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 свободных радикалов.
Фундаментальные закономерности реакций с участием Р. с. были установлены Н.Н. Семеновым и его учениками и послужили основой для создания нового раздела физики — химической физики. Значение Р. с. в биологических процессах начали изучать в 30-х гг. 20 века.
Многочисленные данные свидетельствуют об участии Р. с. в нормальном функционировании живых клеток и тканей, а также в развитии некоторых патологических состояний. Установлено, что процесс старения сопровождается появлением и накоплением в тканях аномальных количеств Р. с. и перекисей. Р. с. обладают выраженным мутагенным эффектом. Предполагают, что свободнорадикальные процессы играют существенную роль в онкогенезе. Антибактериальное действие некоторых антибиотиков объясняют их способностью образовывать Р. с., обладающие цитолитическим эффектом в отношении бактериальных клеток.
Существует гипотеза, основанная на теоретических представлениях и экспериментальных данных, что абиогенными предшественниками белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров на Земле были Р. с., образовавшиеся из углекислого газа, аммиака, водяного пара, метана и других простейших соединений первичной атмосферы Земли.
Стабильные Р. с. используют в качестве меток и зондов при изучении конформации белков и нуклеиновых кислот, а также при исследовании механизма взаимодействия субстрата с ферментом, антигена с антителом, свойств биологических мембран и т.п.
Свободные радикалы могут быть нейтральными или заряженными частицами — ионрадикалами, которые в зависимости от знака заряда называют анион-радикалами или катион-радикалами. Обозначают Р. с. символом «», точка указывает на наличие неспаренного электрона. Наиболее простыми по строению Р. с. живой клетки являются анион-радикал супероксида () и нейтральный радикал гидроксила (ОН) — гидроксильный радикал.
В живых организмах Р. с. образуются в результате реакций одноэлектронного окисления или восстановления молекул соответствующими донорами или акцепторами электрона, например кислородом или металлами переменной валентности, а также непосредственно под действием ионизирующего или ультрафиолетового излучения.
Одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в клетках и тканях при участии ряда ферментов, таких как ксантиноксидаза, глюкозооксидаза и др. Действие некоторых антибиотиков основано на том, что они обеспечивают одноэлектронное восстановление молекулярного кислорода, отводя поток электронов от терминальных оксидаз бактериальной клетки. В результате образуются супероксидные, а значит, и гидроксильные радикалы, вызывающие в конечном счете гибель такой клетки.
При действии ионизирующего и ультрафиолетового излучений на аминокислоты, белки, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и липиды в результате отрыва электрона или разрыва химической 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.
При затраченной энергии ионизирующего излучения в 100 эВ образуется 2—4 свободных радикала, при поглощении каждых 100 квантов света возникает всего несколько свободных радикалов.
В результате реакции с участием Р. с. в облученных белках и нуклеиновых кислотах происходит химическая модификация макромолекул (разрывы пептидных или нуклеиновых связей, образование «сшивок», химические изменения различных аминокислотных остатков, нуклеотидов и др.). Химическая модификация приводит к изменению структуры макромолекулы, ее формы и биохимических свойств, появлению точковых мутаций, к инактивации ферментов, разрушению биологических мембран и т.д.
Полагают, что функционально самой важной и универсальной по распространению группой Р. с. в живых клетках являются семихиноны — анион-радикалы, постоянно образующиеся в ходе обмена веществ и энергии, а именно при окислительно-восстановительных превращениях переносчиков электронов в митохондриях, хлоропластах, мембранах бактериальных клеток и внутриклеточных мембранах эукариотов.
Большое значение для нормальной жизнедеятельности клетки, а также при развитии ряда патологическмх процессов имеют Р. с., образующиеся при окислении липидов молекулярным кислородом, в первую очередь при окислении полиненасыщенных жирных кислот и жирных кислот фосфолипидов, входящих в состав липопротеидов и биологических мембран.
Как показал Б.Н. Тарусов (1954), механизм свободнорадикального окисления липидов в тканях и мембранах соответствует общим законам ценного окисления. Процесс цепного окисления начинается со стадии инициирования. причем в роли инициатора может выступать ОН-радикал, способный отнимать атом водорода у органических соединений (RH) с образованием воды и активного органического свободного радикала, участвующего в цепи последующих реакции.
Методы определения Р. с. и процессов, протекающих с их образованием, различны. Прямое определение Р. с. в клетках и тканях, в растворах и суспензиях клеточных органелл при физиологической температуре 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 она практически равна нулю. В таких образцах Р. с. могут быть зарегистрированы оптическими методами исследования (Оптические методы исследования) путем измерения спектров поглощения или с помощью люминесценции. Однако наиболее объективным прямым методом обнаружения и определения Р. с. является метод электронного парамагнитного резонанса.
Для обнаружения Р. с. некоторых типов используется чувствительный метод — хемолюминесценция. Разработаны химические методы регистрации Р. с., например метод, основанный на способности Р. с. инициировать реакцию сополимеризации с использованием радиоактивных мономеров и биополимеров. По окончании реакции мономеры, не включившиеся в сополимер, удаляют и с помощью счетчиков излучения оценивают степень сополимеризации.
Р. с. участвуют в процессах окисления, окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания. Установлено, что в норме в клетках постоянно протекают процессы свободнорадикального окисления липидов. Фагоцитоз микроорганизмов и вирусов сопровождается активацией свободнорадикального окисления.
Важную роль играют Р. с. в патологических процессах. Усиление свободнорадикалького 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 клинической симптоматики, а также улучшение состояния больного или его полное излечение в результате торможения свободнорадикального окисления липидов при терапии антиоксидантами.
Об активации процесса свободнорадикального 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 клинических 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 (Лучевая болезнь) и на определенных стадиях онкогенеза, при некоторых инфекционных болезнях, авитаминозах, воспалительных процессах: в мозге животных усиление свободнорадикального окисления липидов было выявлено 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 биоантиоксидантами: например, уменьшается эритема, вызванная УФ-облучением кожи, снижается токсическое действие на организм четыреххлористого углерода, купируются эпилептические припадки (в эксперименте), увеличиваются сроки консервации клеток и органов. Описано успешное применение антиоксидантов при печении 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.
Библиогр.: 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; 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.
Источники: