Cheminių medžiagų su radikalais pavadinimas. Laisvieji radikalai

Laisvieji radikalai yra molekulinės rūšys, turinčios nesusijusius elektronus išorinėse orbitose ir pasižyminčios dideliu cheminiu reaktyvumu. Jų tyrimas atliekamas naudojant EPR (sukimosi gaudymo techniką), chemiliuminescenciją ir reakcijų inhibitorius, kuriuose dalyvauja tam tikro tipo radikalai. Pagrindiniai mūsų organizme gaminami radikalai yra deguonies radikalai (superoksido ir hidroksilo radikalai), azoto monoksidas, nesočiųjų riebalų rūgščių radikalai, oksidacinės-redukcijos reakcijose susidarantys semichinonai (pvz., ubichinolis). Įvairūs radikalai taip pat susidaro veikiant ultravioletiniams spinduliams ir kai kurių nenatūralių junginių (ksenobiotikų), įskaitant kai kurias medžiagas, anksčiau naudotas kaip vaistai, metabolizmo eigoje.

Kas yra laisvieji radikalai?

1 pav. Metanolio molekulės elektroninė struktūra

2 pav.Metanolio radikalo elektroninė struktūra

Gerai žinoma, kad organinėse molekulėse (įskaitant tas, kurios sudaro mūsų kūną) elektronai išoriniame elektronų apvalkale yra išsidėstę poromis: po vieną porą kiekvienoje orbitoje (1 pav.)

Laisvieji radikalai nuo įprastų molekulių skiriasi tuo, kad išoriniame elektronų apvalkale turi neporinį (vieną) elektroną (2 ir 3 pav.).

Nesuporuotas elektronas radikaluose paprastai žymimas tašku. Pavyzdžiui, hidroksilo radikalas žymimas HO·, vandenilio peroksido radikalas HOO·, superoksido radikalas ·OO- arba O2·-. Žemiau pateikiamos trijų etilo alkoholio radikalų formulės: CH3CH2O·; CH3·CHOH; CH3CH2O

Taigi:
Laisvasis radikalas yra dalelė – atomas arba molekulė, kurios išoriniame apvalkale yra vienas ar daugiau nesuporuotų elektronų.

Tai daro radikalus chemiškai aktyvius, nes radikalas siekia arba susigrąžinti trūkstamą elektroną, pašalindamas jį iš aplinkinių molekulių, arba atsikratyti „papildomo“ elektrono, atiduodamas jį kitoms molekulėms.

Deguonies molekulė (dioksidas), kurios išoriniame apvalkale yra net du nesuporuoti elektronai, atsiduria ypatingoje padėtyje. Taigi, dioksidas yra diradikalas ir, kaip ir kiti radikalai, yra labai reaktyvus.

3 pav. Kai kurių molekulių ir radikalų elektroninė struktūra

Svarbu pabrėžti, kad nesuporuoti elektronai turi būti išoriniame atomo arba molekulės apvalkale. Laisvojo radikalo sąvoka neapima kintamo valentingumo metalo jonų, kurių nesuporuoti elektronai yra vidiniuose apvalkaluose. Kadangi ir metalų, tokių kaip geležis, varis ar manganas, radikalai ir jonai (taip pat šių metalų kompleksai) gamina elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) signalus, šios dalelės kartu dažnai vadinamos paramagnetiniais centrais.

Taigi radikalų susidarymą iš stabilių molekulių sukelia naujo elektrono atsiradimas laisvoje valentinėje orbitoje arba, atvirkščiai, vieno elektrono pašalinimas iš elektronų poros. Šie procesai dažniausiai vyksta dėl vieno elektrono oksidacijos arba redukcijos reakcijų. Tokios reakcijos paprastai apima kartu su molekule, iš kurios susidaro radikulas, kintamo valentingumo metalo joną, kuris yra vieno elektrono donoras arba akceptorius (o ne dviejų iš karto, kaip vyksta reakcijose tarp dviejų organinių molekulių arba tarp organinė molekulė ir deguonis). Tipiškas reakcijos, kurios metu susidaro radikalas, pavyzdys yra Fentono reakcija: vandenilio peroksido sąveika su dvivalenčiu geležies jonu:
Fe2++H2O2 => Fe3+ + OH- + ·OH (hidroksilo radikalas)

Esant aukštai temperatūrai arba veikiant ultravioletinei spinduliuotei, radikalai taip pat gali susidaryti dėl cheminės jungties plyšimo (homolitinio skilimo). Normaliomis sąlygomis normaliose gyvose ląstelėse tokios reakcijos praktiškai nevyksta.

