1. 2.4. Гидроксильный радикал

Одноэлектронное восстановление H₂O₂ приводит к образованию гидроксильных радикалов (ОН^.), обладающих высокой реакционной способностью: H₂O₂ + е^- → ОН^. + ОН^.

2 р ^*     

2рπ^*   |  

³ О₂ ОН^.

Схема электронного строения 2р-подуровня молекулы кислорода и гидроксильного радикала.

Вследствие высокой химической активности время жизни ОН-радикала в клетке составляет около 100 мкс, а расстояние, которое успевают пройти от места образования, не превышает 100 нм.

ОН-радикалы могут участвовать в реакциях трех основных типов:

а) отрыв атома водорода

ОН^. + LH → L^. + H₂O

где LH – полинасыщенная жирная кислота,

L^. – липидный радикал

Взаимодействие ОН^. с ненасыщенными жирными кислотами приводит к инициации перекисного окисления липидов (ПОЛ) в биомембранах.

К этому типу реакций относится взаимодействие ОН^. с рибозой и дезоксирибозой, входящими в состав нуклеиновых кислот. Это взаимодействие лежит в основе мутагенного действия ОН-радикалов.

б) присоединение по двойной связи

ОН^. + С₆Н₆ → С₆Н₆ОН

Ко второму типу реакций относятся реакции взаимодействия ОН^. с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями нуклеиновых кислот. Взаимодействие ОН-радикала с тимином приводит к образованию 5,6-тиминовых гликолей:

Из всех оснований гуанин наиболее легко окисляется с образованием 8-оксогуанозина, являющегося маркером окислительного стресса.

Рис. 11. Образование 8-оксогуанина и влияние ОН-радикалов на ДНК

8-оксогуанин очень мутагенен, так как при его появлении все репликативные ДНК-полимеразы вставляют против него аденин, т.е. идет замена Г-Ц на Т-А.

Таким образом, 8-оксогуанозин обладает ошибочными кодирующими свойствами в репликации и транскрипции, что приводит к образованию ошибочных пар оснований и нарушению нуклеотидной последовательности.

Весьма чувствительны к действию ОН-радикала триптофан, из которого образуется формилкинуренин и кинуренин, а тирозин и фенилаланин преобразуется в гидроксипроизводные.

в) перенос электрона

ОН^. + Cl → Cl^. + OH^-

Пути образования ОН-радикала в биосистемах

- Реакция Фентона с участием металлов переменной валентности (Fe²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Mn²⁺ и др.) является основным источником ОН^. в большинстве биосистем:

Н₂О₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ ОН^. + OH^-

В разложении перекиси водорода наряду с Fe²⁺ могут участвовать ионы других металлов переменной валентности, металлопротеины и комплексы ионов металлов с органическими молекулами.

- Реакция Габера-Вейса:

О₂^. + H₂O₂ → О₂ + ОН^. + ОН^-, которая протекает в две стадии:

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^. + OH^-

Fe³⁺ + О₂^. → Fe²⁺ + О₂

Основными источниками каталитически активного железа, способного индуцировать разложение перекисей, в клетках являются ферритин, гемоглобин и микросомы, в которых выявлен пул негемового железа, которое может использоваться для синтеза цитохром р-450-зависимых ферментов.

- Реакция Осипова:

НОCl + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^. + Cl^-

Следует отметить, что выход ОН-радикалов в расчете на 1 моль Fe²⁺ в реакции Осипова в 20 раз выше, чем в реакции Фентона.

- Взаимодействие супероксида и оксида азота, так называемый нефентоновский механизм генерации ОН^.:

О₂^. + NO^. → ONOOH → OH^. + NO₂^.

NO^. реагирует с О₂^. в 3 раза быстрее, чем фермент супероксиддисмутаза, что позволяет ему успешно конкурировать с СОД за образование бактерицидных продуктов.

- Взаимодействие гипохлорита и супероксида:

НОCL + О₂^. → ОН^. + Cl^- + O₂

- Разложение перекиси водорода может происходить под действием жесткого ультрафиолета:

_уф

H₂O₂ → ОН^. + ОН^-

-Радиолиз воды

_{радиация}

Н₂О → ОН^. + Н⁺ + ^-e_aq

При радиолизе воды образуется также О₂^. , H₂O₂, Н^., ¹О₂, Н₂ и другие соединения, однако выход этих продуктов существенно меньше, чем ОН-радикалов.

ОН-радикалы, образовавшись, вступают в реакцию с ближайшей молекулой. Этот феномен называют «привязанным к месту» образованием ОН^.. Это свойство ОН^. используется в некоторых противораковых антибиотиках, которые имеют сродство к нуклеиновым кислотам и могут одновременно хелатировать ионы железа, оставляя их в каталитически активной форме. Так, введение антибиотика блеомицина в клетку приводит к его прочному связыванию с нуклеиновой кислотой. Связанный блеомицин биомицин хелатирует ионы Fe²⁺ и при добавлении H₂O₂ вблизи молекулы биомицина генерируются ОН-радикалы, которые индуцируют одно- и двунитевые разрывы ДНК, что приводит к торможению нерегулируемой пролиферации раковых клеток.

В живых системах не выработалось ферментативных механизмов защиты от ОН-радикала. Контроль образования ОН^. осуществляется путем регуляции уровня О₂^. и H₂O₂ , а также связыванием ионов металлов переменной валентности и удалением их из сферы реакции Фентона.

Низкомолекулярные, легкоокисляющиеся соединения – глутатион, урацил, мочевая кислота, маннитол, салицилаты, глюкоза и др. ингибируют ОН-радикалы и защищают биологические структуры. Более специфичным и эффективным ингибитором является эпифизарный гормон мелатонин.