Nama zat kimia yang mengandung radikal. Radikal bebas

Radikal bebas adalah spesies molekuler yang memiliki elektron tidak berpasangan pada orbital terluarnya dan memiliki reaktivitas kimia yang tinggi. Studi mereka dilakukan dengan menggunakan EPR (teknik spin trapping), chemiluminescence, dan penghambat reaksi, yang melibatkan jenis radikal tertentu. Radikal utama yang diproduksi dalam tubuh kita adalah radikal oksigen (radikal superoksida dan hidroksil), nitrogen monoksida, radikal asam lemak tak jenuh, semikuinon yang terbentuk dalam reaksi reduksi oksidatif (misalnya ubiquinol). Berbagai radikal juga terbentuk di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan selama metabolisme beberapa senyawa tidak alami (xenobiotik), termasuk beberapa zat yang sebelumnya digunakan sebagai obat.

Apa itu radikal bebas?

Gambar 1. Struktur elektronik molekul metanol

Gambar 2.Struktur elektronik radikal metanol

Diketahui bahwa dalam molekul organik (termasuk yang menyusun tubuh kita), elektron pada kulit elektron terluar tersusun berpasangan: satu pasangan di setiap orbital (Gbr. 1)

Radikal bebas berbeda dari molekul biasa karena mereka memiliki elektron tidak berpasangan (tunggal) pada kulit elektron terluar (Gbr. 2 dan 3).

Elektron yang tidak berpasangan pada radikal biasanya dilambangkan dengan titik. Misalnya, radikal hidroksil diberi nama HO·, radikal hidrogen peroksida diberi nama HOO·, radikal superoksida diberi nama ·OO- atau O2·-. Di bawah ini adalah rumus tiga radikal etil alkohol: CH3CH2O·; CH3·CHOH; CH3CH2O

Jadi:
Radikal bebas adalah partikel – atom atau molekul yang memiliki satu atau lebih elektron tidak berpasangan pada kulit terluarnya.

Hal ini menjadikan radikal aktif secara kimia, karena radikal berusaha mendapatkan kembali elektron yang hilang dengan mengambilnya dari molekul di sekitarnya, atau membuang elektron “ekstra” dengan memberikannya ke molekul lain.

Molekul oksigen (dioksigen), yang mengandung sebanyak dua elektron tidak berpasangan pada kulit terluarnya, berada pada posisi khusus. Jadi, dioksigen bersifat diradikal dan, seperti radikal lainnya, sangat reaktif.

Gambar 3. Struktur elektronik beberapa molekul dan radikal

Penting untuk ditekankan bahwa elektron yang tidak berpasangan harus berada di kulit terluar atom atau molekul. Konsep radikal bebas tidak mencakup ion logam dengan valensi variabel, yang elektronnya tidak berpasangan terletak di kulit bagian dalam. Karena radikal dan ion logam seperti besi, tembaga atau mangan (serta kompleks logam-logam ini) menghasilkan sinyal resonansi paramagnetik elektron (EPR), partikel-partikel ini bersama-sama sering disebut pusat paramagnetik.

Dengan demikian, pembentukan radikal dari molekul stabil disebabkan oleh munculnya elektron baru dalam orbital valensi bebas atau, sebaliknya, oleh pelepasan satu elektron dari suatu pasangan elektron. Proses ini biasanya terjadi sebagai akibat dari reaksi oksidasi atau reduksi satu elektron. Reaksi seperti itu biasanya melibatkan, bersama dengan molekul asal radikular, ion logam dengan valensi variabel, yang berfungsi sebagai donor atau akseptor satu elektron (dan bukan dua elektron sekaligus, seperti yang terjadi dalam reaksi antara dua molekul organik atau antara molekul organik dan oksigen). Contoh khas reaksi yang menghasilkan radikal adalah reaksi Fenton: interaksi hidrogen peroksida dengan ion besi:
Fe2+ ​​+ H2O2 => Fe3+ + OH- + ·OH (radikal hidroksil)

Pada suhu tinggi atau di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, radikal juga dapat terbentuk akibat putusnya ikatan kimia (pembelahan homolitik). Dalam kondisi normal, reaksi seperti itu praktis tidak terjadi pada sel hidup normal.

Nomenklatur radikal

Baru-baru ini, Komisi Tata Nama Kimia Anorganik merumuskan aturan dasar tata nama radikal (lihat (Koppenol, 1990 #7)) (Tabel 1).

Tabel 1. Nama-nama beberapa radikal dan molekul menurut rekomendasi Komisi Tata Nama Kimia Anorganik (1990).

Mari kita lihat beberapa rekomendasi ini. Pertama-tama, tidak perlu menulis “bebas” sebelum kata radikal. Sifat radikal partikel yang dimaksud ditunjukkan dengan akhiran “il”. Dengan demikian, radikal RO· dan HO· masing-masing diberi nama "alkoksil" dan "hidroksil".

Rekomendasi untuk tidak menyalahgunakan turunan “peroksida” dan “hidroperoksida” dapat dianggap sebagai hal yang sangat baru. Sekelompok dua atom oksigen yang terikat bersama disebut "dioksida". Oleh karena itu, dianjurkan untuk menyebut radikal ROO· "alkyldioxyl" (Koppenol, 1990 #7). Nama alternatif “alkylperoxyl” juga dapat dipertahankan, namun ini lebih buruk (Koppenol, 1990 #7). Oksigen molekuler disebut "dioksigen" dan ozon disebut "trioksigen".

Nama dengan akhiran "il" sangat cocok, tetapi tidak menunjukkan apa pun tentang muatan partikel tersebut. Oleh karena itu, jika diperlukan, disarankan untuk menggunakan nama sistematis radikal, di mana setelah nama golongan, muatannya diberi tanda kurung. Misalnya, radikal O2·- diberi nama “dioksida (1-)”. Dalam tulisan ini, kita akan menggunakan nama pendek “dioksida”. Saat menulis rumus radikal dalam superskrip, pertama-tama kita akan menempatkan sebuah titik yang menunjukkan adanya elektron tidak berpasangan dalam atom tertentu, dan kemudian tanda muatan ion. Misalnya "O2·-". Dalam rumus struktur, titik harus ditempatkan tepat pada atom tempat elektron tidak berpasangan berada. Misalnya, untuk menekankan bahwa dioksigen memiliki dua elektron tidak berpasangan, Anda dapat menulis rumusnya sebagai berikut: "O2". Tabel 1 memberikan daftar nama radikal yang direkomendasikan; dalam tanda kurung siku adalah judul-judul yang terutama akan digunakan dalam buku ini.

Radikal ditemukan di tubuh kita

Radikal primer dan molekul reaktif

Semua radikal yang terbentuk di dalam tubuh kita dapat dibedakan menjadi alami dan asing. Pada gilirannya, radikal alami dapat dibagi menjadi primer, sekunder dan tersier (Vladimirov, 1998 #8). (Lihat diagram pada Gambar 4).

Gambar 4. Klasifikasi radikal bebas yang terbentuk di tubuh kita

Radikal primer dapat disebut radikal, yang pembentukannya dilakukan dengan partisipasi sistem enzim tertentu. Pertama-tama, ini termasuk radikal (semikuinon) yang terbentuk dalam reaksi pembawa elektron seperti koenzim Q (kami menyatakan radikal sebagai Q·) dan flavoprotein. Dua radikal lainnya, superoksida (·OO-) dan nitrogen monoksida (·NO), juga mempunyai fungsi yang bermanfaat bagi tubuh, yang akan dibahas lebih rinci di bagian terkait.

Dari radikal primer - superoksida, serta sebagai hasil reaksi lain, senyawa molekul yang sangat aktif terbentuk di dalam tubuh: hidrogen peroksida, hipoklorit, dan lipid hidroperoksida (lihat Gambar 5). Molekul semacam itu, bersama dengan radikal, menerima nama “spesies reaktif” dalam literatur Inggris, yang dalam literatur Rusia paling sering diterjemahkan sebagai “bentuk aktif”. Untuk membedakan antara radikal dan produk molekuler, kami mengusulkan untuk menyebut produk tersebut sebagai “molekul reaktif”. Dengan demikian, terminologi berikut diusulkan:

Bentuk aktif = radikal bebas + molekul reaktif

Halliwell menyarankan istilah spesies oksigen reaktif, nitrogen dan klorin (Halliwell, 1998 #9). Seperti yang dapat dilihat dari diagram pada Gambar. 5, spesies oksigen reaktif termasuk superoksida, radikal hidroksil, hidrogen peroksida dan oksigen singlet. Nitrogen oksida dan hasil interaksinya dengan superoksida - peroksinitrit - diusulkan untuk disebut bentuk aktif nitrogen. Bentuk aktif klorin dapat disebut hipoklorit, terbentuk dari reaksi hidrogen peroksida dengan ion klorida, yang dikatalisis oleh enzim mieloperoksidase.

