Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия и технология антиоксидантов химических и биологических систем. Учебное пособие
.pdf
91
Рисунок 16. Иллюстрация флотационной теории липидных
пероксидных радикалов
У фенольных (не пространственно затрудненных) биоантиоксидантов
узкий концентрационный зазор между антиоксидантным и прооксидантным действием.
Антиокислительная активность фенольных антиоксидантов су-
щественно зависит от окисляемой системы и значительно снижается в
ряду «модельные углеводороды – природные жиры и эфиры полиненасыщенных кислот в гомогенных растворах – последние в мицелярных растворах». Этот эффект обусловлен не изменениями собственно
константы скорости реакции:
а физическими межмолекулярными взаимодействиями, например связывание фенольного антиоксиданта эфиром жирной кислоты в неактивный в этой реакции комплекс:
92
В мицеллярных растворах фенольный биоантиоксидант может быть
(а)
(б)
пространственно изолирован от окисляющегося субстрата. Возможны
также процессы самоассоциации самого фенольного антиоксиданта,
влияющие на его антиокислительную активность. Так, приведенная на
рисунке 17 монослойная мицелла фенольного антиоксиданта не проявляет антиокислительной активности, поскольку обращенные внутрь
мицеллы фенольные гидроксильные атомы изолированы от окисляющегося субстрата. В то же время, образующиеся при более высокой
концентрации этого антиоксиданта бислойные мицеллы проявляют
антиоксидантную активность.
Рисунок 17. Монослойная (а) и бислойная (б) мицелла фенольных
антиоксидантов группы ИХФАНов (трет-бутильные группы в
орто-положениях к фенольным гидроксилам не показаны)
Таким образом, известная схема радикально-цепного окислительного процесса, приведенная на стр. 87, хотя и дает общее представление о механизмах протекания цепных свободно-радикальных
окислительных процессов, она достаточно условно может быть применены к процессам, протекающим в живых организмах. Причиной
тому служит высокая гетерогенность состава и структуры биологиче-
93
ских систем. Кроме того в этих системах речь идет не об одном окисляющемся соединении RH, а о совокупности многих соединений,
процесс окисления которых характеризуется разными кинетическими
характеристиками. В физиологических условиях только из цитоплазматических мембран клеток выделяют более 100 разных гидропероксидов.
В живых организмах присутствует большое количество соеди-
нений, способных проявлять антиоксидантные свойства. Это фенолы
и полифенолы (токоферолы, флавоноиды и др.), SH-содержащие соединения (глутатион, тиоредоксины, SH-содержащие белки и др.),
глутатион, аскарбат, β-каротин, мочевая кислота, стерины, убихинон,
ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и др.). Среди
этих соединений есть липофильные и гидрофильные, низкомолекулярные и высокомолекулярные. Следует особо отметить, что спектр
действия всех этих соединений очень широк и не ограничивается
только антиоксидантным действием. Основные механизмы действия
природных биоантиоксидантов следующие:
1. Дезактивация активных кислородных радикалов.
2. Связывание ионов железа и меди, катализирующих свободнорадикальные реакции, в хелатные комплексы.
3. Изменение структуры клеточных мембран (структурные антиоксиданты), затрудняющее взаимодействие окислителя с
субстратом.
4. Повышение активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионредуктазы).
Как можно видеть, механизмы действия антиоксидантов химических
и биологических объектов имеют существенные различия (сравни с
разделом 1.1).
Для животных и человека многие антиоксиданты являются витаминами и представляют собой необходимые компоненты питания.
Ряд ценности фруктов с точки зрения содержания фенольных антиоксидантов выглядит следующим образом: клюква > груши > темный
виноград > яблоки > вишня > земляника > арбуз > черника > бананы >
зеленый виноград. Среди овощей больше всего фенольных антиоксидантов в капусте брокколи.
94
2.2 Витамин Е (токоферолы) и коантиоксиданты
C
H
3
H
O
H
3
C
C
H
3
O
C
H
3
C
H
3
C
H
3
C
H
3
C
H
3
*
* *
Тф-ОН
+
ROO
Тф-О
+
ROOH
.
.
Витамин Е представляет собой группу природных соединений –
производных токола, различающихся количеством и положением заместителей хроманового фрагмента и степенью ненасыщенности боковой изопреноидной цепи, состоящей из 16 атомов углерода. Наибольшей биологической активностью среди этих соединений обладает
α-токоферол:
α-Токоферол имеет три асимметрических центра, что обусловливает возможность существования 8 оптических изомеров. Синтетический витамин Е (α-токоферол), являющийся смесью 8 стереоизомеров, примерно в два раза менее активен, чем имеющий RRRконфигурацию натуральный оптически чистый витамин Е.
