Свободные радикалы — химические частицы с неспаренным электроном на внешней орбитали, обладающие высокой реакционной способностью. В организме их образование связано с многочисленными биохимическими процессами, включая дыхание, метаболизм ксенобиотиков, воспалительные реакции и ферментативные окислительные системы. Основные виды свободных радикалов включают реактивные формы кислорода (ROS), такие как супероксид-анион (O₂⁻•), гидроксил-радикал (•OH), пероксильные радикалы (ROO•), и реактивные формы азота (RNS), включая нитроксид-радикал (NO•) и пероксинитрит (ONOO⁻).
1. Митохондриальный путь окислительного фосфорилирования Митохондрии являются ключевым источником ROS. В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи часть электронов «просачивается» через комплексы I и III на кислород, образуя супероксид-анион. Дальнейшее превращение супероксида ферментами супероксиддисмутазы (СОД) формирует перекись водорода (H₂O₂), которая при наличии железа по реакции Фентона может превращаться в крайне реакционноспособный гидроксил-радикал.
2. Фагоцитарные клетки и система NADPH-оксидазы Нейтрофилы и макрофаги при фагоцитозе включают NADPH-оксидазу, катализирующую перенос электронов с NADPH на кислород с образованием супероксид-аниона. Это ключевой механизм микробного уничтожения, однако при избыточной активации приводит к повреждению собственных тканей.
3. Ферментативные окислительные реакции Классические ферменты, участвующие в биотрансформации ксенобиотиков, такие как цитохром P450, способны при переносе электронов на субстраты «протекать» с образованием ROS. Аналогично, ксантиноксидаза катализирует окисление гипоксантинов с генерацией супероксид-анионов и H₂O₂.
4. Метаболизм железа и меди Переходные металлы участвуют в реакциях переноса электронов, например, реакция Фентона и Харберта–Вейса. Fe²⁺ реагирует с H₂O₂ с образованием •OH, наиболее реакционноспособного радикала. Эти реакции особенно активны при дисбалансе металлических ионов или накоплении перекиси водорода.
К внешним факторам, индуцирующим образование радикалов, относятся:
Во время воспаления активируются фагоциты, и повышается продукция супероксида, H₂O₂ и NO•. Пероксинитрит, образующийся из супероксида и NO•, обладает способностью модифицировать белки, липиды и ДНК, что приводит к оксидативному стрессу и повреждению клеток. Хроническое воспаление сопровождается длительным увеличением уровня ROS, нарушением антиоксидантной защиты и развитием патологических процессов.
Организм использует антиоксидантные системы для ограничения концентрации свободных радикалов:
Баланс между генерацией ROS/RNS и антиоксидантной защитой определяет уровень оксидативного стресса. Нарушение этого равновесия приводит к повреждению мембран, белков, липидов и нуклеиновых кислот, что является ключевым фактором в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний, нейродегенеративных процессов, рака и старения тканей.
Свободные радикалы инициируют цепные реакции липидной пероксидации, окисление аминокислот и повреждение ДНК. Липидная пероксидация мембранных фосфолипидов ведет к нарушению проницаемости клеточной мембраны и функциональной деградации органелл. Окисление белков приводит к утрате ферментативной активности и денатурации. Мутагенное воздействие на ДНК вызывает точечные мутации, разрывы цепей и структурные изменения хроматина.