Размещено на http: //www. allbest. ru/

Содержание

• Введение
• 1. Свободно радикальное окисление, активные формы кислорода
• 2. Влияние радиационного излучения на образование свободных радикалов
• 3. Влияние ультрафиолетового излучения на образование свободных радикалов
• 4. Антиоксидантная система
• Вывод
• Литература


Введение

Каждый современный человек обязательно слышал словосочетание «свободные радикалы» - причем в негативном контексте. Свободные радикалы - это молекула или ее часть, имеющая неспаренный электрон на молекулярной или на внешней атомной орбитале. Свободные радикалы обычно присутствуют в организме в небольших количествах, и здоровый организм контролирует их количество. Некоторые свободные радикалы производятся иммунной системой (разрушают вирусы и бактерии). Другие свободные радикалы участвуют в производстве важных гормонов и активизации необходимых для жизни ферментов.

Образование множества свободных радикалов стимулирует образование ещё большего их количества, а это ведёт к ещё большему ущербу для организма. В результате присутствия опасного количества свободных радикалов может измениться способ кодирования клетками генетической информации, нарушится структура белков. Иммунная система распознаёт такие белки, как чужие и постарается их уничтожить. Свободные радикалы в организме человека возникают за частую под действием факторов внешней среды. К таким факторам относятся: радиоактивное излучение, ультрафиолетовое излучение, никотин и смолы поражающие клетки организма, автомобильные выхлопные газы.

1. Свободно радикальное окисление, активные формы кислорода

Свободное окисление протекает при участии свободно-радикальных форм кислорода, которые образуются в процессе одноэлектронного восстановления кислорода и прежде всего супероксид-аниона кислорода.

Обычно эти реакции протекают в активном центре соответствующих ферментов, а промежуточные продукты не появляются во внешней среде. При изменении условий функционирования дыхательной цепи в ней также возможно одноэлектронное восстановление кислорода, объясняющееся тем, что его сродство к убихинону выше, чем к цитохромоксидазе. Эти процессы приводят к образованию супероксид-аниона кислорода. Этот радикал может образовываться и под влиянием ультрафиолетовых лучей, а также путем взаимодействия кислорода с ионами металлов переменной валентности (чаще всего с железом). От 1 до 3% потребляемого человеком кислорода расходуется на образование свободных радикалов. Молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал. Однако неспаренные электроны расположены так, что молекула О2 остаётся относительно стабильной. При полном восстановлении (тканевом дыхании) молекула кислорода, принимая четыре электрона и четыре протона, превращается в две молекулы воды. При неполном восстановлении кислорода образуются различные активные формы.

К активным формам кислорода относятся:

·О2 ? - супероксидный радикал (+ Н+ > НО2* гидроперекисный радикал), Н2О2 - перекись водорода, ·ОН - гидроксильный радикал, синглетный кислород, озон и гипохлорид.

Под действием света молекулярный кислород переходит в синглетное состояние, т.е. в синглетный кислород О2', в котором все электроны спарены. Синглетный кислород неустойчив, период полураспада - 45 мин. Он более активен в реакциях окисления, чем молекулярный кислород. Окислительная способность активных форм кислорода возрастает в следующей последовательности:

О2 > О2' > ·О2- > НО2* > Н2О2 > НО*

Образование активных форм кислорода происходит в организме постоянно. В организме токсичные кислородсодержащие радикалы возникают при взаимодействии О2 с металлопротеинами (гемоглобин, цитохромы), содержащими катионы металлов в низших степенях окисления (Fe2+, Cu+, Mn2+), получая от них электрон:

Fe2+ + О2 > Fe3+ + ·О2-

Химические реакции, приводящие к появлению свободных радикалов, являются нормальными процессами человеческого организма. Свободные радикалы появляются в результате тканевого дыхания, переноса кислорода гемоглобином, синтеза гормонов, простагландинов, фагоцитоза, обезвреживания лекарственных препаратов и различных токсических веществ печенью, физической активности и т. д.

2. Влияние радиационного излучения на образование свободных радикалов

При облучении биологических объектов, содержащих воду, находящуюся частично в свободном состоянии, а частично входящую в состав органелл соответствующих биосистем, принято считать, что 50% поглощенной дозы в «средней» клетке приходится на воду.

При взаимодействии ионизирующего излучения с водой происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так называемых молекулярных ионов, несущих положительный и отрицательный заряды. Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Н2О = Н2О+ + е1, Н2О + е-1 = Н2О- .