Radikalų nomenklatūra

Palyginti neseniai Neorganinės chemijos nomenklatūros komisija suformulavo pagrindines radikalų nomenklatūros taisykles (žr. (Koppenol, 1990 #7)) (1 lentelė).

1 lentelė. Kai kurių radikalų ir molekulių pavadinimai pagal Neorganinės chemijos nomenklatūros komisijos rekomendacijas (1990).

Pažvelkime į kai kurias iš šių rekomendacijų. Visų pirma, prieš žodį radikalus nereikia rašyti „laisvas“. Nagrinėjamos dalelės radikalumą nurodo galūnė „il“. Taigi radikalai RO· ir HO· yra atitinkamai pavadinti „alkoksilu“ ir „hidroksilu“.

Rekomendacija nepiktnaudžiauti „peroksido“ ir „hidroperoksido“ dariniais gali būti laikoma gerokai nauja. Dviejų deguonies atomų grupė, sujungta kartu, vadinama „dioksidu“. Atitinkamai, radikalą ROO· rekomenduojama vadinti „alkildioksilu“ (Koppenol, 1990 #7). Alternatyvus pavadinimas „alkilperoksilas“ taip pat gali būti paliktas, tačiau tai yra blogiau (Koppenol, 1990 #7). Molekulinis deguonis vadinamas „dioksinu“, o ozonas – „trideguonimi“.

Pavadinimas su galūne „il“ yra labai patogus, tačiau jis nieko nenurodo, koks yra dalelės krūvis. Todėl būtinais atvejais rekomenduojama vartoti sisteminį radikalo pavadinimą, kur po grupės pavadinimo skliausteliuose pateikiamas krūvis. Pavyzdžiui, radikalas O2·- turi pavadinimą „dioksidas (1-)“. Šiame darbe vartosime trumpesnį pavadinimą „dioksidas“. Rašant radikalų formules viršutiniame indekse, pirmiausia dedamas taškas, nurodantis, kad tam tikrame atome yra nesuporuotas elektronas, o tada – jono krūvio ženklas. Pavyzdžiui "O2·-". Struktūrinėse formulėse taškas turi būti tiksliai tame atome, kuriame yra nesuporuotas elektronas. Pavyzdžiui, norėdami pabrėžti, kad dioksidas turi du nesuporuotus elektronus, jo formulę galite parašyti taip: „O2“. 1 lentelėje pateikiamas rekomenduojamų radikalių pavadinimų sąrašas; laužtiniuose skliaustuose yra pavadinimai, kurie pirmiausia bus naudojami šioje knygoje.

Radikalai, randami mūsų kūne

Pirminiai radikalai ir reaktyviosios molekulės

Visi mūsų organizme susidarę radikalai gali būti skirstomi į natūralius ir svetimus. Savo ruožtu natūralūs radikalai gali būti skirstomi į pirminius, antrinius ir tretinius (Vladimirov, 1998 #8). (Žr. schemą 4 pav.).

4 pav. Mūsų organizme susidariusių laisvųjų radikalų klasifikacija

Pirminiai radikalai gali būti vadinami radikalais, kurių susidarymas vyksta dalyvaujant tam tikroms fermentų sistemoms. Visų pirma, tai apima radikalus (semichinonus), susidarančius vykstant tokių elektronų nešėjų, kaip kofermentas Q (radikalą žymime Q·) ir flavoproteinų reakcijose. Naudingas organizmui funkcijas atlieka ir kiti du radikalai – superoksidas (·OO-) ir azoto monoksidas (·NO), apie kuriuos plačiau bus kalbama atitinkamuose skyriuose.