Антиоксидантная активность α-токоферола обусловлена тем,
что он является активной ловушкой пероксидных радикалов:
В молекуле α-токоферола метильные заместители в орто-положениях
к гидроксильной группе не создают существенных препятствий для
подхода пероксидных радикалов. К тому же фенольное кольцо имеет
пять электронодонорных заместителей (четыре алкильных и алкоксильный), облегчающих отрыв атома водорода от фенольного гидроксила. На устойчивость образующегося при этом феноксильного радикала положительно влияет возможность образования резонансной
структуры с частичной делокализацией спиновой плотности неспаренного электрона на кислороде хроманового кольца:
95
CH
3
O
H
3
C
CH
3
O
C
16
H
35
CH
3
CH
3
O
H
3
C
CH
3
O
C
16
H
35
CH
3
CH
3
O
H
3
C
CH
3
O
C
16
H
35
CH
3
CH
3
O
H
3
C
CH
3
O
C
16
H
35
CH
3
CH
3
O
H
3
C
CH
3
O
C
16
H
35
CH
3
Тф-О
+
RH
.
Тф-ОН
+
R
.
k
10
Тф-О
+
AH
.
Тф-ОН
+
A
.
k
14
Кроме пероксидных радикалов токоферолы эффективно дезактиви-
•
руют радикал НО
, супероксидный анион-радикал и синглетный ки-
слород.
В зависимости от условий токоферолы могут проявлять не только антиоксидантные, но и прооксидантные свойства, обусловленные
протеканием реакции:
В биомембранах клеток и липопротеиновых частицах прооксидантное действие токоферола снижается за счет его регенерации в реакциях восстановления так называемыми коантиоксидантами (АН),
окислительно-восстановительный потенциал которых ниже, чем у радикала токоферола.
>> k
k
14
В результате этой реакции происходит восстановление молекулы токоферола и предотвращается возможность инициирования окисления
липидов радикалом токоферола. Здесь можно проследить аналогию
между описанным процессом и механизмом синергизма пространст-
10
венно затрудненных фенольных и ароматических аминных стабилиза-
96
торов, в котором более слабый фенольный антиаксидант регенерирует
C
H
3
O
C
H
3
O
O
H
O
H
O
H
O
O
H
O
H
O
H
O
Убихинол
Аскарбиновая кислота
(витамин С)
O
HO
OH
OH
OH
O
Тф-О
.
Тф-ОН
O
O
OH
OH
OH
O
Тф-О
.
Тф-ОН
O
O
O
OH
OH
O
А
с
к
а
р
б
и
н
о
в
а
я
к
и
с
л
о
т
а
Дегидроаскарбиновая
кислота
ферменты
(+
2e,
+2H
+
)
более сильный аминный с образованием менее активных в реакции
передачи цепи окисления феноксильных радикалов (см. раздел 1.1).
К природным коантиоксидантам относятся убихинол (восстановленная форма коензима Q
) и аскарбиновая кислота.
10
В процессе регенерации двух молекул токоферола аскарбиновая
кислота окисляется до дегидроаскарбиновой кислоты:
В свою очередь, регенерация самой аскорбиновой кислоты в организме осуществляется ферментативными системами клетки.
В живых организмах, являющихся гетерогенными системами и
содержащих липидную и водную фазу, пара α-токоферол и аскарбиновая кислота (НО-Аск-ОН) работает синергично и «выводит» радикалы из легкоокисляющейся липидной фазы (лф) в водную (вф):
97
ROO
лф
+
ТФ-ОН
лф
ROOH
лф
+
ТФ-О
лф
ТФ-О
лф
+
НО-Аск-ОН
вф
ТФ-ОН
лф
+ НО-Аск-О
вф
ТФ-О
лф
+ НО-Аск-О
вф
ТФ-ОН
лф
+
О=Аск=О
вф
CH3O
CH3O
O
O
CH
3
CH
3
H
n
+2e,
2H
_
CH3O
CH
3
O
OH
OH
CH
3
CH
3
H
n
CH3O
CH3O
O
OH
CH
3
CH
3
H
n
+e,
H
_
+e,
H
_
n =
6-10
Коэнзимы
Q
6
-Q
10
Убихинолы
CoQ
CoQH
2
В биологических средах аскорбиновая кислота сама по себе обладает чрезвычайно широким спектром антиоксидантных свойств, в
число обезвреживаемых ею активных форм кислорода входят НОС1,
радикалы O
•
ˉ, НО
2
•
, RO
2
•
и НО
2
•
, синглетный кислород и др. В клет-
ках аскорбиновая кислота может также восстанавливать тиильный
•
(GS
) и тиопероксильный (GSO
•
) радикалы глутатиона. Помимо пря-
2
мого антиоксидантного действия витамин С инициирует процесс комплексообразования железа плазмы, что приводит к снижению содержания свободных ионов железа.
