная концентрация в исследуемых объектах очень низка. При замораживании объектов скорость свободнорадикальных процессов замедляется, а при глубоком охлаждении (до 77° К) она практически равна нулю. В таких образцах Р. с. могут быть зарегистрированы оптическими методами: измерением спектров поглощения (см. люминесценции (см.). Однако наиболее объективным прямым методом обнаружения и определения Р. с. является метод электронного парамагнитного резонанса (см.) — ЭПР. Метод ЭПР позволяет установить хим. строение Р. с., их концентрацию в р-ре. Использование так наз. спиновых аддуктов — молекул, образующих с Р. с. сравнительно устойчивые соединения, позволило расширить возможности этого метода. Еще более информативен метод ЭПР стал после начала использования в биол, экспериментах спиновых меток и зондов, являющихся стабильными Р. с.

Чувствительным методом обнаружения Р. с. некоторых типов является метод хемилюминесценции. Разработаны хим. методы регистрации Р. с., напр, метод, основанный на способности Р. с. инициировать реакцию сополимеризации (см.), с использованием радиоактивных мономеров и биополимеров. По окончании реакции мономеры, не включившиеся в сополимер, удаляют и с помощью счетчиков излучения оценивают степень сополимеризации.

Свободнорадикальное окисление полиненасыщенных жирных к-т изучают на основе диеновой конъюгации. Делокализация неспаренного электрона в Р. с. полиненасыщенной жирной к-ты приводит к появлению так наз. конъюгированных диенов в продуктах реакции (в перекиси ом радикале, а затем в гидроперекиси жирной к-ты), что регистрируется с помощью обычных оптических методов исследования (см.).

Важная роль Р. с. в нормальном клеточном метаболизме доказана с помощью большого числа экспериментов. Р. с., образующиеся в цепи переноса электронов, обеспечивают перенос по цепи одного электрона, в то время как участие молекул обеспечивает одномоментный перенос не менее двух электронов. Поскольку в цитохромах (см.) и в железосульфопротеидах элементарный акт окисление — восстановление является процессом одноэлектронным, включение органической молекулы в такую цепь предполагает окислительно-восстановительную реакцию. Убихиноны и флавины участвуют в одноэлектронном переносе именно через стадию образования Р. с. Возможность и условия образования супероксидных и липидных Р. с. за счет Р. с., образующихся в цепи переноса электронов, пока не выяснены.

Е. Б. Бурлаковой, А. И. Журавлевым, В. Е. Каганом, С. А. Нейфахом и др. установлено, что в норме в клетках постоянно протекают процессы свободнорадикального окисления липидов. Имеется ряд наблюдений об участии несемихинонных Р. с. в функционировании митохондрий. В 1968 г. В. 3. Горкин с сотр. обнаружил эффект трансформации активности ферментов при действии на них продуктов свободнорадикального окисления; напр., моноаминоксидаза (см.) митохондрий приобретала свойства диаминоксидазы (КФ 1. 4. 3. 6). Полагают, что в основе такой трансформации лежит окисление SHгрупп ферментов. Получены данные об участии Р. с. в процессах окислительного фосфорилирования (см.) в митохондриях. Фагоцитоз микроорганизмов и вирусов сопровождается активацией свободнорадикального окисления.

Вопрос о роли Р. с. липидов в нормально функционирующем организме остается пока предметом дискуссии. Разрушение внутриклеточных мембран в ретикулоцитах связано с перекисным окислением насыщенных жирных к-т, катализируемым ферментом липоксигеназой (КФ 1. 13. 11. 12) и идущим через стадию образования Р. с. По-видимому, ферментативное свободнорадикальное окисление липидов, связанное с окислением НАДФН в эндоплазматическом ретикулуме печени, происходит в процессе разрушения мембран эндоплазматическоко ретикулума. Быстрое самообновление липидного состава этих мембран, вероятно, частично обеспечивается именно свободнорадикальным окислением липидов и ресинтезом новых липидных компонентов мембраны.

Накопление промежуточных продуктов свободнорадикального окисления липидов (гидроперекисей) приводит к нек-рому изменению свойств липидного слоя в биол, мембранах: снижению его гидрофобности и вероятному увеличению проницаемости для ионов. Наиболее чувствительны в отношении Р. с. SH-группы ферментов биол, мембран, окисление которых приводит к увеличению проницаемости мембран для катионов и анионов. Конечные (обычно водорастворимые) продукты свободнорадикального окисления липидов — альдегиды, кетоны, альдо- и кетокислоты вызывают увеличение проницаемости липидного слоя для протонов, приводящее к разобщению окислительного фосфорилирования и дыхания в митохондриях. Эти конечные продукты свободно-радикального окисления увеличивают поверхностный (отрицательный) заряд биол, мембран, снижают электрическую стабильность липидного бислоя. В процессе свободно-радикального окисления расходуются прежде всего менее вязкие полиненасыщенные к-ты. В результате происходит общее повышение вязкости среды, приводящее обычно к снижению активности ферментов. Все эти явления лежат в основе цитотоксического действия Р. с. и продуктов свободнорадикального окисления, которые в низких концентрациях вызывают нарушение клеточного деления, а в более высоких — гибель и лизис клеток.