Gambar 5. Spesies reaktif oksigen, nitrogen dan klorin

Dalam terminologi yang muncul saat ini, perlu untuk menemukan tempat bagi radikal dan hidroperoksida dari asam lemak tak jenuh ganda, yang terbentuk dalam reaksi yang sangat penting dari oksidasi berantai lipid. Dari sudut pandang kimia, ini adalah kelompok heterogen. Ketika atom hidrogen dihilangkan dari molekul asam lemak tak jenuh ganda, radikal alkid terbentuk, di mana elektron tidak berpasangan terlokalisasi pada atom karbon. Ini seperti “bentuk karbon aktif”. Tetapi dengan interaksi lebih lanjut dari radikal alkil dengan dioksigen (molekul oksigen), radikal dioksida terbentuk dengan elektron tidak berpasangan yang terlokalisasi pada atom oksigen. Dalam strukturnya, dan sebagian dalam sifat-sifatnya, radikal semacam itu menyerupai superoksida, dan dapat diklasifikasikan sebagai bentuk oksigen aktif, seperti yang dilakukan oleh beberapa penulis. Hidroperoksida asam lemak tak jenuh yang terbentuk selama peroksidasi lipid juga dapat diklasifikasikan sebagai bentuk aktif dalam kategori ini, dengan analogi dengan hidrogen peroksida. Kemudian radikal alkoksil lipid, yang terbentuk selama reduksi satu elektron hidroperoksida, misalnya dengan ion Fe2+, juga termasuk dalam kategori ini; sebenarnya, ini adalah homolog dari radikal hidroksil.

Terlepas dari semua hal di atas, kami mengusulkan untuk menggabungkan semua produk (dan reagen) oksidasi berantai lipid yang terdaftar dalam satu istilah: bentuk lipid aktif. Bagi seorang ahli biologi dan dokter, yang lebih penting bukanlah atom mana yang memiliki elektron tidak berpasangan, tetapi molekul mana yang menjadi agresif secara kimia, yaitu memperoleh ciri-ciri radikal bebas atau prekursor reaktifnya. Jadi, kami memasukkan radikal alkil, alkoksi dan dioksida sebagai bentuk aktif lipid. serta hidroperoksida dari asam lemak tak jenuh ganda dan rantai fosfolipid, trigliserida, atau kolesterol yang sesuai (lihat Gambar 5).

Radikal sekunder dan tersier

Molekul reaktif: hidrogen peroksida, lipid hidroperoksida, peroksinitrit, terbentuk dalam reaksi, salah satu partisipannya dalam banyak kasus adalah radikal, dan terkadang dioksigen, yang, bagaimanapun, juga memiliki elektron tidak berpasangan pada kulit elektron terluar. Pada gilirannya, molekul-molekul ini, dan bersama dengan hipoklorit, mudah membentuk radikal dengan adanya ion logam dengan valensi variabel, terutama ion besi divalen. Kami akan menyebut radikal seperti itu sebagai hal sekunder; ini termasuk radikal hidroksil dan radikal lipid. Radikal sekunder, tidak seperti radikal primer, terbentuk dalam reaksi non-enzimatik dan, sejauh yang diketahui saat ini, tidak menjalankan fungsi yang berguna secara fisiologis. Sebaliknya, mereka memiliki efek merusak pada struktur sel dan dapat disebut sebagai radikal berbahaya. Pembentukan radikal sekunder (dan bukan radikal pada umumnya) yang mengarah pada perkembangan kondisi patologis dan mendasari karsinogenesis, aterosklerosis, peradangan kronis dan penyakit saraf degeneratif (lihat ulasan (Cross, 1987 #4)(Cross, 1994 #5 )(Darley-Usmar, 1995 #10 (Darley-Usmar, 1996 #11)). Namun, molekul reaktif juga memiliki efek sitotoksik, tidak hanya karena pembentukan radikal bebas darinya, tetapi juga secara langsung, seperti yang telah dibuktikan pada peroksinitrit dan hipoklorit, dan dalam beberapa situasi pada hidrogen peroksida.

Untuk melindungi terhadap efek merusak dari radikal sekunder, tubuh menggunakan sekelompok besar zat yang disebut antioksidan, termasuk pemulung radikal bebas. Contoh yang terakhir adalah alfa-tokoferol, tiroksin, tereduksi ubiquinon (QH2) dan hormon steroid wanita. Bereaksi dengan radikal lipid, zat ini sendiri diubah menjadi radikal antioksidan, yang dapat dianggap sebagai radikal tersier (lihat Gambar 3).

Selain radikal-radikal ini, yang terus-menerus terbentuk dalam jumlah yang berbeda-beda di dalam sel dan jaringan tubuh kita, radikal-radikal yang muncul di bawah pengaruh seperti radiasi pengion, penyinaran ultraviolet, atau bahkan penerangan dengan cahaya tampak yang intens, seperti sinar laser, dapat mempunyai efek yang merugikan. efek destruktif. Radikal seperti ini bisa disebut asing. Ini juga termasuk radikal yang terbentuk dari senyawa asing dan xenobiotik yang masuk ke dalam tubuh, banyak di antaranya memiliki efek toksik justru karena radikal bebas yang terbentuk selama metabolisme senyawa tersebut (Gbr. 3).

Bagaimana radikal bebas dan reaksi yang terlibat di dalamnya dipelajari?

Metode dasar untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal

Partisipasi radikal bebas dalam proses tertentu, baik itu reaksi kimia dalam tabung reaksi atau perkembangan kondisi patologis dalam tubuh, dapat dinilai dengan menggunakan metode langsung dan tidak langsung (, hlm. 19-32). Metode "paling langsung" untuk mempelajari radikal bebas adalah metode resonansi paramagnetik elektron (EPR). Dengan keberadaan, amplitudo, dan bentuk sinyal EPR (spektra), seseorang dapat menilai keberadaan elektron tidak berpasangan dalam sampel, menentukan konsentrasinya, dan terkadang mengetahui struktur kimia radikal yang dikandung elektron tidak berpasangan tersebut. Metode langsung untuk mempelajari radikal juga mencakup metode chemiluminescence (CL). Ketika radikal berinteraksi satu sama lain, banyak energi yang dilepaskan, yang dalam beberapa kasus dipancarkan dalam bentuk foton (kuanta cahaya). Intensitas pendaran (CL) tersebut sebanding dengan laju reaksi yang melibatkan radikal dan, akibatnya, dengan konsentrasinya.

Metode tidak langsung utama untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal adalah penentuan konsentrasi produk akhir reaksi, serta penggunaan inhibitor. Mari kita lihat lebih dekat metode-metode ini.

Uji Penghambatan

Radikal sangat reaktif dan tidak dapat dipelajari menggunakan metode kimia konvensional: prosedur standar seperti kromatografi atau sentrifugasi sama sekali tidak berguna. Analisis biokimia memungkinkan untuk menentukan produk akhir dari reaksi yang melibatkan radikal, namun pertanyaannya adalah apakah radikal benar-benar berpartisipasi dalam proses tersebut dan yang mana. Apa yang disebut analisis penghambatan memainkan peran penting dalam memecahkan pertanyaan-pertanyaan tersebut.

Contoh klasiknya adalah penggunaan enzim superoksida dismutase (SOD). Enzim ini mengkatalisis reaksi (dismutasi) dua radikal superoksida untuk membentuk hidrogen peroksida dan oksigen molekuler. Jika penambahan SOD menghambat proses yang diteliti, ini berarti diperlukan radikal superoksida untuk terjadinya dan masih harus ditentukan reaksi mana yang melibatkan radikal tersebut.