Iš pirminio radikalo – superoksido, kaip ir dėl kitų reakcijų organizme susidaro labai aktyvūs molekuliniai junginiai: vandenilio peroksidas, hipochloritas ir lipidų hidroperoksidai (žr. 5 pav.). Tokios molekulės kartu su radikalais anglų literatūroje gavo pavadinimą „reaktyvios rūšys“, kuri rusų literatūroje dažniausiai verčiama kaip „aktyvios formos“. Norėdami atskirti radikalus ir molekulinius produktus, pastaruosius siūlome vadinti „reaktyviosiomis molekulėmis“. Taigi siūloma tokia terminija:

Aktyvios formos = laisvieji radikalai + reaktyvios molekulės

Halliwell siūlo terminus reaktyviosios deguonies rūšys, azotas ir chloras (Halliwell, 1998 #9). Kaip matyti iš diagramos pav. 5, reaktyviosios deguonies rūšys yra superoksidas, hidroksilo radikalas, vandenilio peroksidas ir vienkartinis deguonis. Azoto oksidą ir jo sąveikos su superoksidu rezultatą – peroksinitritą – siūloma vadinti aktyviomis azoto formomis. Aktyviąja chloro forma galima vadinti hipochloritu, susidariusiu vandenilio peroksidui reaguojant su chlorido jonu, kurį katalizuoja fermentas mieloperoksidazė.

5 pav. Reaktyvios deguonies, azoto ir chloro rūšys

Šiuo metu besiformuojančioje terminijoje būtina rasti vietą polinesočiųjų riebalų rūgščių radikalams ir hidroperoksidams, kurie susidaro labai svarbioje lipidų grandininės oksidacijos reakcijoje. Cheminiu požiūriu tai nevienalytė grupė. Pašalinus vandenilio atomą iš polinesočiosios riebalų rūgšties molekulės, susidaro alkidinis radikalas, kuriame nesuporuotas elektronas yra lokalizuotas prie anglies atomo. Tai tarsi „aktyvi anglies forma“. Tačiau toliau sąveikaujant alkilo radikalui su dioksidu (molekuliniu deguonimi), susidaro dioksido radikalas su nesuporuotu elektronu, lokalizuotu deguonies atome. Struktūra ir iš dalies savybėmis toks radikalas primena superoksidą ir jį galima priskirti prie aktyvios deguonies formos, ką kai kurie autoriai daro. Šios kategorijos aktyviosioms formoms pagal analogiją su vandenilio peroksidu galima priskirti ir nesočiųjų riebalų rūgščių hidroperoksidus, susidarančius lipidų peroksidacijos metu. Tada į šią kategoriją patenka ir lipidų alkoksilo radikalai, susidarę hidroperoksidus redukuojant vienu elektronu, pavyzdžiui, Fe2+ jonais; iš tikrųjų tai yra hidroksilo radikalo homologai.

Nepaisant viso to, kas išdėstyta aukščiau, siūlome visus išvardytus grandininės lipidų oksidacijos produktus (ir reagentus) sujungti į vieną terminą: aktyviosios lipidų formos. Biologui ir gydytojui visgi svarbiau ne koks konkretus atomas turi neporinį elektroną, o kuri molekulė tampa chemiškai agresyvi, t.y., įgyja laisvojo radikalo ar jo reaktyvaus pirmtako bruožus. Taigi, kaip aktyvias lipidų formas įtraukiame alkilo, alkoksi ir dioksido radikalus. taip pat polinesočiųjų riebalų rūgščių hidroperoksidai ir atitinkamos fosfolipidų, trigliceridų ar cholesterolio grandinės (žr. 5 pav.).

Antriniai ir tretiniai radikalai

Reaktyviosios molekulės: vandenilio peroksidas, lipidų hidroperoksidai, peroksinitritas susidaro reakcijose, kurių vienas iš dalyvių dažniausiai yra radikalas, o kartais ir dioksidas, kurio išoriniame elektronų apvalkale taip pat yra nesuporuotų elektronų. Savo ruožtu šios molekulės ir kartu su jomis hipochloritas lengvai formuoja radikalus, kai yra kintamo valentingumo metalų jonų, pirmiausia dvivalenčių geležies jonų. Tokius radikalus vadinsime antraeiliais; tai apima hidroksilo radikalus ir lipidų radikalus. Antriniai radikalai, skirtingai nei pirminiai, susidaro nefermentinėse reakcijose ir, kiek šiuo metu žinoma, neatlieka fiziologiškai naudingų funkcijų. Priešingai, jie turi destruktyvų poveikį ląstelių struktūroms ir teisėtai gali būti vadinami kenksmingais radikalais. Būtent antrinių radikalų (o ne radikalų apskritai) susidarymas lemia patologinių būklių vystymąsi ir yra kancerogenezės, aterosklerozės, lėtinio uždegimo ir degeneracinių nervų ligų pagrindas (žr. apžvalgas (Cross, 1987 #4) (Cross, 1994 #5). )(Darley-Usmar, 1995 #10 (Darley-Usmar, 1996 #11)). Tačiau reaktyviosios molekulės taip pat turi citotoksinį poveikį ne tik dėl to, kad iš jų susidaro laisvieji radikalai, bet ir tiesiogiai, kaip buvo įrodyta peroksinitritui ir hipochloritui, o kai kuriais atvejais ir vandenilio peroksidui.

