Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия и технология антиоксидантов химических и биологических систем. Учебное пособие
.pdf
81
7. Пространственно затрудненный фенол в ходе реакции с пероксид-
ROO
.
+
ROO
.
ROOR
+
O
2
ROOH
RO
.
+
.
HO
.
+
R
1
H
RH
+
.
R
1
R
R.R
.
+
R_R
А) Ловушка алкильных радикалов
Б) Акцептор кислорода
2.
(С17Н35СОО)
2
Ва
O
O
H
Ar
ным радикалом превращается в …………………….. радикал.
9. При взаимодействии с гидропероксидами фосфиты превращаются в
……………………………..
Задания на упорядочивание ответов
1. Укажите соответствие:
А) Стадия разветвления цепи 1.
Б) Стадия обрыва цепи 2.
2. Укажите соответствие:
А) Стадия обрыва цепи 1.
Б) Стадия продолжения цепи 2.
4. Укажите соответствие:
1. Оксалат железа – FeС
В) Акцептор хлористого водорода 3.
2О4
82
3. Укажите соответствие:
А) Ловушка пероксидных радикалов
1.
(С17Н35СОО)
2
Са
OH
t-Bu t-Bu
CH
3
O
t
-Bu
t-
B
u
P
3
1. Термостабилизаторы и антиоксиданты кар-
гие – не окрашивающие
шивающие и достаточно токсичные.
HN Ph
2.
(С17Н35СОО)
Cd
t-Bu
t-Bu
O
O
Б) Безрадикальный разрушитель
гидропероксидов
2.
В) Акцептор хлористого водорода 3.
5. Укажите соответствие:
А) Фенольные
стабилизаторы
боцепных полимеров общего назначения (полиолефинов, полистирола, ПВХ, каучуков и
резин светлых марок). Малотоксичные, мно-
2. Стабилизаторы резинотехнических изделий.
Б) Ароматические
аминные
стабилизаторы
Наиболее сильные антиоксиданты, антиозонанты и противоутомители. Пассиваторы ионов металов переменной валентности. Окра-
6. Укажите соответствие:
А) Ловушка пероксидных радикалов 1.
Б) Ловушка алкильных радикалов
В) Безрадикальный разрушитель
гидропероксидов
2
3.
83
7. Укажите соответствие:
А) Антиозонант
1.
оксалат марганца – МnС
2О4
NH NHCH(CH
3)2
C
H
3
O
OH
C
O
HO
t-Bu
t-Bu
t-Bu
t-Bu
OH
OH
CH=NR
_
CC
Ph
Ph
=
=
=
=
NN C
Ph
Ph
C
Б) УФ-абсорбер
В) Акцептор кислорода 3.
8. Укажите соответствие:
А) Пассиватор ионов
металлов переменной
валентности
Б) Источник стабильных
радикалов
В) Ловушка пероксидных
радикалов
Задания на свободное конструирование ответов
2. Старение полимеров – это ……………………………..
3. Реакция восстановительного алкилирования, используемая в синте-
зе аминных стабилизаторов, – это ……………………...
4. Перечислите различия в процессах радикально-цепного окисления
углеводородов и полимеров ………………………
5. Перечислите механизмы действия антиозонантов
……………………
6. Назовите реакции, лежащие в основе синтеза аминных стабилиза-
торов ………………………..
2.
1.
2.
3.
84
2 ПРИРОДНЫЕ БИОАНТИОКСИДАНТЫ
2.1 Радикально-цепные окислительные процессы
в живых организмах
Человек за 70 лет жизни потребляет примерно 17000 кг молеку-
лярного кислорода, 3-10 % которого расходуется на образование ки-
•
•
ˉ, НО
слородных радикалов (O
2
, RO•, NO• и др.), которые иницииру-
ют цепные реакции перекисного окисления. Выделяют четыре наиболее вероятные мишени окислительной цитотоксической атаки активных форм кислорода: перекисное окисление липидов биологических
мембран, повреждение мембраносвязанных белков, инактивация ферментов и повреждение ДНК клеток. Реакции перекисного окисления
протекают во всех биохимических компонентах клеток (ДНК, белки,
полисахариды и др.) и тканях живых организмов, но главным образом
в наиболее легко окисляемых, вследствие не предельности их углеводородных радикалов, липидных слоях биомембран и липопротеинах.
Остановимся на этом вопросе несколько подробнее.
Мембраны клетки выполняют многообразные функции: рецеп-
торная функция, транспортная функция, обеспечение контактных
свойств клеточных поверхностей, компартментализация (разделение
клеточных органелл – митохондрий, хлоропластов, ядра клетки и др.).