Dapat dikatakan tanpa berlebihan bahwa kemajuan modern dalam mempelajari peran radikal bebas dalam kehidupan dan kematian sel, organ dan jaringan kita sebagian besar disebabkan oleh penemuan enzim superoksida dismutase (SOD) yang dibuat oleh I. Fridovich. dan McCord sekitar seperempat abad yang lalu. Enzim ini, sebagaimana telah disebutkan, mengkatalisis reaksi:
.OO- + .OO- + 2H+ => O2 + H2O

Dengan adanya enzim lain, katalase, hidrogen peroksida terurai membentuk oksigen dan air: H2O2 => O2 + H2O

Penemuan SOD merevolusi pikiran para ahli biokimia: karena terdapat enzim yang menghilangkan radikal bebas, yang secara khusus diproduksi oleh sel-sel hidup (dan ternyata tersebar luas di alam), jelas bahwa radikal itu sendiri ada di alam dan untuk beberapa alasan mereka diperlukan harus dihapus. Sebelumnya, hanya sedikit ahli biokimia yang menyadari bahwa tidak hanya molekul “nyata”, tetapi juga radikal bebas, berpartisipasi dalam metabolisme organisme hidup. Kemudian SOD dan katalase mulai digunakan secara luas dalam semua penelitian yang mempelajari peran superoksida dan hidrogen peroksida dalam proses tertentu, baik itu reaksi biokimia individu atau perkembangan penyakit pada hewan laboratorium atau manusia. Jika, misalnya, penambahan SOD secara tajam menghambat proses yang sedang dipelajari, maka radikal superoksida diperlukan untuk terjadinya hal tersebut, dan sekarang tinggal mencari tahu reaksi kimia apa yang melibatkan radikal ini. Jika prosesnya dihambat oleh katalase, berarti hidrogen peroksida yang diurai oleh enzim ini ikut terlibat.

Prinsip yang sama berlaku untuk penggunaan inhibitor lainnya. Jadi, untuk memperjelas peran radikal lipid, digunakan “perangkap” radikal yang larut dalam lemak, yang meliputi karotenoid dan tokoferol (vitamin E). Zat-zat ini bereaksi dengan radikal L· atau LOO·, memutus rantai oksidasi dan menghambat peroksidasi lipid. Hormon steroid dan tiroksin memiliki khasiat yang sama. Efek antioksidan dari zat ini juga dimanifestasikan dalam pengaruhnya terhadap kinetika chemiluminescence (lihat, misalnya, Gambar 3, B). Pemulung radikal sintetik, di-tert-butilhidroksitoluena (ionol), juga banyak digunakan.

Perangkap radikal lainnya tidak begitu spesifik, namun terkadang juga digunakan. Dengan demikian, radikal yang larut dalam air secara efektif “dicegat” oleh asam askorbat atau asam urat. Untuk “menangkap” radikal hidroksil (HO·), digunakan manitol atau asam benzoat, dan terkadang etanol. Untuk menentukan partisipasi dalam setiap proses reaksi oksidasi berantai lipid (lihat di bawah), digunakan “perangkap” radikal lipid yang larut dalam lemak, yang memimpin rantai oksidasi. Perangkap ini termasuk tokoferol (vitamin E) dan beberapa senyawa sintetis, seperti hidroksitoluena (ionol) tert-butilasi. Radikal yang larut dalam air secara efektif “dicegat” oleh asam askorbat atau asam urat. Mannitol atau asam benzoat, dan terkadang etanol, digunakan untuk “menangkap” radikal hidroksil (HO·). Namun harus dikatakan bahwa perangkap tidak selalu spesifik: banyak dari perangkap tersebut bereaksi tidak hanya dengan radikal, tetapi juga dengan molekul yang cukup aktif.

Metode resonansi paramagnetik elektron

Meskipun manfaat penelitian yang didasarkan pada studi produk molekuler dari reaksi radikal bebas dan analisis penghambatan tidak diragukan lagi, kemungkinan deteksi langsung reaksi radikal bebas dan studi langsung terhadap perubahan konsentrasinya selama proses yang diteliti tidak boleh diabaikan. . Saat ini, ada dua metode langsung untuk mendeteksi radikal: resonansi paramagnetik elektron (EPR) dan chemiluminescence (CL).

Gambar 6. Sinyal EPR dari beberapa radikal terbentuk di sel hidup.

Gambar 7. Mengukur radikal dalam sel aliran

Metode EPR memungkinkan untuk mempelajari radikal semikuinon dengan cukup andal, khususnya radikal ubiquinol dan tokoferol (lihat spektrum pada Gambar 6). Radikal spesies oksigen reaktif dan lipid biasanya tidak diamati secara langsung. Hanya dengan menggunakan metode pencampuran cepat dua larutan dengan aliran kontinu (lihat Gambar 7), sinyal EPR dari radikal lipid yang terbentuk selama penguraian hidroperoksida asam linoleat oleh ion Ce4+ dan Fe2+ dapat diamati, meskipun agak lemah, meskipun konsumsi reagennya sangat besar (Osipov, 1980 #594). Upaya untuk mendeteksi secara langsung oksigen atau radikal lipid dalam sistem biologis dengan EPR telah gagal karena konsentrasi sebagian besar radikal pada kondisi stabil, seperti oksigen atau radikal lipid, terlalu rendah dalam sistem biologis. Namun kesuksesan datang setelah dikembangkannya metode spin trap.

Putar perangkap

Terlepas dari semua kelebihan metode EPR, sensitivitasnya seringkali tidak cukup untuk mendeteksi radikal bebas, yang tidak hanya terbentuk dalam sampel yang diteliti, tetapi juga berpartisipasi dalam proses penting yang terjadi di dalamnya. Masalahnya terletak pada tingginya aktivitas kimia radikal. Dalam sistem biologis, laju pembentukan radikal oksigen atau radikal lipid dalam membran tidak begitu tinggi, namun laju hilangnya radikal ini sangat tinggi; Oleh karena itu, konsentrasi radikal pada waktu tertentu (yang disebut konsentrasi stasioner) seringkali sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi oleh EPR. Semakin aktif suatu radikal, semakin rendah konsentrasi stasionernya dan semakin kecil kemungkinannya untuk “terlihat” oleh EPR. Jalan keluarnya adalah radikal aktif diubah menjadi radikal tidak aktif dan stabil, yang dideteksi menggunakan EPR. Untuk tujuan ini, zat khusus yang disebut spin trap ditambahkan ke dalam sampel yang sedang dipelajari (misalnya, ke dalam suspensi sel, homogenat jaringan, atau larutan tempat terjadinya reaksi yang melibatkan radikal bebas) (meskipun zat tersebut “menangkap”, tentu saja, bukan putaran, tapi radikal). Misalnya, untuk “menangkap” radikal hidroksil dengan H2O. Fenilbutilnitrone (PBN) digunakan.

Angka 8. Fenilbutilnitron (PBN)

Ketika sebuah jebakan berinteraksi dengan radikal, radikal tersebut menempel pada jebakan tersebut dengan pembentukan radikal baru yang stabil, yang disebut “spin adduct” (dari kata bahasa Inggris add - add, lipat). Sinyal EPR dari hasil spin radikal yang berbeda bentuknya sedikit berbeda. Hal ini memungkinkan untuk mengidentifikasi radikal yang terbentuk dalam sistem yang diteliti. Gambar 8, di sebelah kiri, menunjukkan sinyal EPR dari hasil spin FBN dengan radikal OH, yang terbentuk selama penguraian hidrogen peroksida oleh ion besi divalen, dan di sebelah kanan, sinyal EPR dari hasil aduk yang sama yang terbentuk dengan adanya FBN selama interaksi hipoklorit dengan ion besi divalen.

Gambar 9. Sinyal EPR dari spin adduct terbentuk sebagai hasil penangkapan radikal hidroksil oleh perangkap PBN.

Untuk menangkap radikal lain (misalnya superoksida), perangkap lain digunakan. Karena spin trap “mencegat” radikal bebas, ia memperlambat (menghambat) proses yang disebabkan oleh radikal tersebut, misalnya, mengurangi kerusakan sel-sel hidup oleh radikal. DIA. Dengan demikian, spin trap digunakan untuk dua tujuan: untuk mengetahui radikal apa yang terbentuk dan proses apa di dalam sel yang ditimbulkannya.