Kad apsisaugotų nuo žalingo antrinių radikalų poveikio, organizmas naudoja didelę grupę medžiagų, vadinamų antioksidantais, tarp kurių yra ir laisvųjų radikalų gaudytojai. Pastarųjų pavyzdžiai yra alfa-tokoferolis, tiroksinas, sumažintas ubichinonas (QH2) ir moteriški steroidiniai hormonai. Reaguodami su lipidiniais radikalais šios medžiagos pačios virsta antioksidaciniais radikalais, kuriuos galima laikyti tretiniais radikalais (žr. 3 pav.).

Kartu su šiais radikalais, kurių mūsų kūno ląstelėse ir audiniuose nuolat susidaro įvairus kiekis, radikalai, atsirandantys veikiant jonizuojančiai spinduliuotei, ultravioletiniams spinduliams ar net apšvietimui intensyvia matoma šviesa, pvz., lazerio šviesa, gali turėti įtakos. destruktyvus poveikis. Tokius radikalus galima vadinti svetimais. Tai ir iš svetimų junginių susidarę radikalai bei į organizmą patekę ksenobiotikai, kurių daugelis turi toksinį poveikį būtent dėl ​​šių junginių metabolizmo metu susidarančių laisvųjų radikalų (3 pav.).

Kaip tiriami laisvieji radikalai ir reakcijos, kuriose jie dalyvauja?

Pagrindiniai reakcijų, kuriose dalyvauja radikalai, tyrimo metodai

Apie laisvųjų radikalų dalyvavimą tam tikrame procese, ar tai būtų cheminė reakcija mėgintuvėlyje, ar patologinės būklės atsiradimas organizme, galima spręsti naudojant tiesioginius ir netiesioginius metodus (, p. 19-32). „Tiesiogiausias“ laisvųjų radikalų tyrimo metodas yra elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) metodas. Pagal EPR signalų (spektrų) buvimą, amplitudę ir formą galima spręsti apie nesuporuotų elektronų egzistavimą mėginyje, nustatyti jų koncentraciją, o kartais sužinoti, kokia yra šių nesuporuotų elektronų radikalų cheminė struktūra. Tiesioginiai radikalų tyrimo metodai taip pat apima chemiliuminescencijos (CL) metodą. Radikalams sąveikaujant vieniems su kitais išsiskiria daug energijos, kuri kai kuriais atvejais išspinduliuojama fotonų (šviesos kvantų) pavidalu. Tokios liuminescencijos (CL) intensyvumas yra proporcingas reakcijos, kurioje dalyvauja radikalai, greičiui ir atitinkamai jų koncentracijai.

Pagrindiniai netiesioginiai reakcijų, kuriose dalyvauja radikalai, tyrimo metodai yra galutinių reakcijos produktų koncentracijos nustatymas, taip pat inhibitorių naudojimas. Pažvelkime į šiuos metodus atidžiau.

Slopinimo tyrimas

Radikalai yra labai reaktyvūs ir negali būti tiriami naudojant įprastinius cheminius metodus: standartinės procedūros, tokios kaip chromatografija ar centrifugavimas, yra visiškai nenaudingos. Tačiau biocheminė analizė leidžia nustatyti galutinius reakcijų, kuriose turėtų dalyvauti radikalai, produktus, tačiau visada išlieka klausimas, ar radikalai iš tikrųjų dalyvavo procese ir kurie iš jų. Sprendžiant tokius klausimus svarbų vaidmenį atlieka vadinamoji slopinamoji analizė.

Klasikinis pavyzdys yra fermento superoksido dismutazės (SOD) naudojimas. Šis fermentas katalizuoja dviejų superoksido radikalų reakciją (dismutaciją), kad susidarytų vandenilio peroksidas ir molekulinis deguonis. Jeigu SOD pridėjimas slopina tiriamą procesą, tai reiškia, kad jam atsirasti būtinas superoksido radikalas ir belieka nustatyti, kurioje reakcijoje šis radikalas dalyvauja.

