Свободные радикалы представляют собой молекулы или атомы, содержащие
один или несколько неспаренных электронов на внешней орбитали. Эти
высокореакционноспособные частицы способны инициировать цепные реакции
окисления, повреждая биологические макромолекулы, включая липиды, белки
и нуклеиновые кислоты. Ключевыми примерами биологически активных
радикалов являются супероксид-анион (O₂⁻•),
гидроксил-радикал (•OH) и пероксильные радикалы
(ROO•).
Источники свободных
радикалов в организме
Эндогенные источники
- Митохондриальный дыхательный цепной транспорт: частичное
восстановление кислорода приводит к образованию супероксид-аниона.
- Фагоцитарные реакции: NADPH-оксидаза нейтрофилов и макрофагов
продуцирует радикалы для уничтожения патогенов.
- Метаболизм цитохромов P450: промежуточные активные формы кислорода
формируют высокореакционные радикалы.
Экзогенные источники
- Воздействие ультрафиолетового излучения и ионизирующей
радиации.
- Химические токсиканты: бензопирен, тяжелые металлы, лекарства,
индуцирующие окислительный стресс.
- Курение, загрязнение воздуха и неправильное питание, способствующие
активации перекисного окисления липидов.
Механизмы повреждения
макромолекул
1.
Окислительное повреждение липидов (липидная пероксидация)
- Свободные радикалы атакуют полиеновые жирные кислоты, образуя
липидные радикалы (L•).
- Последующая реакция с кислородом формирует липидные пероксильные
радикалы (LOO•), которые способны инициировать цепные реакции.
- Конечными продуктами являются малоновый диальдегид
(MDA) и 4-гидрокси-2-неноаль (HNE), которые
ковалентно модифицируют белки и ДНК, нарушая их функцию.
2. Окисление белков
- Радикалы атакуют боковые цепи аминокислот, особенно цистеин,
метионин, триптофан и тирозин.
- Формируются карбонильные производные и димерные структуры, что ведёт
к изменению третичной и четвертичной структуры
белка.
- Потеря ферментативной активности и структурной функции может
приводить к дисфункции клеточных мембран и органелл.
3. Повреждение нуклеиновых
кислот
- Радикалы способны индуцировать разрывы одноцепочечной и
двухцепочечной ДНК, окисление оснований, образование
8-оксогуанина и других модификаций.
- Нарушение репликации и транскрипции способствует мутагенезу,
апоптозу или некрозу клеток.
4. Нарушение клеточных мембран
- Липидная пероксидация приводит к потере селективной проницаемости
мембран, изменению потенциала митохондрий, высвобождению цитохрома c и
активации каспаз.
- Повышается проницаемость эндоплазматического ретикулума и
плазматической мембраны, усиливается кальциевый стресс
и активация протеаз.
Цепные реакции и
самоусиление повреждений
- Повреждения, инициированные радикалами, часто распространяются
цепным механизмом, где продукт окисления сам становится инициатором
новых реакций.
- Примером является цепная липидная пероксидация, где
LOO• радикалы атакуют соседние ненасыщенные липиды, усиливая повреждение
мембран.
- Такие процессы могут приводить к клеточной дисфункции даже
при относительно низкой концентрации исходного радикала.
Антиоксидантная защита
- Организм использует ферментные системы (супероксиддисмутаза,
каталаза, глутатионпероксидаза) для нейтрализации
радикалов.
- Неферментные антиоксиданты, включая глутатион, витамины C и
E, каротиноиды и полифенолы, предотвращают цепные реакции и
стабилизируют макромолекулы.
- Нарушение баланса между образованием радикалов и антиоксидантной
защитой приводит к окислительному стрессу, который
лежит в основе множества патологий: атеросклероза, нейродегенеративных
заболеваний, диабета и рака.
Молекулярные маркеры
повреждения
- Малоновый диальдегид (MDA) и
4-гидрокси-2-неноаль (HNE) как индикаторы липидной
пероксидации.
- 8-оксогуанин — маркер окислительного повреждения
ДНК.
- Карбонилные белки — показатель окисления белковых
структур.
- Измерение активности антиоксидантных ферментов позволяет оценить
функциональный статус защитной системы организма.
Связь с патологией человека
- Хроническое накопление свободных радикалов приводит к
дегенеративным процессам, включая старение тканей.
- Радикально-инициированная пероксидация липидов играет ключевую роль
в атерогенезе и повреждении сосудистой стенки.
- В нервной системе окислительные повреждения белков и липидов мембран
способствуют развитию болезни Альцгеймера и
Паркинсона.
- Внутриклеточные радикалы участвуют в апоптозе и
некрозе, формируя основу воспалительных и аутоиммунных
процессов.
Регуляторные и
терапевтические аспекты
- Поддержание баланса между радикалами и антиоксидантами является
ключевым терапевтическим направлением.
- Применение антиоксидантных препаратов, включающих витамины,
полифенолы, ферментные модуляторы, снижает скорость
окислительного повреждения макромолекул.
- Таргетная регуляция свободнорадикальных процессов рассматривается
как стратегия профилактики и лечения хронических
заболеваний, связанных с окислительным стрессом.