Metode chemiluminescence

Metode yang efektif untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal adalah metode chemiluminescence (CL). Hal ini didasarkan pada kenyataan bahwa ketika radikal berinteraksi satu sama lain, banyak energi yang dilepaskan, yang dapat dipancarkan dalam bentuk foton (kuanta cahaya). Intensitas pendaran (CL) tersebut sebanding dengan laju reaksi yang melibatkan radikal dan, oleh karena itu, menunjukkan perubahan konsentrasinya selama proses yang diteliti. Hal ini akan dibahas lebih rinci dalam kuliah “Kemiluminesensi intrinsik (“cahaya ultra-lemah”) dalam sistem biologis.”

Studi kinetika reaksi

Reaksi yang melibatkan radikal bebas, terutama reaksi oksidasi berantai, sangat kompleks dan berlangsung melalui sejumlah tahapan yang berurutan. Dalam mempelajari mekanisme reaksi berantai, peran utama dimainkan oleh studi tentang kinetika proses; Dalam hal ini, pengukuran kinetika chemiluminescence memungkinkan seseorang untuk melihat secara langsung perubahan konsentrasi radikal dari waktu ke waktu, misalnya radikal lipid. Pengukuran paralel chemiluminescence, oksidasi ion besi dan akumulasi produk reaksi dalam suspensi mitokondria dan vesikel fosfolipid (liposom) memungkinkan untuk secara eksperimental menentukan konstanta laju reaksi utama oksidasi rantai radikal bebas lipid, seperti yang akan dibahas dalam lebih detail nanti.

Dengan berkembangnya ilmu kimia dan munculnya sejumlah besar senyawa kimia baru, kebutuhan akan pengembangan dan penerapan sistem penamaan yang dapat dipahami oleh para ilmuwan di seluruh dunia semakin meningkat, yaitu. . Di bawah ini kami memberikan gambaran tentang tata nama utama senyawa organik.

Nomenklatur sepele

Senyawa baru dikaitkan dengan asal mula perkembangan kimia organik remeh nama, yaitu nama-nama yang berkembang secara historis dan sering dikaitkan dengan cara memperolehnya, penampilan bahkan rasa, dll. Tata nama senyawa organik ini disebut sepele. Tabel di bawah ini menunjukkan beberapa senyawa yang masih mempertahankan namanya hingga saat ini.

Nomenklatur rasional

Dengan berkembangnya daftar senyawa organik, timbul kebutuhan untuk mengaitkan namanya dengan dasar tata nama rasional senyawa organik yaitu nama senyawa organik paling sederhana. Misalnya:

Namun, senyawa organik yang lebih kompleks tidak dapat diberi nama dengan cara ini. Dalam hal ini, senyawa harus diberi nama sesuai aturan tata nama sistematik IUPAC.

Tata nama sistematik IUPAC

IUPAC - Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan.

Dalam hal ini, ketika memberi nama senyawa, lokasi atom karbon dalam molekul dan elemen struktural harus diperhitungkan. Yang paling umum digunakan adalah tata nama substitusi senyawa organik, yaitu. dasar dasar molekul disorot, di mana atom hidrogen digantikan oleh unit struktural atau atom apa pun.

Sebelum Anda mulai membuat nama senyawa, kami menyarankan Anda mempelajari namanya awalan numerik, akar dan akhiran Digunakan dalam tata nama IUPAC.

Dan juga nama-nama gugus fungsi :

Angka digunakan untuk menunjukkan jumlah ikatan rangkap dan gugus fungsi:

Radikal hidrokarbon jenuh:

Radikal hidrokarbon tak jenuh:

Radikal hidrokarbon aromatik:

Aturan penyusunan nama senyawa organik menurut tata nama IUPAC:

1. Pilih rantai utama molekul

Identifikasi semua kelompok fungsional yang ada dan prioritasnya

Tentukan keberadaan banyak ikatan

1. Beri nomor pada rantai utama, dan penomoran harus dimulai dari ujung rantai yang paling dekat dengan kelompok tertinggi. Jika ada beberapa kemungkinan seperti itu, rantai tersebut diberi nomor sehingga ikatan rangkap atau substituen lain yang ada dalam molekul menerima nomor minimum.

Karbosiklik senyawa diberi nomor mulai dari atom karbon yang mempunyai gugus karakteristik tertinggi. Jika terdapat dua atau lebih substituen, mereka mencoba memberi nomor pada rantai tersebut sehingga substituen tersebut memiliki jumlah minimum.

1. Buat nama untuk koneksi:

— Tentukan dasar nama senyawa yang membentuk akar kata yang menyatakan hidrokarbon jenuh dengan jumlah atom yang sama dengan rantai utama.

— Setelah batang nama terdapat sufiks yang menunjukkan derajat kejenuhan dan jumlah ikatan rangkap. Misalnya, - tetraena, - diena. Jika tidak ada banyak koneksi, gunakan akhiran - sk.

- Kemudian, nama dirinya juga ditambahkan pada akhiran kelompok fungsional senior.

— Diikuti dengan daftar substituen menurut abjad, yang menunjukkan lokasinya dalam angka Arab. Misalnya, - 5-isobutil, - 3-fluoro. Jika terdapat beberapa substituen yang identik, nomor dan posisinya ditunjukkan, misalnya 2,5 - dibromo-, 1,4,8-trimetil-.

Harap dicatat bahwa angka dipisahkan dari kata dengan tanda hubung, dan antara satu sama lain dengan koma.

Sebagai contoh Mari beri nama pada koneksi berikut ini:

1. Pilih sirkuit utama, yang tentu saja mencakup kelompok senior– JUMLAH.

Mendefinisikan orang lain kelompok fungsional: - OH, - Cl, - SH, - NH 2.

Banyak koneksi TIDAK.

2. Beri nomor pada rangkaian utama, dimulai dengan kelompok yang lebih tua.

3. Jumlah atom pada rantai utama adalah 12. Dasar nama

10-amino-6-hidroksi-7-kloro-9-sulfanil-metil ester dari asam dodekanoat.

10-amino-6-hidroksi-7-kloro-9-sulfanil-metil dodekanoat

Tata nama isomer optik

1. Dalam beberapa golongan senyawa, seperti aldehida, hidroksi, dan asam amino, senyawa tersebut digunakan untuk menunjukkan posisi relatif substituen. D, L– tata nama. Surat D menunjukkan konfigurasi isomer dekstrorotatori, L- kidal.

Pada intinya D,L-Tata nama senyawa organik berdasarkan proyeksi Fischer:

• asam α-amino dan asam α-hidroksi mengisolasi "kunci asam oksi", mis. bagian atas rumus proyeksinya. Jika gugus hidroksil (amino) terletak di sebelah kanan, maka gugus tersebut adalah D-isomer, kiri L-isomer.

Misalnya, asam tartarat yang ditunjukkan di bawah ini memiliki D— konfigurasi sesuai dengan kunci asam oksi:

• untuk menentukan konfigurasi isomer gula mengisolasi "kunci gliserol", mis. bandingkan bagian bawah (atom karbon asimetris bawah) dari rumus proyeksi gula dengan bagian bawah rumus proyeksi gliseraldehida.

Penunjukan konfigurasi gula dan arah putarannya mirip dengan gliseraldehida, yaitu. D– konfigurasinya sesuai dengan lokasi gugus hidroksil yang terletak di sebelah kanan, L– konfigurasi – di sebelah kiri.

Misalnya di bawah ini adalah D-glukosa.

2) Tata nama R-, S (tata nama Kahn, Ingold dan Prelog)

Dalam hal ini, substituen pada atom karbon asimetris disusun berdasarkan senioritas. Isomer optik memiliki sebutan R Dan S, dan rasematnya adalah R.S..

Untuk menjelaskan konfigurasi koneksi menurut R,S-tata nama lanjutkan sebagai berikut:

1. Semua substituen pada atom karbon asimetris ditentukan.
2. Senioritas pengganti ditentukan, mis. bandingkan massa atomnya. Aturan untuk menentukan deret prioritas sama seperti saat menggunakan tata nama E/Z pada isomer geometri.
3. Substituen diorientasikan dalam ruang sehingga substituen terendah (biasanya hidrogen) terletak pada sudut terjauh dari pengamat.
4. Konfigurasinya ditentukan oleh lokasi substituen yang tersisa. Jika perpindahan dari senior ke tengah dan kemudian ke deputi junior (yaitu dalam urutan senioritas yang menurun) dilakukan searah jarum jam, maka ini konfigurasi R, berlawanan arah jarum jam adalah konfigurasi S.

Tabel di bawah ini menunjukkan daftar deputi, disusun berdasarkan senioritas:

Kuliah No.1

KONEKSI

1. Isomerisme struktural.

Kuliah No.1

KLASIFIKASI DAN NOMENKLATUR ORGANIK
KONEKSI

1. Klasifikasi senyawa organik.
2. Tata nama senyawa organik.
3. Isomerisme struktural.

1. Klasifikasi senyawa organik.

Senyawa organik diklasifikasikan menurut dua ciri utama: struktur
kerangka karbon dan gugus fungsi.

Berdasarkan struktur kerangka karbon, asiklik, karbosiklik dan
senyawa heterosiklik.

Senyawa asiklik– mengandung rantai atom karbon terbuka.

Senyawa karbosiklik– mengandung rantai karbon tertutup
atom dan dibagi menjadi alisiklik dan aromatik. KE alisiklik mencakup semua senyawa karbosiklik kecuali
aromatik. Aromatik senyawa mengandung sikloheksatriena
fragmen (cincin benzena).

Senyawa heterosiklik — mengandung siklus yang mengandung, bersama dengan atom karbon, satu
atau beberapa heteroatom.

Berdasarkan sifat gugus fungsinya, organik
koneksi dibagi menjadi kelas .

Tabel 1. Kelas utama organik
koneksi.

2. Tata nama bahan organik
koneksi.

Saat ini, hal ini diterima secara umum dalam kimia organik nomenklatur sistematis, dikembangkan Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan
(IUPAC). Selain itu, ada juga yang dilestarikan
digunakan remeh Dan rasional tata nama.

Nomenklatur sepele terdiri dari
dari nama-nama sejarah yang tidak mencerminkan komposisi dan struktur
zat. Mereka acak dan mencerminkan sumber alami dari zat tersebut
(asam laktat, urea, kafein), sifat khas (gliserin, mudah meledak
asam), metode pembuatan (asam piruvat, ester sulfat), nama
penemu (keton Michler, hidrokarbon Chichibabin), bidang aplikasi
(asam askorbat). Keuntungan dari nama sepele adalah mereka
singkatnya, jadi penggunaan beberapa di antaranya diperbolehkan oleh aturan
IUPAC.

Nomenklatur yang sistematis bersifat ilmiah dan mencerminkan komposisi, kimia, dan struktur spasial
koneksi. Nama senyawa dinyatakan dengan menggunakan kata majemuk, majemuk
bagian-bagiannya mencerminkan unsur-unsur tertentu dari struktur molekul suatu zat. DI DALAM
Aturan tata nama IUPAC didasarkan pada prinsip-prinsip penggantian
tata nama, yang menurutnya molekul senyawa dianggap sebagai
turunan hidrokarbon di mana atom hidrogen digantikan oleh atom lain atau
kelompok atom. Saat menyusun nama dalam molekul senyawa, berikut ini dibedakan:
elemen struktural.

Struktur orang tua– sirkuit utama
rantai karbon atau struktur siklik dalam karbo dan heterosiklik.

Radikal hidrokarbon- sisa
rumus penunjukan hidrokarbon dengan valensi bebas (lihat tabel
2).

Kelompok karakteristik –
kelompok fungsional yang terkait dengan atau termasuk dalam struktur induk
komposisi (lihat tabel 3).

Saat menyusun nama secara berurutan
ikuti aturan berikut.

1. Tentukan karakteristik tertinggi
   kelompok dan tunjukkan sebutannya di akhiran (lihat Tabel 3).
2. Tentukan struktur induk dengan
   kriteria berikut dalam urutan prioritas: a) berisi yang tertinggi
   kelompok karakteristik; b) berisi jumlah karakteristik maksimum
   kelompok; c) memuat jumlah maksimum beberapa obligasi; d) memiliki maksimum
   panjang. Struktur aslinya ditunjukkan pada akar nama sesuai dengan
   panjang rantai atau ukuran siklus: C 1 – “met”, C 2 – “eth”, C 3 – “prop”, C 4 – “tetapi”, C 5 dan selanjutnya – akar angka Yunani.
3. Tentukan derajat kejenuhan dan refleksikan
   ada di akhiran: “an” – tidak ada ikatan rangkap, “en” – ikatan rangkap, “in” –
   ikatan rangkap tiga.
4. Pasang substituen yang tersisa
   (radikal hidrokarbon dan kelompok karakteristik kecil) dan daftar
   nama mereka diawali menurut abjad.
5. Tetapkan awalan perkalian - “di”,
   "tiga", "tetra", menunjukkan jumlah elemen struktur yang identik (dengan
   daftar substituen dalam urutan abjad tidak diperhitungkan).
6. Beri nomor pada struktur aslinya
   sehingga kelompok karakteristik tertinggi mempunyai ordinal terkecil
   nomor. Lokant (angka) ditempatkan sebelum nama struktur induk, sebelumnya
   awalan dan sebelum akhiran.

Tabel 2. Nama alkana dan alkil
radikal yang diadopsi oleh nomenklatur sistematis IUPAC.

Alkana	Nama	Alkil radikal	Nama
bab 4	metana	bab 3 -	metil
CH 3 CH 3	Etana	CH 3 CH 2 —	Etil
CH 3 CH 2 CH 3	propana	CH 3 CH 2 CH 2 —	aku memotongnya
			Isopropil
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3	n-Butana	CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 —	n-Butil
			detik-Butil
	Isobutana		Isobutil
			tert-Butil
CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3	n-Pentana	CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 —	n-Pentil
	Isopentana		Isopentil
	Neopentana		Neopentil

Tabel 3. Nama-nama ciri
kelompok(tercantum dalam urutan senioritas).

* atom karbon,
diapit tanda kurung, merupakan bagian dari struktur induk.

** Kelompok alkoksi dan semuanya
yang mengikutinya diurutkan menurut abjad berdasarkan awalan dan tidak berurutan
senioritas.

Rasional (radikal-fungsional)
tata nama digunakan untuk nama mono- dan sederhana
senyawa bifungsional dan beberapa golongan senyawa alam. Dasarnya
nama adalah nama golongan senyawa tertentu atau salah satu anggotanya
deret homolog yang menunjukkan substituen. Sebagai pencari lokasi, sebagai suatu peraturan,
Huruf Yunani digunakan.

3. Isomerisme struktural.

Isomer- ini adalah zat yang memiliki komposisi dan molekul yang sama
massanya, tetapi sifat fisika dan kimianya berbeda. Perbedaan sifat isomer
karena perbedaan struktur kimia atau spasialnya.

Di bawah struktur kimia memahami sifat dan urutan koneksi
antar atom dalam suatu molekul. Isomer yang molekulnya berbeda secara kimia
struktur disebut isomer struktural.

Isomer struktural mungkin berbeda:

• oleh struktur kerangka karbon

• dengan posisi beberapa obligasi dan
  kelompok fungsional

• berdasarkan jenis gugus fungsi

Radikal bebas. Definisi, struktur, klasifikasi

Radikal bebas adalah spesies molekuler yang memiliki elektron tidak berpasangan pada orbital terluarnya dan memiliki reaktivitas kimia yang tinggi. Studi mereka dilakukan dengan menggunakan EPR (teknik spin trapping), chemiluminescence, dan penghambat reaksi, yang melibatkan jenis radikal tertentu. Radikal utama yang diproduksi dalam tubuh kita adalah radikal oksigen (radikal superoksida dan hidroksil), nitrogen monoksida, radikal asam lemak tak jenuh, semikuinon yang terbentuk dalam reaksi reduksi oksidatif (misalnya ubiquinol). Berbagai radikal juga terbentuk di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan selama metabolisme beberapa senyawa tidak alami (xenobiotik), termasuk beberapa zat yang sebelumnya digunakan sebagai obat.