Galima neperdedant teigti, kad šiuolaikiniai pasiekimai tiriant laisvųjų radikalų vaidmenį mūsų ląstelių, organų ir audinių gyvybei ir mirčiai daugiausia nulemti fermento superoksido dismutazės (SOD), kurį padarė I. Fridovič, atradimas. ir McCord maždaug prieš ketvirtį amžiaus. Šis fermentas, kaip jau minėta, katalizuoja reakciją:
.OO- + .OO- + 2H+ => O2 + H2O

Esant kitam fermentui katalazei, vandenilio peroksidas skyla, sudarydamas deguonį ir vandenį: H2O2 => O2 + H2O

SOD atradimas sukėlė perversmą biochemikų mintyse: kadangi egzistuoja fermentas, šalinantis laisvuosius radikalus, specialiai gaminamas gyvų ląstelių (ir, kaip paaiškėjo, itin plačiai paplitęs gyvojoje gamtoje), akivaizdu, kad patys radikalai egzistuoja gamtoje ir dėl kokių nors priežasčių jie reikalingi turi būti ištrinti. Prieš tai tik nedaugelis biochemikų suprato, kad gyvų organizmų metabolizme dalyvauja ne tik „tikrosios“ molekulės, bet ir laisvieji radikalai. Tada SOD ir katalazė buvo plačiai naudojami visuose tyrimuose, kuriuose tiriamas superoksido ir vandenilio peroksido vaidmuo konkrečiame procese, nesvarbu, ar tai būtų individuali biocheminė reakcija, ar laboratorinių gyvūnų ar žmonių ligos išsivystymas. Jei, pavyzdžiui, SOD pridėjimas smarkiai slopina tiriamą procesą, vadinasi, jam atsirasti būtinas superoksido radikalas, o dabar belieka tik išsiaiškinti, kurioje cheminėje reakcijoje šis radikalas dalyvauja. Jei procesą slopina katalazė, tai reiškia, kad dalyvauja vandenilio peroksidas, skaidomas šio fermento.

Tas pats principas taikomas ir kitų inhibitorių naudojimui. Taigi, norint išsiaiškinti lipidų radikalų vaidmenį, naudojami riebaluose tirpūs radikalų „spąstai“, kuriuose yra karotinoidų ir tokoferolių (vitamino E). Šios medžiagos, reaguodamos su L· arba LOO· radikalais, nutraukia oksidacijos grandines ir slopina lipidų peroksidaciją. Steroidiniai hormonai ir tiroksinas turi tą pačią savybę. Šių medžiagų antioksidacinis poveikis pasireiškia ir jų poveikiu chemiliuminescencijos kinetikai (žr., pvz., 3 pav., B). Taip pat plačiai naudojamas sintetinis radikalų gaudytojas, di-tret-butilhidroksitoluenas (jonolis).

Kiti radikalūs spąstai nėra tokie specifiniai, bet kartais naudojami. Taigi, vandenyje tirpius radikalus efektyviai "sulaiko" askorbo arba šlapimo rūgštis. Hidroksilo radikalams (HO·) „išvalyti“ naudojamas manitolis arba benzenkarboksirūgštis, o kartais ir etanolis. Norint nustatyti dalyvavimą bet kuriame lipidų grandininės oksidacijos reakcijų procese (žr. toliau), naudojami riebaluose tirpūs lipidų radikalų „spąstai“, kurie veda oksidacijos grandines. Šie spąstai apima tokoferolį (vitaminą E) ir kai kuriuos sintetinius junginius, tokius kaip tret-butilintas hidroksitoluenas (jonolis). Vandenyje tirpius radikalus efektyviai "sulaiko" askorbo arba šlapimo rūgštis. Hidroksilo radikalams (HO·) „išvalyti“ naudojamas manitolis arba benzenkarboksirūgštis, o kartais ir etanolis. Tačiau reikia pasakyti, kad spąstai ne visada yra specifiniai: daugelis jų reaguoja ne tik su radikalais, bet ir su gana aktyviomis molekulėmis.