Таким образом, клеточные мембраны осуществляют важнейшие регуляторные механизмы жизнедеятельности клетки. Хорошо известна
связь структуры мембран с их функцией. Структурная организация в
свою очередь тесно связана с физико-химическими свойствами основных компонент мембран – липидов и белков. Развитие процесса их
перекисного окисления приводит к разрушению мембран. Поэтому,
наличие биоантиоксидантов в липидной фазе мембран рассматривается рядом авторов как непременное условие поддержания структуры
мембраны. Существует даже предположение, что липидные антиоксиданты играют и собственную структурную роль в мембране.
При обсуждении механизмов влияния окислительных свобод-
норадикальных реакций в липидах на функционирование мембран
рассматриваются следующие варианты:
85
1. Появление перекисных, полярных групп в липидах может
приводить к изменению силы гидрофобных взаимодействий и оказывать влияние на липид-белковые связи в мембране.
2. Свободная валентность в липидных компонентах мембран
может изменять прочность комплекса ферментов и других макромолекул, например ДНК с мембраной. В связи с этим даже незначительное изменение концентрации свободных радикалов может приводить
к изменению клеточного метаболизма.
3. Свободно-радикальное окисление липидов приводит к изме-
нению их состава. В свою очередь известно, что фосфолипиды влияют
на деятельность ферментов (являются кофакторами и эффекторами
ферментов), поэтому изменение состава фосфолипидов может оказать
существенное влияние на метаболизм.
4. Функционирование мембраны приводит к изменению ее кон-
формации или сопровождается им. Структурные переходы в мембранах в свою очередь индуцируются конформационными и фазовыми
переходами в белках или липидах. В связи с этим изменение физикохимических свойств липидов может приводить к изменению физикохимических свойств мембран и соответственно их функциональной
активности.
Таким образом, в результате радикально-цепного окисления ли-
пидных слоев биомембран меняется их структура, транспортные
свойства, скорости ферментативных реакций, что приводит к нарушению нормального метаболизма клетки.
В нормальных физиологических условиях перекисное окисление липидов протекает на крайне низком уровне. В малых концентрациях продукты их окисления оказывают физиологическое действие и
необходимы для регуляции проницаемости клеточных мембран, обновления их фосфолипидного состава, регуляции активности мембранно-связанных ферментов. Сами биорадикалы являются рабочими
элементами функциональных систем организма: неспецифического
иммунитета, гуморальной сигнализации. Таким образом, образование
кислородных биорадикалов и перекисное окисление липидов являются жизненно необходимыми процессами. В то же время эти процессы
тонко регулируются ферментативной системой, поскольку чрезмерная
их интенсивность приводит к массе негативных последствий для организма. Так окислительные повреждения ДНК играют ведущую роль
86
в процессах мутагенеза и канцерогенеза, сопровождающих развитие
2
O
2
+
2
H
H
2O2
+
O
2
2
H
2O2
2
H
2
O
+
O
2
целого ряда «свободно-радикальных» патологий.
Активизация процессов свободно-радикального окисления в результате активации эндогенных механизмов генерирования радикалов
или действия экзогенных прооксидантных факторов (радиация, УФизлучение, загрязнение окружающей среды, стрессы, большие физические нагрузки) приводит к появлению деструктивных процессов,
называемых «окислительным стрессом». «Окислительный стресс» является важным фактором, обусловливающим развитие многих заболеваний и патологических процессов. В настоящее время доказано участие свободных радикалов в патогенезе очень многих заболеваний
(шоковые состояния различного генеза, атеросклероз, болезнь Альцгеймера, нарушение мозгового, коронарного и периферического кровообращения, сахарный диабет и диабетическая ангиопатия, ревматоидные, воспалительные и дегенеративные заболевания опорнодвигательной системы, поражения глаз, легочные заболевания, онкологическая патология, термические поражения, различные интоксикации, реперфузионные поражения) и преждевременного старения.
Для снижения концентрации биорадикалов, их локализации и
ограничения зоны действия в аэробных организмах, в том числе у человека, сформировалась сложная защитная система, включающая
ферменты и низкомолекулярные соединения – биоантиоксиданты.
Ключевым ферментом антиокислительной защиты является супероксиддисмутаза, катализирующая реакцию диспропорционирования
анион-радикалов кислорода:
Образующийся пероксид водорода разлагается до воды и кислорода под действием фермента – каталазы.
Для животных и человека многие биоантиоксиданты являются
витаминами и поступают в организм с пищей – витамины Е, С, Р.
Общая схема радикально-цепного окислительного процесса,
протекающего в полимерах, углеводородах и в живых организмах
одинакова:
87
При этом для живых организмов следует отметить ряд принципиально
важных особенностей реализации этого процесса.