Apa itu radikal bebas?

Diketahui bahwa dalam molekul organik (termasuk yang menyusun tubuh kita), elektron pada kulit elektron terluar tersusun berpasangan: satu pasangan di setiap orbital (Gbr. 1)

Radikal bebas berbeda dari molekul biasa karena mereka memiliki elektron tidak berpasangan (tunggal) pada kulit elektron terluar (Gbr. 2 dan 3).

Elektron yang tidak berpasangan pada radikal biasanya dilambangkan dengan titik. Misalnya, radikal hidroksil diberi nama HO·, radikal hidrogen peroksida diberi nama HOO·, radikal superoksida diberi nama ·OO- atau O2·-. Di bawah ini adalah rumus tiga radikal etil alkohol: CH3CH2O·; CH3·CHOH; CH3CH2O

Jadi:
Radikal bebas adalah partikel – atom atau molekul yang memiliki satu atau lebih elektron tidak berpasangan pada kulit terluarnya.

Hal ini menjadikan radikal aktif secara kimia, karena radikal berusaha mendapatkan kembali elektron yang hilang dengan mengambilnya dari molekul di sekitarnya, atau membuang elektron “ekstra” dengan memberikannya ke molekul lain.

Molekul oksigen (dioksigen), yang mengandung sebanyak dua elektron tidak berpasangan pada kulit terluarnya, berada pada posisi khusus. Jadi, dioksigen bersifat diradikal dan, seperti radikal lainnya, sangat reaktif.

Penting untuk ditekankan bahwa elektron yang tidak berpasangan harus berada di kulit terluar atom atau molekul. Konsep radikal bebas tidak mencakup ion logam dengan valensi variabel, yang elektronnya tidak berpasangan terletak di kulit bagian dalam. Karena radikal dan ion logam seperti besi, tembaga atau mangan (serta kompleks logam-logam ini) menghasilkan sinyal resonansi paramagnetik elektron (EPR), partikel-partikel ini bersama-sama sering disebut pusat paramagnetik.

Dengan demikian, pembentukan radikal dari molekul stabil disebabkan oleh munculnya elektron baru dalam orbital valensi bebas atau, sebaliknya, oleh pelepasan satu elektron dari suatu pasangan elektron. Proses ini biasanya terjadi sebagai akibat dari reaksi oksidasi atau reduksi satu elektron. Reaksi seperti itu biasanya melibatkan, bersama dengan molekul asal radikular, ion logam dengan valensi variabel, yang berfungsi sebagai donor atau akseptor satu elektron (dan bukan dua elektron sekaligus, seperti yang terjadi dalam reaksi antara dua molekul organik atau antara molekul organik dan oksigen). Contoh khas reaksi yang menghasilkan radikal adalah reaksi Fenton: interaksi hidrogen peroksida dengan ion besi:
Fe2+ ​​+ H2O2 => Fe3+ + OH- + ·OH (radikal hidroksil)

Pada suhu tinggi atau di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, radikal juga dapat terbentuk akibat putusnya ikatan kimia (pembelahan homolitik). Dalam kondisi normal, reaksi seperti itu praktis tidak terjadi pada sel hidup normal.

Nomenklatur radikal

Baru-baru ini, Komisi Tata Nama Kimia Anorganik merumuskan aturan dasar tata nama radikal (lihat (Koppenol, 1990 #7)) (Tabel 1).

Mari kita lihat beberapa rekomendasi ini. Pertama-tama, tidak perlu menulis “bebas” sebelum kata radikal. Sifat radikal partikel yang dimaksud ditunjukkan dengan akhiran “il”. Dengan demikian, radikal RO· dan HO· masing-masing diberi nama "alkoksil" dan "hidroksil".

Rekomendasi untuk tidak menyalahgunakan turunan “peroksida” dan “hidroperoksida” dapat dianggap sebagai hal yang sangat baru. Sekelompok dua atom oksigen yang terikat bersama disebut "dioksida". Oleh karena itu, dianjurkan untuk menyebut radikal ROO· "alkyldioxyl" (Koppenol, 1990 #7). Nama alternatif “alkylperoxyl” juga dapat dipertahankan, namun ini lebih buruk (Koppenol, 1990 #7). Oksigen molekuler disebut "dioksigen" dan ozon disebut "trioksigen".

Nama dengan akhiran "il" sangat cocok, tetapi tidak menunjukkan apa pun tentang muatan partikel tersebut. Oleh karena itu, jika diperlukan, disarankan untuk menggunakan nama sistematis radikal, di mana setelah nama golongan, muatannya diberi tanda kurung. Misalnya, radikal O 2 ·- diberi nama “dioksida (1-)”. Dalam tulisan ini, kita akan menggunakan nama pendek “dioksida”. Saat menulis rumus radikal dalam superskrip, pertama-tama kita akan menempatkan sebuah titik yang menunjukkan adanya elektron tidak berpasangan dalam atom tertentu, dan kemudian tanda muatan ion. Misalnya "O 2 ·- ". Dalam rumus struktur, titik harus ditempatkan tepat pada atom tempat elektron tidak berpasangan berada. Misalnya, untuk menekankan bahwa dioksigen memiliki dua elektron tidak berpasangan, rumusnya dapat ditulis sebagai berikut: "O 2". Tabel 1 memberikan daftar nama radikal yang direkomendasikan; dalam tanda kurung siku adalah judul-judul yang terutama akan digunakan dalam buku ini.

Radikal ditemukan di tubuh kita

Radikal primer dan molekul reaktif

Semua radikal yang terbentuk di dalam tubuh kita dapat dibedakan menjadi alami dan asing. Pada gilirannya, radikal alami dapat dibagi menjadi primer, sekunder dan tersier (Vladimirov, 1998 #8). (Lihat diagram pada Gambar 4).

Radikal primer dapat disebut radikal, yang pembentukannya dilakukan dengan partisipasi sistem enzim tertentu. Pertama-tama, ini termasuk radikal (semikuinon) yang terbentuk dalam reaksi pembawa elektron seperti koenzim Q (kami menyatakan radikal sebagai Q·) dan flavoprotein. Dua radikal lainnya, superoksida (·OO -) dan nitrogen monoksida (·NO), juga mempunyai fungsi yang bermanfaat bagi tubuh, yang akan dibahas lebih rinci di bagian terkait.

Dari radikal primer - superoksida, serta sebagai hasil reaksi lain, senyawa molekul yang sangat aktif terbentuk di dalam tubuh: hidrogen peroksida, hipoklorit, dan lipid hidroperoksida (lihat Gambar 5). Molekul semacam itu, bersama dengan radikal, menerima nama “spesies reaktif” dalam literatur Inggris, yang dalam literatur Rusia paling sering diterjemahkan sebagai “bentuk aktif”. Untuk membedakan antara radikal dan produk molekuler, kami mengusulkan untuk menyebut produk tersebut sebagai “molekul reaktif”. Dengan demikian, terminologi berikut diusulkan:

Bentuk aktif = radikal bebas + molekul reaktif

Halliwell menyarankan istilah spesies oksigen reaktif, nitrogen dan klorin (Halliwell, 1998 #9). Seperti yang dapat dilihat dari diagram pada Gambar. 5, spesies oksigen reaktif termasuk superoksida, radikal hidroksil, hidrogen peroksida dan oksigen singlet. Nitrogen oksida dan hasil interaksinya dengan superoksida - peroksinitrit - diusulkan untuk disebut bentuk aktif nitrogen. Bentuk aktif klorin dapat disebut hipoklorit, terbentuk dari reaksi hidrogen peroksida dengan ion klorida, yang dikatalisis oleh enzim mieloperoksidase.