Elektronų paramagnetinio rezonanso metodas

Nors tyrimų, pagrįstų laisvųjų radikalų reakcijų molekulinių produktų tyrimu ir slopinamąja analize, nauda nekelia abejonių, negalima pamiršti galimybės tiesiogiai aptikti laisvųjų radikalų reakcijas ir tiesiogiai ištirti jų koncentracijos pokyčius tiriamo proceso metu. . Šiandien yra du tiesioginiai radikalų aptikimo metodai: elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR) ir chemiliuminescencija (CL).

6 pav. Kai kurių radikalų EPR signalai susiformavo gyvose ląstelėse.

7 pav. Radikalų matavimas srauto ląstelėje

ESR metodas leidžia gana patikimai tirti semichinonų radikalus, ypač ubichinolio ir tokoferolio radikalus (žr. spektrus 6 pav.). Reaktyviųjų deguonies rūšių ir lipidų radikalai paprastai nėra tiesiogiai stebimi. Tik taikant greito dviejų tirpalų maišymo su nuolatiniu jų srautu metodą (žr. 7 pav.), buvo galima stebėti lipidų radikalų EPR signalus, susidarančius skaidant linolo rūgšties hidroperoksidus Ce4+ ir Fe2+ jonais, nors ir gana silpnus, nepaisant didžiulio reagentų suvartojimo (Osipov, 1980 #594). Bandymai tiesiogiai aptikti deguonies ar lipidų radikalus biologinėse sistemose naudojant EPR nepavyko, nes daugumos radikalų, tokių kaip deguonies ar lipidų radikalai, pastovios koncentracijos biologinėse sistemose yra per mažos. Tačiau sėkmė atėjo po to, kai buvo sukurtas sukimosi spąstų metodas.

Sukimo spąstai

Nepaisant visų EPR metodo privalumų, jo jautrumas dažnai yra nepakankamas, kad būtų galima aptikti laisvuosius radikalus, kurie tuo tarpu ne tik susidaro tiriamame mėginyje, bet ir dalyvauja svarbiuose jame vykstančiuose procesuose. Visa problema yra didelis cheminis radikalų aktyvumas. Biologinėse sistemose deguonies radikalų arba lipidų radikalų susidarymo greitis membranose nėra toks didelis, tačiau šių radikalų išnykimo tempai yra labai dideli; Todėl radikalų koncentracija bet kuriuo metu (vadinamoji stacionari koncentracija) dažnai yra tokia maža, kad EPR jų neįmanoma aptikti. Kuo radikalas aktyvesnis, tuo mažesnė jo koncentracija stacionariai ir tuo mažesnė tikimybė, kad jį „pamatys“ EPR. Išeitis – aktyvūs radikalai paverčiami neaktyviais, stabiliais, kurie aptinkami naudojant EPR. Šiuo tikslu į tiriamą mėginį (pavyzdžiui, į ląstelių suspensiją, audinių homogenatą ar tirpalą, kuriame vyksta reakcijos, kuriose dalyvauja laisvieji radikalai) dedama specialių medžiagų, vadinamų sukimosiomis gaudyklėmis (nors jos „pagauna“, žinoma, ne sukinius, bet radikalai). Pavyzdžiui, norint „išvalyti“ hidroksilo radikalus H O. Naudojamas fenilbutilnitronas (PBN).

8 pav. Fenilbutilnitronas (PBN)

Kai spąstai sąveikauja su radikalu, radikalas prisijungia prie spąstų ir sudaro naują, stabilų radikalą, vadinamą „sukimosi aduktu“ (iš angliško žodžio add - add, add). Skirtingų radikalų sukimosi aduktų EPR signalai šiek tiek skiriasi forma. Tai leidžia identifikuoti radikalus, susidariusius tiriamoje sistemoje. 8 paveiksle kairėje pavaizduotas PBN sukimosi adukto su OH radikalu EPR signalas, susidarantis dvivalenčių geležies jonams skaidant vandenilio peroksidą, o dešinėje – to paties adukto EPR signalas, susidaręs dalyvaujant. PBN hipochloritui sąveikaujant su dvivalenčiais geležies jonais.

9 pav. Sukimosi aduktų EPR signalai, susidarę dėl hidroksilo radikalų gaudymo PBN gaudykle.

Kitų radikalų (tarkim, superoksido) gaudymui naudojami kiti spąstai. Kadangi sukimosi spąstai „sulaiko“ laisvuosius radikalus, jis sulėtina (slopina) šių radikalų sukeliamą procesą, pavyzdžiui, sumažina radikalų daromą žalą gyvoms ląstelėms. JIS. Taigi sukimosi spąstai naudojami dviem tikslams: išsiaiškinti, kokie radikalai susidaro ir kokius procesus ląstelėje jie sukelia.

