Источники образования свободных радикалов

Свободнорадикальное окисление является одним из универсальных механизмов повреждения клеток, но вместе с тем это и необходимый для нормального функционирования клеток процесс. Состояние процессов липопероксидации в условиях нормы определяет характер модификации фосфолипидного бислоя биологических мембран, энергетического и пластического обеспечения клеток, активности транспортных и рецепторных систем мембран, возбудимость клетки и многие внутриклеточные метаболические процессы.

Свободнорадикальные процессы участвуют в реакциях окислительного фосфорилирования, биосинтеза простагландинов и нуклеиновых кислот, в регуляции липолитической активности, в процессах митоза, метаболизма катехоламинов. В то же время интенсификация свободнорадикального окисления является закономерным процессом потенцирования патогенных эффектов воздействия этиологических факторов инфекционной и неинфекционной природы.

Активация процессов свободнорадикального окисления описана при ишемии, гипоксиях, стрессорных ситуациях, эндокринопатиях, опухолевом процессе, аутоиммунных заболеваниях, различных бактериальных инфекциях и интоксикациях, в частности, при чумной, сальмонеллезной, газовогангренозной, ботулинической, стрептостафилококковой. Независимо от характера индуктора ключевую роль в развитии окислительного повреждения играют активные формы кислорода, органические радикалы и перекиси.

Как известно, характерной особенностью свободных радикалов является наличие на высшей энергетической орбитали неспаренного электрона, что придает им высокую реакционную способность к участию во многих биохимических реакциях. Инициация свободнорадикального окисления может быть обусловлена различными причинами, но первостепенную роль в этом процессе играют промежуточные продукты восстановления O₂. В свою очередь активные формы O₂ могут образовываться интрацеллюлярно в сфере действия оксидазных энзимов, а также экстрацеллюлярно – при участии лейкоцитов. Большая часть молекул O₂, попавших в клетку, подвергается ферментативному катаболизму в митохондриях в процессе двухэлектронного и тетра-электронного восстановления, катализируемого цитохромоксидазой.

Однако, наряду с этой основной реакцией может проходить ступенчатое одноэлектронное восстановление молекулярного кислорода. Возникшие при этом процессе свободные радикалы кислорода инактивируются антиоксидантной системой. Между тем утечка радикалов способна вызвать цепной процесс неферментативного свободнорадикального перекисного окисления липидов, белков, нуклеиновых кислот, углеводов.

Как известно, к активным формам O₂ относят диоксид или супер-оксидный анион-радикал, перекись водорода, гидроксильный радикал, гидропероксильный радикал, реже включают синглетный кислород.

Обнаружение свободных радикалов в биологических системах чрезвычайно затруднено в связи с их нестабильностью, быстрым спонтанным распадом и включением в клеточный метаболизм продуктов липопероксидации.

Между тем к настоящему моменту довольно четко определено происхождение свободных радикалов в биологических системах и дана оценка их метаболической значимости при различных заболеваниях, в том числе и инфекционной природы.

В условиях нормы около 98% молекулярного O₂ подвергается тетравалентному восстановлению с образованием H₂O в мито-хондриях в биологическом процессе, связанном с генерацией АТФ. Между тем, 1-2% общего количества потребляемого O₂ подвергается последовательному одновалентному восстановлению с образованием так называемых свободнорадикальных соединений, имеющих неспаренный электрон.

В этом процессе молекулярный кислород восстанавливается сначала в супероксидный анион-радикал, который затем может превращаться в Н₂О₂. Последующее одновалентное восстановление H₂O₂ приводит к образованию гидроксильного радикала OH^• и H₂O. На заключительном этапе последовательного одноэлектронного восстановления кислорода OH^• присоединяет протон и превращается в H₂O. Образующиеся в процессе одновалентного восстановления радикалы представляют собой реакционно-способные активированные формы O₂.

Установлено, что супероксидный анион-радикал образуется при одноэлектронном переносе от флавинсодержащих оксидаз, цитохрома С, убихинона, цитохромоксидазы в митохондриях. В микросомах генерация этого радикала отмечается при образовании метгемоглобина. НАДФH-цитохром-С-редуктазная система и цитохром P₄₅₀ микросом также могут быть источниками супероксиданион радикала. В цитозоле клеток супероксидный анион-радикал генерирует ксантиноксидаза.

Среди неферментативных путей образования O₂ в клетках следует отметить аутоокисление гидрохинонов, лейкофлавинов, катехоламинов, тиолов, тетрагидроптеринов. Неферментным путем супероксидный анион-радикал образуется в системах, содержащих катионы переменной валентности (железа, меди).

В инициации свободнорадикального окисления могут участвовать катионрадикалы молибдена, марганца, кобальта, радикал монодегидро-аскорбиновой кислоты, гидроксильный радикал, железосерные кластеры.

Супероксидный анион-радикал и H₂O₂ не могли бы считаться главными инициаторами свободнорадикального окисления в клетке, если бы взаимодействие этих двух веществ не приводило к возникновению самого активного из известных внутриклеточных инициаторов свободнорадикального окисления - гидроксильного радикала. Гидроксильный радикал представляет собой трехэлектронную форму восстановления O₂, быстро атакующую соединения любой природы, в том числе липиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы с образованием воды и радикала соответствующей молекулы.

Помимо интермедиаторов восстановления O₂, в инициации свободно-радикального окисления участвует синглетный кислород. В клетках синглетный кислород может образовываться при реакциях, катализируемых пероксидазами, липоксигеназами, а также в процессе микросомального НАДФ.H-зависимого перекисного окисления липидов (Шинкаренко Н.В., 1986).

Синглетный кислород не является свободным радикалом. Однако, реагируя с биомолекулами, он вызывает появление свободных радикалов. Установлено, что синглетный кислород может инициировать перекисное окисление холестерина и ненасыщенных жирных кислот. Генерация активных форм O₂ˉ – обязательный атрибут аэробных процессов у эукариотов. Однако функционирование и развитие клеток в кислородсодержащем окружении не было бы возможным без существования защитных систем, к которым относятся специализированные ферментативные и неферментативные антиоксиданты. Постоянное образование прооксидантов в живых системах уравновешено их дезактивацией антиоксидантами, поэтому для поддержания гомеостаза необходима постоянная генерация антиоксидантов.

В таблицах 31 и 32 представлены некоторые реактивные виды кислорода в живых организмах и источники свободных радикалов.

Таблица 31

Таблица 32