Dalam terminologi yang muncul saat ini, perlu untuk menemukan tempat bagi radikal dan hidroperoksida dari asam lemak tak jenuh ganda, yang terbentuk dalam reaksi yang sangat penting dari oksidasi berantai lipid. Dari sudut pandang kimia, ini adalah kelompok heterogen. Ketika atom hidrogen dihilangkan dari molekul asam lemak tak jenuh ganda, radikal alkid terbentuk, di mana elektron tidak berpasangan terlokalisasi pada atom karbon. Ini seperti “bentuk karbon aktif”. Tetapi dengan interaksi lebih lanjut dari radikal alkil dengan dioksigen (molekul oksigen), radikal dioksida terbentuk dengan elektron tidak berpasangan yang terlokalisasi pada atom oksigen. Dalam strukturnya, dan sebagian dalam sifat-sifatnya, radikal semacam itu menyerupai superoksida, dan dapat diklasifikasikan sebagai bentuk oksigen aktif, seperti yang dilakukan oleh beberapa penulis. Hidroperoksida asam lemak tak jenuh yang terbentuk selama peroksidasi lipid juga dapat diklasifikasikan sebagai bentuk aktif dalam kategori ini, dengan analogi dengan hidrogen peroksida. Kemudian radikal alkoksil lipid, yang terbentuk selama reduksi satu elektron hidroperoksida, misalnya dengan ion Fe 2+, juga termasuk dalam kategori ini; sebenarnya, ini adalah homolog dari radikal hidroksil.

Terlepas dari semua hal di atas, kami mengusulkan untuk menggabungkan semua produk (dan reagen) oksidasi berantai lipid yang terdaftar dalam satu istilah: bentuk lipid aktif. Bagi seorang ahli biologi dan dokter, yang lebih penting bukanlah atom mana yang memiliki elektron tidak berpasangan, tetapi molekul mana yang menjadi agresif secara kimia, yaitu memperoleh ciri-ciri radikal bebas atau prekursor reaktifnya. Jadi, kami memasukkan radikal alkil, alkoksi dan dioksida sebagai bentuk aktif lipid. serta hidroperoksida dari asam lemak tak jenuh ganda dan rantai fosfolipid, trigliserida, atau kolesterol yang sesuai (lihat Gambar 5).

Radikal sekunder dan tersier

Molekul reaktif: hidrogen peroksida, lipid hidroperoksida, peroksinitrit, terbentuk dalam reaksi, salah satu partisipannya dalam banyak kasus adalah radikal, dan terkadang dioksigen, yang, bagaimanapun, juga memiliki elektron tidak berpasangan pada kulit elektron terluar. Pada gilirannya, molekul-molekul ini, dan bersama dengan hipoklorit, mudah membentuk radikal dengan adanya ion logam dengan valensi variabel, terutama ion besi divalen. Kami akan menyebut radikal seperti itu sebagai hal sekunder; ini termasuk radikal hidroksil dan radikal lipid. Radikal sekunder, tidak seperti radikal primer, terbentuk dalam reaksi non-enzimatik dan, sejauh yang diketahui saat ini, tidak menjalankan fungsi yang berguna secara fisiologis. Sebaliknya, mereka memiliki efek merusak pada struktur sel dan dapat disebut sebagai radikal berbahaya. Pembentukan radikal sekunder (dan bukan radikal pada umumnya) yang mengarah pada perkembangan kondisi patologis dan mendasari karsinogenesis, aterosklerosis, peradangan kronis dan penyakit saraf degeneratif (lihat ulasan (Cross, 1987 #4)(Cross, 1994 #5 )(Darley-Usmar, 1995 #10 (Darley-Usmar, 1996 #11)). Namun, molekul reaktif juga memiliki efek sitotoksik, tidak hanya karena pembentukan radikal bebas darinya, tetapi juga secara langsung, seperti yang telah dibuktikan pada peroksinitrit dan hipoklorit, dan dalam beberapa situasi pada hidrogen peroksida.

Untuk melindungi terhadap efek merusak dari radikal sekunder, tubuh menggunakan sekelompok besar zat yang disebut antioksidan, termasuk pemulung radikal bebas. Contoh yang terakhir adalah alfa-tokoferol, tiroksin, tereduksi ubiquinon (QH 2) dan hormon steroid wanita. Bereaksi dengan radikal lipid, zat ini sendiri diubah menjadi radikal antioksidan, yang dapat dianggap sebagai radikal tersier (lihat Gambar 3).

Selain radikal-radikal ini, yang terus-menerus terbentuk dalam jumlah yang berbeda-beda di dalam sel dan jaringan tubuh kita, radikal-radikal yang muncul di bawah pengaruh seperti radiasi pengion, penyinaran ultraviolet, atau bahkan penerangan dengan cahaya tampak yang intens, seperti sinar laser, dapat mempunyai efek yang merugikan. efek destruktif. Radikal seperti ini bisa disebut asing. Ini juga termasuk radikal yang terbentuk dari senyawa asing dan xenobiotik yang masuk ke dalam tubuh, banyak di antaranya memiliki efek toksik justru karena radikal bebas yang terbentuk selama metabolisme senyawa tersebut (Gbr. 3).

Bagaimana radikal bebas dan reaksi yang terlibat di dalamnya dipelajari?

Metode dasar untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal

Partisipasi radikal bebas dalam proses tertentu, baik itu reaksi kimia dalam tabung reaksi atau perkembangan kondisi patologis dalam tubuh, dapat dinilai dengan menggunakan metode langsung dan tidak langsung (, hlm. 19-32). Metode "paling langsung" untuk mempelajari radikal bebas adalah metode resonansi paramagnetik elektron (EPR). Dengan keberadaan, amplitudo, dan bentuk sinyal EPR (spektra), seseorang dapat menilai keberadaan elektron tidak berpasangan dalam sampel, menentukan konsentrasinya, dan terkadang mengetahui struktur kimia radikal yang dikandung elektron tidak berpasangan tersebut. Metode langsung untuk mempelajari radikal juga mencakup metode chemiluminescence (CL). Ketika radikal berinteraksi satu sama lain, banyak energi yang dilepaskan, yang dalam beberapa kasus dipancarkan dalam bentuk foton (kuanta cahaya). Intensitas pendaran (CL) tersebut sebanding dengan laju reaksi yang melibatkan radikal dan, akibatnya, dengan konsentrasinya.

Metode tidak langsung utama untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal adalah penentuan konsentrasi produk akhir reaksi, serta penggunaan inhibitor. Mari kita lihat lebih dekat metode-metode ini.

Uji Penghambatan

Radikal sangat reaktif dan tidak dapat dipelajari menggunakan metode kimia konvensional: prosedur standar seperti kromatografi atau sentrifugasi sama sekali tidak berguna. Analisis biokimia memungkinkan untuk menentukan produk akhir dari reaksi yang melibatkan radikal, namun pertanyaannya adalah apakah radikal benar-benar berpartisipasi dalam proses tersebut dan yang mana. Apa yang disebut analisis penghambatan memainkan peran penting dalam memecahkan pertanyaan-pertanyaan tersebut.

Contoh klasiknya adalah penggunaan enzim superoksida dismutase (SOD). Enzim ini mengkatalisis reaksi (dismutasi) dua radikal superoksida untuk membentuk hidrogen peroksida dan oksigen molekuler. Jika penambahan SOD menghambat proses yang diteliti, ini berarti diperlukan radikal superoksida untuk terjadinya dan masih harus ditentukan reaksi mana yang melibatkan radikal tersebut.
Dapat dikatakan tanpa berlebihan bahwa kemajuan modern dalam mempelajari peran radikal bebas dalam kehidupan dan kematian sel, organ dan jaringan kita sebagian besar disebabkan oleh penemuan enzim superoksida dismutase (SOD) yang dibuat oleh I. Fridovich. dan McCord sekitar seperempat abad yang lalu. Enzim ini, sebagaimana telah disebutkan, mengkatalisis reaksi:
. OO - + . OO - + 2H + => O 2 + H 2 O
Dengan adanya enzim lain, katalase, hidrogen peroksida terurai menghasilkan oksigen dan air:
H 2 O 2 => O 2 + H 2 O

Penemuan SOD merevolusi pikiran para ahli biokimia: karena terdapat enzim yang menghilangkan radikal bebas, yang secara khusus diproduksi oleh sel-sel hidup (dan ternyata tersebar luas di alam), jelas bahwa radikal itu sendiri ada di alam dan untuk beberapa alasan mereka diperlukan harus dihapus. Sebelumnya, hanya sedikit ahli biokimia yang menyadari bahwa tidak hanya molekul “nyata”, tetapi juga radikal bebas, berpartisipasi dalam metabolisme organisme hidup. Kemudian SOD dan katalase mulai digunakan secara luas dalam semua penelitian yang mempelajari peran superoksida dan hidrogen peroksida dalam proses tertentu, baik itu reaksi biokimia individu atau perkembangan penyakit pada hewan laboratorium atau manusia. Jika, misalnya, penambahan SOD secara tajam menghambat proses yang sedang dipelajari, maka radikal superoksida diperlukan untuk terjadinya hal tersebut, dan sekarang tinggal mencari tahu reaksi kimia apa yang melibatkan radikal ini. Jika prosesnya dihambat oleh katalase, berarti hidrogen peroksida yang diurai oleh enzim ini ikut terlibat.