В живой клетке регуляция свободнорадикального окисления липидов осуществляется на стадии инициирование — активация образования супероксидного радикала в электронно-транспортных системах или, напротив, ингибирование токсического действия супероксид-радикала и гидроксильного радикала при участии супероксиддисмутазы и каталазы на стадии цепного окисления ненасыщенных жирных к-т путем поддержания определенного жирно-кислотного состава липидов мембран на уровне разветвления цепей окисления. Восстановление гидроперекисей за счет SH-соединений с участием глутатионредуктазы (КФ 1. 6. 4. 2) снижает скорость разветвления цепей окисления и уменьшает скорость свободнорадикального окисления. Это торможение скорости может осуществляться и за счет связывания ионов металлов переменной валентности. Напр., активация свободно-радикального окисления в тканях при болезни Вильсона (см. Гепатоцеребральная дистрофия) определяется избытком в тканях больных слабосвязанных ионов меди. Введение D-пенициламина (альфа, альфа'-диметилцистеина), активно связывающего медь и выводящего ее из организма, уменьшает тяжесть клин, проявлений болезни. Регуляция свободнорадикального окисления с помощью биоантиоксидантов лежит в основе их применения в качестве стабилизаторов лекарственных средств, содержащих ненасыщенные жирные к-ты.

Роль свободных радикалов в патологических процессах

Усиление свободнорадикального окисления липидов может привести к нарушению нормальной жизнедеятельности организма и создать условия для развития ряда заболеваний. Признаками участия свободнорадикального окисления липидов в развитии того или иного заболевания, помимо активации свободнорадикального окисления, являются нарастание клин, симптоматики, а также улучшение состояния больного или его полное излечение в результате торможения свободнорадикального окисления липидов в результате терапии антиоксидантами.

Об активации процесса свободно-радикального окисления судят обычно по увеличению содержания в тканях и крови больных Р. с., липидных гидроперекисей, альдегидов, в частности малонового диальдегида, а также по снижению содержания липидных антиоксидантов. Разработан метод регистрации уровня свободнорадикального окисления в организме больных в клин, условиях по содержанию пентана в выдыхаемом воздухе. Усиление свободнорадикального окисления липидов было обнаружено в печени при отравлении четыреххлористым углеродом, алкоголем, солями меди, озоном, кислородом, в коже после УФ-облучения, в очагах гипоксии и воспаления и при ожогах, в сетчатке глаза при чрезмерном освещении, во всех органах и тканях при развитии лучевой болезни (см.) и на определенных стадиях онкогенеза, при некоторых инф. болезнях, авита минозах, воспалительных процессах; в мозге животных усиление свободнорадикального окисления липидов было обнаружено при экспериментальной эпилепсии и т. д. Однако патогенетическая роль свободнорадикального окисления липидов во всех этих случаях пока не ясна.

Состояние больных или животных (в условиях эксперимента) почти всегда значительно улучшается после терапии антиоксидантами; напр., уменьшается эритема, вызванная облучением кожи УФ-светом, снижается токсическое действие на организм четыреххлористого углерода, купируются эпилептические припадки (в эксперименте), увеличиваются сроки консервации клеток и органов. Описано успешное применение антиоксидантов при лечении ожогов и ишемической болезни сердца, связанной с атеросклерозом.

Большое внимание исследователи уделяют роли Р. с. в онкогенезе. Обнаружена корреляция между способностью ряда онкогенов к образованию Р. с. и их онкогенной активностью. Как правило, по мере развития опухоли концентрация Р. с. в тканях снижается в 2—6 раз по сравнению с контролем, а интенсивность свободнорадикального окисления в других тканях организма обычно повышается, особенно на терминальных стадиях болезни, что, возможно, связано с перераспределением антиоксидантов между тканью злокачественной опухоли и другими тканями.

Библиография: Ажипа Я. И. Медико-биологические аспекты применения метода электронного парамагнитного резонанса, М., 1983, библиогр.; Владимиров Ю. А. и Арчаков А. И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, М., 1972; Журавлев А. И. и Журавлева А. И. Сверхслабое свечение сыворотки крови и его значение в комплексной диагностике, М., 1975; Калмансон А. Э. Применение метода электронного парамагнитного резонанса в биохимии, в кн.: Успехи биол, химии, под ред. Б. Н. Степаненко и др., т. 5, с. 289, М., 1963; Каюшин Л. П., Грибова 3. П. и Азизова О. А. Электронный парамагнитный резонанс фотопроцессов биологических соединений, М., 1973; Козлов Ю. П. Свободные радикалы и их роль в нормальных и патологических процессах, М., 1973; Свободные радикалы в биологии, под ред. У. Прайора, пер. с англ., т. 1—2, М., 1979; Тарусов Б. Н. Первичные процессы лучевого поражения, М., 1962; Эмануэль Н. М., Денисов Е. Т. и Майзус 3. К. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе, М., 1965.

Ю. А. Владимиров, А. И. Журавлев, А. Э. Калмансон.