1. В неживой природе стадия зарождения цепи радикально-
цепного окислительного процесса происходит в результате воздействия внешних факторов. В живых организмах стадия зарождения цепи
с образованием первичных радикалов также может происходить под
действием экзогенных химических и физических факторов: радиация,
УФ, ксенобиотики, озон и др. В тоже время, при ряде патологических
процессов первичные радикалы имеют преимущественно эндогенное
происхождение и возникают в результате активации ферментных радикал генерирующих систем (различные ферменты – оксидазы). В
живых организмах по сравнению с неживой природой имеет место
значительно большее разнообразие активных форм кислорода, вызывающих радикально-цепной окислительный процесс. В их число входят активные радикалы, анион-радикалы, пероксид водорода, синглетный кислород и др. Здесь следует отметить, что первоначально образующиеся в энзиматических реакциях супероксидный анион-
радикал (O
•
ˉ), оксид азота (NO
2
•
) и пероксид водорода (Н2О2) относи-
тельно малоактивны и, как правило, сами не способны инициировать
88
перекисное окисление липидов. Однако в результате ряда последова-
O
2
,
NO
,
H
2O2
ферменты,
ионы
металлов
первичные
кислородные
производные
HO
,
NO
2
,
1
O
2
активные
радикалы
RH
R
H
2O2
+
Fe
2+
HO
+
HO
+
Fe
3+
Fe
3+
+
O
2
Fe
2+
+
O
2
Р
е
а
к
ц
и
я
Ф
е
н
т
о
н
а
Р
е
а
к
ц
и
я
Х
а
б
е
р
а
-В
е
й
с
а
тельных реакций с участием ферментов и ионов металлов переменной
валентности они могут образовывать высокореакционные активные
•
формы кислорода – гидроксильный радикал (НО
NO
), синглетный кислород и др., способные разрывать С-Н связи с
2
), оксиды азота (NO,
образованием первичных липидных радикалов.
В условиях in vivo образование гидроксильного радикала происходит в основном в результате катализируемой ионами железа реакции Хабера-Вейса, представляющей собой совокупность реакции
Фентона и восстановления иона Fe
3+
супероксидным анион-
радикалом:
2. Активные формы кислорода обладают высокой токсичностью
в отношении любых типов клеток и клеточных образований. При
этом, важной с точки зрение способности к окислению особенностью
липидов клеточных мембран является наличие в них большого количества непредельных соединений: моно- и полиненасыщенных жирных кислот и их эфиров, алифатических спиртов, углеводородов и др.
(рис. 15).
Присутствие в структурах фосфолипидов непредельных фрагментов способствует их легкому окислению (табл. 1).
89
Рисунок 15. Структура клеточной мембраны и фосфолипида
R
1
C
O
CH
2
CH
R
2
C
O
CH
2
O
O
OX
P
O
R
1
и
R
2
-
остатки
высших
жирных
непредельных
кислот
Число двойных связей
в кислоте
Относительная
скорость окисления
Относительные скорости окисления природных ненасыщенных
3. В реальных условиях в биологических системах вероятность
протекания реакции рекомбинации свободных радикалов крайне мала
ввиду низкой их концентрации. Радикалы в основном реагируют с мо-
жирных кислот при 37
Фосфолипиды:
Таблица 1
о
С
1 2 3 4 5 6
1 40 80 160 240 320
90
лекулами субстрата или ингибитора, которые всегда присутствуют в
ROOH
+
F
e
2
+
R
O
+
H
O
+
F
e
3
+
ROOH
+
F
e
3
+
F
e
2
+
+
R
O
2
+
H
In
+
RH
InH
+
R
клетках и в межклеточных средах.
4. В условиях окисления in vivo большое значение имеет реакция разветвления цепи, поскольку в клетках и во внеклеточных средах
всегда присутствуют ионы металлов переменной валентности (Fe
2+
), катализирующие радикальный распад гидропероксидов:
Cu
2+
,
5. Для живых организмов в еще большей степени, чем для полимеров характерна анизотропия. В организмах множество различных
структурных элементов (митохондрии, клетки, липосомы, липидные
мембраны и др.), водная и липидная среда. Последнее обуславливает
необходимость использования водо- и жирорастворимых биоантиок-
сидантов и более сложные механизмы их действия. Так существует
мнение, что водорастворимые антиоксиданты могут участвовать в антиоксидантной защите липидных мембран. Согласно флотационной
теории липидных пероксидных радикалов окисленная липидная цепь
с полярным пероксидым радикалом мигрирует к полярной поверхности липосомы, где взаимодействует с водорастворимым антиоксидантом (рис. 16).
6. Антиоксидантные свойства веществ зависят от типа окисляющегося субстрата и условий окисления. Так, например, не существует идеального антиоксиданта для полимеров. Для каждого полимера с учетом условий его эксплуатации подбирают индивидуальную
антиокислительную систему. В еще большей степени сказанное относится к биоантиоксидантам. Даже в одной экспериментальной системе антиоксидантные свойства могут значительно изменяться в зависимости от соотношения окисляющихся компонентов и условий протекания реакций. Даже небольшие изменения последних могут приводить к прооксидантному действию биоантиоксидантов, т.е. к протеканию реакции:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]