Возникающие ионы воды, в свою очередь, распадаются с образованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой:

Н2О+ = Н+ + ОН,

Н2О- = Н + ОН-,

Н + ОН = Н2О,

ОН + ОН = Н2О2

Н2О2 + ОН = Н2О + НО2.

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н, ОН и особенно НО2 (гидропероксид). Последний радикал, обладающий высокой окислительной способностью, образуется при облучении воды в присутствии кислорода:

Н + О2 = НО2.

Выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода. Этим объясняется кислородный эффект при облучении, проявляющийся в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия. Кислородный эффект отсутствует при облучении биообъектов излучением с высоким значением ЛПЭ. Это явление объясняется тем обстоятельством, что при взаимодействии частиц с веществом создается высокая удельная концентрация радикалов ОН, при которой протекают следующие реакции:

ОН + ОН = Н2О2

Н2О2 + ОН = Н2О + НО2

Н2О2 + О2Н = Н2О + ОН + О2

Н + О2 = НО2

НО2 + ОН = Н2О + О2.

Таким образом, в этом случае кислород, необходимый для возникновения радикала НО2, продуцируется непосредственно в зоне поглощения энергии, поэтому количество возникающих в данном случае окислительных радикалов не зависит от степени насыщенности растворов кислородом.

Возникшие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений, давая начало вторично-радикальным продуктам. Время жизни этих продуктов значительно больше по сравнению со сроком жизни первичных радикалов, поэтому для них возможно проявление большей избирательности действия.

Пути размена энергии при действии ионизирующих излучений могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизированных и возбужденных молекул:

А = А+ + е-1; А = А*

Важнейшими процессами, ведущими к химическим преобразованиям (а следовательно, к поражению) биомолекул, являются диссоциации А* на соответствующие молекулярные продукты, взаимодействующие с сенсибилизатором (например, О2).

Кроме указанных механизмов размена энергии, возможны процесс переноса энергии возбуждения путем реабсорбции, образование комплексов молекул растворителя и активатора с передачей энергии внутри этого комплекса, передачей энергии при столкновении и др. Конкурировать с перечисленными процессами поражения могут эффекты восстановления, к которым относятся люминесценция и преобразование энергии возбуждения в тепло.

Дальнейшие этапы развития радиационного поражения молекулярных структур и наиболее радиочувствительных надмолекулярных образований сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов. Так, например, облучение белковых растворов приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеводных связей. Все эти процессы наблюдаются при поглощении достаточно высоких доз - порядка сотен тысяч рад и более. При облучении целостного организма в первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот в тканях.

При общем облучении экспериментальных животных дозой 5 Гр понижается уровень метионина (важнейшего донора метальных групп) на 75%, триптофана на 26%, что оказывает большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому замедлению биосинтеза белков. Отмечаемое уменьшение содержания сульфгидрильных групп в тканях облученных животных относится к наиболее ранним радиационным изменениям. В дальнейшем оно прогрессирует и достигает более 50% исходного уровня на 5-е сутки при облучении дозой 6 Гр. Считается, что начальная инактивация сульфгидрильных групп вызывается короткоживущими радикалами, а в дальнейшем она происходит за счет действия стойких перекисей.

Различные ферментные системы реагируют на облучение неодинаково. Активность одних ферментов после облучения возрастает, других понижается, третьих остается неизменной. Важно отметить, что при облучении организма происходят повреждение систем синтеза нуклеиновых кислот и стимуляция ферментных систем, деполяризующих эти макромолекулы.

К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование. Нарушение этого процесса отмечается уже через несколько десятков минут после облучения дозой 1 Гр. Оно проявляется в повреждении системы генерирования аденозинтрифосфата, без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.

Высокой чувствительностью обладают дезоксирибонуклеиновые комплексы. Уже через несколько минут после облучения происходят высвобождение нуклеиновой кислоты из дезоксинуклеопротеида и одновременное накопление нуклеиновых кислот в цитоплазме облученных клеток. Предполагается, что в этом случае в первую очередь поражаются связи белок-белок и белок-ДНК.

