Различают неферментативное и ферментативное механизмы образования АФК. Заряженные свободные радикалы, называемые катион- или анион-радикалы, образуются в процессе одноэлектронного окисления или восстановления.
При неферментативном механизме образования АФК в основе процесса лежат следующие реакции:
1. | O2 +1 → О2∙- | 3. | HO∙ + 1 + 2Н+ → 2Н2О |
2. | О2∙- +1 → О2-2+ 2Н+ → Н2О2 | 4. | HO₂⁻ + H⁺→H₂O₂ |
Из пероксида водорода в присутствии атомов восстановленного железа Fe2+ и (или) О2 • очень быстро образуется одна из наиболее активных форм кислорода – гидроксильный радикал:
Н2О2Fe2+HO• + ОН-- реакция Фентона
Н2О2+ О2∙- Fe2+ HO• + ОН- + О2 - реакция Хабера-Вейса
HOCl + О2∙- → HO• +Cl• + О2
Одним из основных источников образования АФК является митохондриальная цепь переноса электронов (ЦПЭ). Утечка электронов из ЦПЭ митохондрий и микросом и непосредственное их взаимодействие с кислородом - основной путь образования активных форм кислорода в большинстве клеток.
Рис.4. Реакции образования АФК в дыхательной цепи.
В результате блокирования биохимических процессов (например, при гипоксии) небольшой процент электронов из «главного» потока дыхательной цепи митохондрий восстанавливается в одновалентный молекулярный кислород, который генерирует образование супероксидного анион-радикала кислорода.
Супероксид-анион радикал является высокореакционным соединением, которое вследствие высокой гидрофильности и наличия заряда не может покидать клетку и накапливается в цитоплазме. Его превращения приводят к образованию ряда активных окислителей. Этот радикал может образовываться и под влиянием ультрафиолетовых лучей, а также путем взаимодействия кислорода с ионамиметаллов переменной валентности (чаще всего с железом) или в ходе спонтанного окисления некоторых соединений, например дофамина. Наконец, он может продуцироваться в клетках и такими ферментами, как ксантиноксидаза или NADPH-оксидаза.
Пероксид водорода химически не очень активен, но способствует образованию наиболее токсичной формы кислорода - гидроксильного радикала (ОН•) по следующей реакции:
Fe2+ + Н2О2 → Fe3+ + ОН- + ОН•.
Наличие в клетках Fe2+ или ионов других переходных металлов увеличивает скорость образования гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина способствует образованию супероксидного аниона:
Hb(Fe2+) + O2 → MetHb(Fe3+) + О2∙-