Prinsip yang sama berlaku untuk penggunaan inhibitor lainnya. Jadi, untuk memperjelas peran radikal lipid, digunakan “perangkap” radikal yang larut dalam lemak, yang meliputi karotenoid dan tokoferol (vitamin E). Zat-zat ini bereaksi dengan radikal L· atau LOO·, memutus rantai oksidasi dan menghambat peroksidasi lipid. Hormon steroid dan tiroksin memiliki khasiat yang sama. Efek antioksidan dari zat ini juga dimanifestasikan dalam pengaruhnya terhadap kinetika chemiluminescence (lihat, misalnya, Gambar 3, B). Pemulung radikal sintetik, di-tert-butilhidroksitoluena (ionol), juga banyak digunakan.

Perangkap radikal lainnya tidak begitu spesifik, namun terkadang juga digunakan. Dengan demikian, radikal yang larut dalam air secara efektif “dicegat” oleh asam askorbat atau asam urat. Untuk “menangkap” radikal hidroksil (HO·), digunakan manitol atau asam benzoat, dan terkadang etanol. Untuk menentukan partisipasi dalam setiap proses reaksi oksidasi berantai lipid (lihat di bawah), digunakan “perangkap” radikal lipid yang larut dalam lemak, yang memimpin rantai oksidasi. Perangkap ini termasuk tokoferol (vitamin E) dan beberapa senyawa sintetis, seperti hidroksitoluena (ionol) tert-butilasi. Radikal yang larut dalam air secara efektif “dicegat” oleh asam askorbat atau asam urat. Mannitol atau asam benzoat, dan terkadang etanol, digunakan untuk “menangkap” radikal hidroksil (HO·). Namun harus dikatakan bahwa perangkap tidak selalu spesifik: banyak dari perangkap tersebut bereaksi tidak hanya dengan radikal, tetapi juga dengan molekul yang cukup aktif.

Metode resonansi paramagnetik elektron

Meskipun manfaat penelitian yang didasarkan pada studi produk molekuler dari reaksi radikal bebas dan analisis penghambatan tidak diragukan lagi, kemungkinan deteksi langsung reaksi radikal bebas dan studi langsung terhadap perubahan konsentrasinya selama proses yang diteliti tidak boleh diabaikan. .
Saat ini, ada dua metode langsung untuk mendeteksi radikal: resonansi paramagnetik elektron (EPR) dan chemiluminescence (CL).

Metode EPR memungkinkan untuk mempelajari radikal semikuinon dengan cukup andal, khususnya radikal ubiquinol dan tokoferol (lihat spektrum pada Gambar 6). Radikal spesies oksigen reaktif dan lipid biasanya tidak diamati secara langsung. Hanya dengan menggunakan metode pencampuran cepat dua larutan dengan aliran kontinu (lihat Gambar 7), sinyal ESR dari radikal lipid yang terbentuk selama dekomposisi hidroperoksida asam linoleat oleh ion Ce 4+ dan Fe 2+ dapat diamati, meskipun agak lemah, meskipun biaya reagennya sangat besar (Osipov, 1980 #594). Upaya untuk mendeteksi secara langsung oksigen atau radikal lipid dalam sistem biologis dengan EPR telah gagal karena konsentrasi sebagian besar radikal pada kondisi stabil, seperti oksigen atau radikal lipid, terlalu rendah dalam sistem biologis. Namun kesuksesan datang setelah dikembangkannya metode spin trap.

Putar perangkap

Terlepas dari semua kelebihan metode EPR, sensitivitasnya seringkali tidak cukup untuk mendeteksi radikal bebas, yang tidak hanya terbentuk dalam sampel yang diteliti, tetapi juga berpartisipasi dalam proses penting yang terjadi di dalamnya. Masalahnya terletak pada tingginya aktivitas kimia radikal. Dalam sistem biologis, laju pembentukan radikal oksigen atau radikal lipid dalam membran tidak begitu tinggi, namun laju hilangnya radikal ini sangat tinggi; Oleh karena itu, konsentrasi radikal pada waktu tertentu (yang disebut konsentrasi stasioner) seringkali sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi oleh EPR. Semakin aktif suatu radikal, semakin rendah konsentrasi stasionernya dan semakin kecil kemungkinannya untuk “terlihat” oleh EPR. Jalan keluarnya adalah radikal aktif diubah menjadi radikal tidak aktif dan stabil, yang dideteksi menggunakan EPR. Untuk tujuan ini, zat khusus yang disebut spin trap ditambahkan ke dalam sampel yang sedang dipelajari (misalnya, ke dalam suspensi sel, homogenat jaringan, atau larutan tempat terjadinya reaksi yang melibatkan radikal bebas) (meskipun zat tersebut “menangkap”, tentu saja, bukan putaran, tapi radikal). Misalnya untuk “menangkap” radikal hidroksil H2O. Fenilbutilnitrone (PBN) digunakan.

Ketika sebuah jebakan berinteraksi dengan radikal, radikal tersebut menempel pada jebakan tersebut dengan pembentukan radikal baru yang stabil, yang disebut “spin adduct” (dari kata bahasa Inggris add - add, lipat). Sinyal EPR dari hasil spin radikal yang berbeda bentuknya sedikit berbeda. Hal ini memungkinkan untuk mengidentifikasi radikal yang terbentuk dalam sistem yang diteliti. Gambar 8, di sebelah kiri, menunjukkan sinyal EPR dari hasil spin FBN dengan radikal OH, yang terbentuk selama penguraian hidrogen peroksida oleh ion besi divalen, dan di sebelah kanan, sinyal EPR dari hasil aduk yang sama yang terbentuk dengan adanya FBN selama interaksi hipoklorit dengan ion besi divalen.

Untuk menangkap radikal lain (misalnya superoksida), perangkap lain digunakan. Karena spin trap “mencegat” radikal bebas, ia memperlambat (menghambat) proses yang disebabkan oleh radikal tersebut, misalnya, mengurangi kerusakan sel-sel hidup oleh radikal. DIA. Dengan demikian, spin trap digunakan untuk dua tujuan: untuk mengetahui radikal apa yang terbentuk dan proses apa di dalam sel yang ditimbulkannya.

Metode chemiluminescence

Metode yang efektif untuk mempelajari reaksi yang melibatkan radikal adalah metode chemiluminescence (CL). Hal ini didasarkan pada kenyataan bahwa ketika radikal berinteraksi satu sama lain, banyak energi yang dilepaskan, yang dapat dipancarkan dalam bentuk foton (kuanta cahaya). Intensitas pendaran (CL) tersebut sebanding dengan laju reaksi yang melibatkan radikal dan, oleh karena itu, menunjukkan perubahan konsentrasinya selama proses yang diteliti. Hal ini akan dibahas lebih rinci dalam kuliah “Kemiluminesensi intrinsik (“cahaya ultra-lemah”) dalam sistem biologis.”

Studi kinetika reaksi

Reaksi yang melibatkan radikal bebas, terutama reaksi oksidasi berantai, sangat kompleks dan berlangsung melalui sejumlah tahapan yang berurutan. Dalam mempelajari mekanisme reaksi berantai, peran utama dimainkan oleh studi tentang kinetika proses; Dalam hal ini, pengukuran kinetika chemiluminescence memungkinkan seseorang untuk melihat secara langsung perubahan konsentrasi radikal dari waktu ke waktu, misalnya radikal lipid. Pengukuran paralel chemiluminescence, oksidasi ion besi dan akumulasi produk reaksi dalam suspensi mitokondria dan vesikel fosfolipid (liposom) memungkinkan untuk secara eksperimental menentukan konstanta laju reaksi utama oksidasi rantai radikal bebas lipid.