2.3 Коензимы Q (убихиноны)
Коензимы Q (CoQ) являются компонентом дыхательной цепи
митохондрий, они осуществляют транспорт электронов в ходе окислительно-восстановительных превращений:
98
Убихинолы CoQH2, как сказано выше, являются коантиоксидан-
CoQH
2
+
O
2
CoQH
+
H
+
O
2
CoQH
+
O
2
CoQ
+
H
+
O
2
CoQH
+
H
2O2
CoQ
+
H
2
O
+
HO
CoQH
+
ROOH
CoQ
+
H
2
O
+
RO
тами токоферола. Кроме того, несмотря на то, что скорость реакции
убихинола CoQH
с пероксидными радикалами примерно на порядок
2
меньше, чем α-токоферола, он является основным липофильным антиоксидантом в митохондриях клеток и тромбоцитах человека, в которых имеет место низкое содержание витамина Е (токоферола).
Как и токоферолы, убихинол CoQH
дантные свойства. В ходе дыхательного процесса CoQН
может проявлять проокси-
2
и его ради-
2
кал могут переносить электроны на молекулярный кислород с образованием анион-радикала кислорода:
Кроме того, радикалы СoQH
•
могут разлагать гидропероксиды с обра-
зованием активных радикалов:
Таким образом, двойственное поведение витамина Е и коэнзимов Q в биологических системах (возможность проявления в различных ситуациях как антиоксидантного, так и прооксидантного действия) позволяет рассматривать их как регуляторные соединения, способствующие поддержанию свободно-радикальных реакций в организме на определенном стационарном уровне.
2.4 Флавоноиды
Флавоноиды представляют собой самую многочисленную группу природных полифенольных соединений. Из растений выделено и
идентифицировано более 10000 флавоноидов. Структурной основой
большинства флавоноидов является флавоновое ядро, содержащее в
качестве заместителя в отличие от токоферола не изопреноидную
цепь, а ароматическое кольцо:
99
O
A
B
C
O
O
HO
OH
OH
OH
OH
Кверцетин
O
O
HO
OH
OH
OH
O
O
HO
OH
OH
O
O
OH
HO
HO
Р
у
т
и
н
OH
OH
3
+
Fe
3+
O
O
O
O
O
O
Fe
3
+
6H
Наличие фенольных гидроксилов в этом кольце во многом определяет
антиоксидантные свойства флавоноидов.
Флавоноиды относят к витаминам Р, они уменьшают хрупкость и
проницаемость стенок капиллярных сосудов. Как и многие биоантиоксиданты флаваноиды, в зависимости от условий проявляют антиоксидантные или прооксидантные свойства. Доказано четыре механизма
антиоксидантного действия флаваноидов:
1. Флавоноиды – ловушки кислородных радикалов. В качестве
антиоксидантов флавоноиды ингибируют процессы перекисного
окисления липидов как на стадии зарождения цепи, взаимодействуя с
•
•
активными формами кислорода (O
ˉ, НО
2
1
,
О2, Н2О2), так и на стадии
продолжения цепи, инактивируя пероксидные радикалы липидов.
2. Флавоноиды, как дезактиваторы ионов металлов переменной
валентности связывают их в хелатные комплексы:
100
3. Флавоноиды выступают в качестве структурных антиокси-
RO
2
+
RH
ROOH
+
R
O
O
O
O
H
.
.
.
.
3
2
5
3
1
4
4
1
H
ArOH
+
ROO
ArO
+
ROOH
3
2
4
O
O
O
H
дантов биологических мембран. Они проникают в гидрофобную область мембран, значительно снижая их подвижность. Поскольку скорость реакции передачи цепи:
в большинстве биологических мембран определяется диффузией, и
данная стадия радикально-цепных процессов перекисного окисления
липидов является лимитирующей, уменьшение подвижности липидов
снижает скорость процесса их окисления.
4. Флавоноиды ингибируют прооксидантные ферменты.
Многочисленные экспериментальные исследования выявили
следующие наиболее важные для антирадикальной активности структурные элементы молекул флавоноидов:
1. Наличие двух ОН-групп в положениях С3' и С4'. Водородная
связь, в которой в качестве донора электронов участвует атом кислорода фенольного гидроксила, повышает активность этой гидроксильной группы в реакции ингибирования пероксидных радикалов.
2. Наличие двойной связи между атомами С2 и С3 совместно с
карбонильной группой в положении С4.
Такая структура приводит к повышению устойчивости образующегося феноксильного радикала за счет делокализации по сопряженной
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]