Глава 1. Общая характеристика и классификация свободных радикалов. Активированные кислородные метаболиты.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Биолого-почвенный факультет

Учебное пособие

по курсу «Свободные радикалы в живых системах»

часть 1

для студентов магистерской формы обучения

вузовского компонента цикла ОПД

по направлению 020201 Биология

Составитель: к.б.н., проф.Милютина Н.П.

Ростов-на-Дону

Милютина Н.П.

В учебном пособии рассмотрены особенности протекания свободнорадикальных процессов в живых организмах, пути образования активированных кислородных метаболитов, их физиологические и патологические эффекты.

Учебное пособие «Свободные радикалы в живых системах» предназначено для магистров и студентов, специализирующихся в области фундаментальной биомедицины, биохимии, биолого-почвенного факультета ЮФУ.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Общая характеристика и классификация свободных радикалов. Активированные кислородные метаболиты.

Кислород является самым распространенным химическим элементом биосферы, его соединения входят в состав всех живых организмов на планете. Кислород составляет 65 % веса тела человека. Это послужило основанием для постулата В.И. Вернадского: «количество свободного кислорода служит химической мерой живого вещества».

Наиболее широко представлена восстановленная форма кислорода, или вода (Н₂О); для высших форм жизни необычайно важен молекулярный кислород, реакция четырехэлектронного восстановления которого до Н₂О составляет основу биоэнергетики организма человека и животных, а также аэробов в целом.

В нормальных условиях подавляющее количество молекулярного кислорода (более 95 %) вовлекается в процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях. Однако молекула кислорода способна и к одноэлектронному восстановлению, что приводит к возникновению чрезвычайно реакционноспособных кислородных радикалов.

Установлено, что свободные радикалы различной природы составляют 25 % активных форм вещества и определяют приблизительно 25 % всех физико-химических процессов и химических реакций, протекающих в организме.

Свободным радикалом называется частица – атом или молекула, имеющая на внешней орбитали один или более неспаренных электронов.

Различают четыре активированные химические формы вещества, посредством которых молекулы вступают в химические реакции:

- ионы и диполи, активность которых определяется избыточным и несбалансированным электрическим зарядом (R^-, R⁺);

- частицы, имеющие повышенную кинетическую энергию за счет ускорения броуновского движения при повышении температуры;

- возбужденные электронные состояния (R^*);

- свободные радикалы (R^. ).

Образование свободных радикалов в организме происходит двумя основными путями:

- реакции окисления или восстановления;

- реакции гомолитического распада (разъединение электронов, принадлежащим различным атомам и образующих химическую связь). Разрыв химической связи может происходить за счет внешних агентов (УФ-свет, ионизирующее излучение и др.).

В настоящее время проведена дифференциация свободных радикалов по их биологической значимости, т.к. нельзя говорить о свободных радикалах вообще, поскольку известно несколько их групп, отличающихся не только химической структурой, но и выполняющих различные биологические функции.

Различают четыре группы свободных радикалов, возникающих в живых системах:

- метаболические свободные радикалы Э. Михаэлиса. Это свободнорадикальные состояния коферментов дыхательных ферментов: коэнзима Q (убихинона), витаминов В₂, К, флавинов, пиридиннуклеотидов. Повышение интенсивности метаболизма приводит к временному накоплению этих радикалов, которые могут определяться методом ЭПР.

- перекисные радикалы липидов, являются активными короткоживущими и токсичными (L^., LO^., LO₂^.).

Эти радикалы исследовались Б.Н. Тарусовым, они инициируют и поддерживают свободнорадикальные цепные процессы перекисного окисления липидов, и при их избыточном накоплении поражают мембраны и клетки. Определяется методами хемилюминесценции, флюоро- и спектофотометрии;

- радикалы антиоксидантов, которые выполняют защитную функцию и мало токсичны. Определяются методами ЭПР, спектроскопии, хемилюминесценции.

- активированные кислородные метаболиты (Зенков Н.К. и др., 2001)

АКМ – высокореакционные, преимущественно радикальные кислородные соединения, образующиеся в живых организмах в результате неполного восстановления молекулярного кислорода или изменения спина одного из его электронов, находящихся на внешних орбиталях.

Выявлено от 300 до 800 различных органических радикалов: радикалы липидов, белков, низкомолекулярных пептидов, нуклеиновых кислот, фенолов, неорганических молекул (NO^., О₂ ^. , НО₂^., OH^. и др.).

АКМ делятся на группы, которые отличаются структурой, физико-химическими свойствами и биологической ролью в живых системах. АКМ делятся на следующие группы:

1. активные формы кислорода (АФК) – продукты одно, двух- и трехэлектронного восстановления молекулярного кислорода (О₂ ^., НО₂^., Н₂О₂, ОН^.) или изменения спина одного из электронов внешней орбитали (¹О₂); обладают разнообразными физиологическими и цитотоксическими эффектами;

2. гипогалогениты (активные формы галогенов – HOCl, HOBr, HOI, HOSCN) – продукты ферментативной реакции перекиси водорода и галогенов, которая катализируется миелопероксидазой, эозинпероксидазой, лактопероксидазой; обладая выраженным бактерицидным действием, являются компонентами системы неспецифической иммунной защиты;

3. оксид азота NO^. – продукт ферментативной реакции окисления L-аргинина, которая катализируется NO-синтазой; обладает широким спектром физиологического и патогенетического действия. К важнейшим физиологическим функциям NO^. относятся: регуляция тонуса сосудов (эндотелиальный фактор расслабления), является медиатором нового типа, обладает бактерицидным и противораковым действием.

4. оксид углерода (СО) – продукт реакции, катализируемой микросомальной гемоксигеназой, которая переводит гемм в биливердин IXа с высвобождением железа и СО; обладает разнообразными биологическими эффектами, проявляет также токсическое действие;

5. липидные радикалы (L^., LO^., LO₂^.) образуются при протекании перекисного окисления липидов, при высоких концентрациях проявляют цитотоксическое действие, при стационарных концентрация являются важными регуляторами биологических процессов.

В таблице 1 приведены значения времени жизни и радиусов диффузии АКМ в биологических системах (Зенков Н.К. и др., 2001).

Таблица 1