При действии ионизирующих излучений на липиды образуются перекиси, которым придают особо важное значение в развитии лучевого поражения. Схема реакций в этом случае может быть представлена так:

При облучении организма снижаются содержание липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови, что, по-видимому, связано с изменениями углеводного обмена. Наряду с некоторой стимуляцией синтеза липидов происходит также повышенная их окисляемость, в результате которой возникают перекиси. При этом образование перекисей обусловлено не столько прямым действием радиации, сколько результатом угнетения ряда антиоксидантов. Необходимо также отметить, что в результате действия радиации обнаруживаются изменения в липопротеинах во внутриклеточных структурах, в частности в митохондриях и микросомах.

3. Влияние ультрафиолетового излучения на образование свободных радикалов

Ультрафиолетовое облучение приводит к образованию радикалов веществ хромофоров. Под действием ультрафиолетового облучения происходит фотоионизация («выбивании» электрона из молекулы) ароматических аминокислотных остатков в белках, в результате чего образуются радикалы тирозина, триптофана и фенилаланина. Например, после поглощения фотона молекулой тирозина образуются сначала катионрадикал, а затем нейтральный радикал тирозина:

Образовавшиеся радикалы могут реагировать с соседними аминокислотами, что приводит к повреждению белка, либо к реакциям цепного окисления белков или липидов мембранных структурах клеток.

4. Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс свободно радикального окисления находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

1.Ферментативная антиоксидантная система

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супероксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р450и пероксисом особенно велико.

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О•2 + 2H+ > H2O2+ O2

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu2+ и Zn2+) и в митохондриях (Mn2+) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД -- индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза - геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н2О2 > H2O+ O2

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза-- обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен): Н2О2+ 2 GSH > 2 Н2О + G-S-S-G.

2. Неферментативная антиоксидантная система

"Липидные антиоксиданты" - производные фенола, способны инактивировать свободные радикалы в гидрофобном слое мембран и предотвращать развитие ПОЛ. К ним относится б-токоферол (витамин Е), убихинон (коэнзим Q), тироксин и синтетические соединения, например ионол (бутилированный гидрокситолуол).

Витамин Е (б-токоферол) самый распространённый липофильный антиоксидант. Различают 8 типов токоферолов, но б-токоферол наиболее активен. Витамин Е отдаёт атом водорода радикалу липида ROO•, восстанавливает его до гидропероксида (ROOH), прерывает ПОЛ, а сам превращается в свободный радикал.

Свободный радикал витамина Е стабилен и не поддерживает ПОЛ, он взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливает их, а сам превращается в стабильную окисленную форму -- токоферолхинон.

Витамин С ингибирует СРО с помощью двух различных механизмов: восстанавливает в мембранах клеток токоферолхинон до витамина Е; взаимодействует с активными формами кислорода -- О•2, Н2О2, НО• и инактивирует их.

в-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием и ингибирует ПОЛ.

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, самое главное, не дают ему возможности проникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплексы, в силу своей полярности, не проникают в гидрофобную зону.

Вывод

свободный радикал ультрафиолетовый излучение

1. Свободные радикалы в организме человека возникают за частую под действием факторов внешней среды. Основными являются: УФ-излучение и радиационное излучение.

2. Механизм образования свободных радикалов при радиации на организм основан на взаимодействии ионизирующего излучения с водой, в результате чего происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так называемых молекулярных ионов.

3. При действии ионизирующих излучений на липиды образуются перекиси, которым придают особо важное значение в развитии лучевого поражения.

4. Первичное действие УФ-излучения заключается в фотоионизации, т.е. «выбивании» электрона из молекулы.

5. Под действием ультрафиолетового облучения происходит образование радикалов тирозина, триптофана и фенилаланина. Образовавшиеся радикалы способны реагировать с другими аминокислотами и приводить к нарушению строения белков.

Литература

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина. - 1998. - 704 с.

2. Коневалова Н.Ю. Биохимия. Учебное пособие для студентов высших учебных медицинских заведений. Под ред. проф. Коневаловой Н.Ю. Витебск, ВГМУ, 2009, 2012, 2017. - 689 с.

3. Ленинджер А. Основы биохимии (в 3-х томах). М., 1985, Мир.

4. http://www.fbm.msu.ru/education/lectures/biophys

5. http://vmede.org/sait/?page=6&id=Gigiena_rad_ilin_2010&menu=Gigiena_rad_ilin_2010

6. 4. Чибисова Н.В., Долгань Е.К. Экологическая химия: Учебное пособие / Калинингр. ун-т. - Калининград, 1998. - 113 с

Размещено на Allbest.ru