Chemiliuminescencijos metodas

Veiksmingas metodas reakcijoms, kuriose dalyvauja radikalai, tirti yra chemiliuminescencijos (CL) metodas. Jis pagrįstas tuo, kad radikalams sąveikaujant vieniems su kitais išsiskiria daug energijos, kuri gali būti išspinduliuojama fotonų (šviesos kvantų) pavidalu. Tokios liuminescencijos (CL) intensyvumas yra proporcingas reakcijos, kurioje dalyvauja radikalai, greičiui ir todėl parodo jų koncentracijos pokytį tiriamo proceso metu. Išsamiau apie tai bus kalbama paskaitoje „Vidinė chemiliuminescencija („itin silpnas švytėjimas“) biologinėse sistemose.

Reakcijų kinetikos tyrimas

Reakcijos, kuriose dalyvauja laisvieji radikalai, ypač grandininės oksidacijos reakcijos, yra labai sudėtingos ir vyksta keliais nuosekliais etapais. Tiriant grandininių reakcijų mechanizmą, pagrindinis vaidmuo teko procesų kinetikos tyrimui; Šiuo atveju chemiliuminescencijos kinetikos matavimas leidžia tiesiogiai matyti radikalų, pavyzdžiui, lipidų radikalų, koncentracijos pokyčius laikui bėgant. Lygiagretūs chemiliuminescencijos, geležies jonų oksidacijos ir reakcijos produktų kaupimosi mitochondrijų ir fosfolipidinių pūslelių (liposomų) suspensijose matavimai leido eksperimentiškai nustatyti pagrindinių lipidų oksidacijos laisvųjų radikalų grandinės reakcijų greičio konstantas, kaip bus aptarta detaliau vėliau.

Vystantis chemijos mokslui ir atsirandant daugybei naujų cheminių junginių, vis labiau išaugo poreikis sukurti ir perimti viso pasaulio mokslininkams suprantamą pavadinimų sistemą, t.y. . Žemiau pateikiame pagrindinių organinių junginių nomenklatūrų apžvalgą.

Triviali nomenklatūra

Organinės chemijos vystymosi ištakoms buvo priskirti nauji junginiai trivialus vardai, t.y. istoriškai susiklosčiusius pavadinimus, kurie dažnai siejami su jų gavimo būdu, išvaizda ir net skoniu ir kt. Ši organinių junginių nomenklatūra vadinama trivialia. Žemiau esančioje lentelėje rodomi kai kurie junginiai, kurie savo pavadinimus išlaikė iki šių dienų.

Racionali nomenklatūra

Plečiantis organinių junginių sąrašui, atsirado poreikis susieti jų pavadinimus su racionalios organinių junginių nomenklatūros pagrindu yra paprasčiausio organinio junginio pavadinimas. Pavyzdžiui:

Tačiau sudėtingesnių organinių junginių taip pavadinti negalima. Šiuo atveju junginiai turėtų būti pavadinti pagal IUPAC sisteminės nomenklatūros taisykles.

IUPAC sisteminė nomenklatūra

IUPAC – Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga.

Šiuo atveju, įvardijant junginius, reikėtų atsižvelgti į anglies atomų vietą molekulėje ir struktūrinius elementus. Dažniausiai naudojama organinių junginių pakaitinė nomenklatūra, t.y. išryškinamas pagrindinis molekulės pagrindas, kuriame vandenilio atomai pakeičiami bet kokiais struktūriniais vienetais ar atomais.

Prieš pradedant konstruoti junginių pavadinimus, patariame išmokti pavadinimus skaitiniai priešdėliai, šaknys ir priesagos naudojamas IUPAC nomenklatūra.

Taip pat funkcinių grupių pavadinimai:

Skaičiai naudojami kelių jungčių ir funkcinių grupių skaičiui nurodyti:

Sotieji angliavandenilių radikalai:

Nesočiųjų angliavandenilių radikalai:

Aromatiniai angliavandenilių radikalai:

Organinio junginio pavadinimo sudarymo taisyklės pagal IUPAC nomenklatūrą:

1. Pasirinkite pagrindinę molekulės grandinę

Nustatykite visas esamas funkcines grupes ir jų pirmenybę

Nustatykite kelių jungčių buvimą

1. Sunumeruokite pagrindinę grandinę, o numeravimas turėtų prasidėti nuo grandinės pabaigos, esančios arčiausiai aukščiausios grupės. Jei yra kelios tokios galimybės, grandinė sunumeruojama taip, kad daugybinė jungtis arba kitas molekulėje esantis pakaitas gautų mažiausią skaičių.

