Роль свободных радикалов в природной среде

     Таким образом фотохимические и окислительные  превращения углеводородов с  участие NО_x являются главной причиной образования фотохимического смога – смеси газообразных веществ в сильными окислительными свойствами.

     Образование фотохимического смога – обычное  явление для крупных городов  в большим количество автотранспорта. Выхлопные газы ДВС содержат в  сове составе NО_x и у/в, которые распространяются в фактически в зоне дыхания.

     Обобщим все что говорилось об окислении у/в в единую схему, которой принято описывать образование фотохимического смога 

      Реакционноспособоные  у/в (с двойными связями) также легко  окисляются озоном, образуя при это  альдегид (либо кетон – в зависимости  от строения алкена) и кислоту –  продукт последующего окисления по общей схеме:

     Значительную  долю у/в в атмосфере составляют ароматические у/в (в городах 30-40% от всех органических соединений). Они  окисляются гидроскорадикалом по различны механизмам. Основным направление окисление  является раскрытие цикла

     C образованием перокидного радикала, который окисляется О2 с участием NO через ряд промежуточных стадий, включающих внутримолекулярную циклизацию пероксидного радикала) с раскрытием цикла с образованием дикарбонильных соединений.

     Гомологи бензола дают большое число различнх продуктов. Например при окислении толуола зарегестрировано более 40 (47) соединений, половина из которых диальдегиды и альдегиды дикарбонильных соединений легко фотохимически разлагаются с образованием различных радикалов.

     Таким образом, фотохимический смог – смесь  разнообразных продуктов фотохимических и окислительных реакций озона, альдегидов, кислот, пероксидных соединений, свободных радикалов, ПАН, главным  из которых является окислители –  озон и вещества группы ПАН. ПАН отличаются высокой токсичностью для человека, а также подавляют процесс фотосинтеза. Кроме того компоненты фотохимического смога будучи сильными окислителями, оказывают разрушительное действие на конструкционные материалы – усиливают коррозию металлических конструкций, разрушение строительных соединений.

     Вредное воздействие смога на живые организмы обусловлено также присутствием альдегидов – весьма токсичных веществ.

     Интересно проследить за изменением концентрации основных компонентов, участвующих  в образовании фотохимического смога (например для города с активными физико-химическими условиями) в течение суток 

     График 3.1. изменение концентраций компонентов  смога в городе в течение суток

     Как видно из графиков – содержание NO достигает максимум быстрее по мере увеличения интенсивности движения транспорта, чем содержание NO2 (со смещением в несколько часов).

     Концентрация  окислителей достигает максимума  только после нескольких часов воздействия  солнечного света.

     Образование фотохимического смога – один из процессов, в котором участвуют гидроксильные радикалы, окисляя у/в.

4. СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

      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 свободных радикалов были установлены Н.Н. Семеновым и его учениками и послужили основой для создания нового раздела физики — химической физики. Значение свободных радикалов в биологических процессах начали изучать в 30-х гг. 20 века.

      Многочисленные  данные свидетельствуют об участии свободных радикалов 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 свободных радикалов и перекисей. Свободные радикалы обладают выраженным мутагенным эффектом. Предполагают, что свободнорадикальные процессы играют существенную роль в онкогенезе. Антибактериальное действие некоторых антибиотиков объясняют их способностью образовывать свободные радикалы, обладающие цитолитическим эффектом в отношении бактериальных клеток.

      Стабильные  свободные радикалы 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.

      В живых организмах свободные радикалы 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.

Рисунок3.1. Механизм пероксидного окисления липидов 

      Одним из механизмов управления внутриклеточного метаболизма является перекисное окисление  липидов. Усиление этого процесса ведет  к образованию избыточного количества свободных радикалов, что нарушает состояние клеточных мембран и коллоидное состояние протоплазмы. Ведущую роль в запуске перекисного окисления липидов играют первичные свободные радикалы (кислород и его активированные формы). При перекисном окислении липидов окислительным превращениям подвергаются полиненасыщенные жирнокислотные фосфолипиды, нейтральные жиры и холестерин, которые являются основными компонентами клеточных мембран. Поэтому при стимуляции перекисного окисления липидов в мембранах уменьшается содержание липидов, а также меняются их микровязкость и электростатический заряд. При более глубоком окислении фосфолипидов нарушается структура липидного бислоя и появляются дефектные зоны в мембранах клеток, а это нарушает функциональную активность. [5]

      Перекисное  окисление мембранных липидов – спутник рака, лучевых поражений, старения, некоторых отравлений; и во всех случаях применяют универсальный метод борьбы с этим злом. Суть этого метода довольно проста... Даже незначительное снижение стационарной концентрации активных частиц приводит к тому, что окисление перестает быть цепным. Это общее свойство всех цепных реакций, и останавливают их почти всегда одинаково, подменяя активные частицы менее реакционноспособными с помощью ловушек радикалов. Ловушками обычно служат соединения, при одноэлектронном окислении которых активными радикалами образуются тоже радикалы, но более инертным. В медицине в качестве таких ловушек (их принято называть антиоксидантами) используют и синтетические препараты (например, дибунол), и вещества природного происхождения (токоферол, аскорбиновая кислота).

      Рисунок 4.2. Структура антиоксидантов, применяемая  для борьбы с раковыми опухолями

      В отличие от природных антиоксидантов - витаминов С и Е - дибунол является синтетическим препаратом. Антиоксиданты защищают липиды, белки и нуклеиновые кислоты от от окислительных повреждений, являющихся спутниками и причиной многих заболеваний.[6]

      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 свободных радикалов 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 свободных радикалов, 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  свободные радикалы, 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.

      Свободные радикалы 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 свободные радикалы 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 свободных радикалов, 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 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.