Karbociklinis junginiai numeruojami pradedant nuo anglies atomo, susieto su aukščiausia būdinga grupe. Jei yra du ar daugiau pakaitų, jie bando sunumeruoti grandinę taip, kad pakaitų skaičius būtų minimalus.

1. Sukurkite ryšio pavadinimą:

— Nustatykite junginio, sudarančio žodžio šaknį, pavadinimo pagrindą, kuris žymi prisotintą angliavandenilį, turintį tokį patį atomų skaičių kaip pagrindinė grandinė.

— Po pavadinimo kamieno yra priesaga, nurodanti prisotinimo laipsnį ir daugybinių jungčių skaičių. Pavyzdžiui, - tetraenas, - diena. Jei nėra kelių jungčių, naudokite priesagą - sk.

- Tada prie galūnės pridedamas ir paties pavadinimas vyresnioji funkcinė grupė.

— Po to pateikiamas pakaitų sąrašas abėcėlės tvarka, nurodant jų vietą arabiškais skaitmenimis. Pavyzdžiui, - 5-izobutilas, - 3-fluoras. Jei yra keli identiški pakaitai, nurodomas jų skaičius ir padėtis, pavyzdžiui, 2,5 - dibromo-, 1,4,8-trimetil-.

Atkreipkite dėmesį, kad skaičiai nuo žodžių atskiriami brūkšneliu, o vienas kito – kableliais.

Kaip pavyzdys Pavadinkime šį ryšį:

1. Pasirinkite pagrindinė grandinė, kuri būtinai apima vyresnioji grupė– COUNT.

Apibrėžiant kitus funkcines grupes: - OH, - Cl, - SH, - NH2.

Kelios jungtys Nr.

2. Sunumeruokite pagrindinę grandinę, pradedant nuo senesnės grupės.

3. Pagrindinės grandinės atomų skaičius yra 12. Vardo pagrindas

Dodekano rūgšties 10-amino-6-hidroksi-7-chlor-9-sulfanil-metilo esteris.

10-amino-6-hidroksi-7-chlor-9-sulfanilmetildodekanoatas

Optinių izomerų nomenklatūra

1. Kai kuriose junginių klasėse, tokiose kaip aldehidai, hidroksi ir aminorūgštys, jie naudojami santykinei pakaitų vietai nurodyti. D, L– nomenklatūra. Laiškas Džymi dešinėn sukimosi izomero konfigūraciją, L- kairiarankis.

Pagrinde D, L Organinių junginių nomenklatūros pagrįstos Fišerio projekcija:

• α-aminorūgštys ir α-hidroksi rūgštys izoliuoti „oksirūgšties raktą“, t.y. jų projekcijos formulių viršutinės dalys. Jei hidroksilo (amino) grupė yra dešinėje, tada ji yra D-izomeras, kairysis L- izomeras.

Pavyzdžiui, toliau parodyta vyno rūgštis turi D— konfigūracija pagal deguonies rūgšties raktą:

• izomerų konfigūracijoms nustatyti cukrų izoliuoti „glicerolio raktą“, t.y. palyginkite cukraus projekcijos formulės apatines dalis (apatinį asimetrinį anglies atomą) su gliceraldehido projekcijos formulės apatine dalimi.

Cukraus konfigūracijos žymėjimas ir sukimosi kryptis yra panašūs į gliceraldehido, t.y. D– konfigūracija atitinka hidroksilo grupės, esančios dešinėje, vietą, L– konfigūracijos – kairėje.

Pavyzdžiui, žemiau yra D-gliukozė.

2) R-, S-nomenklatūra (Kahn, Ingold ir Prelog nomenklatūra)

Šiuo atveju asimetrinio anglies atomo pakaitai yra išdėstyti eilės tvarka. Optiniai izomerai turi tokius pavadinimus R Ir S, o racematas yra R.S..

Norėdami apibūdinti ryšio konfigūraciją pagal R,S nomenklatūra elkitės taip:

1. Visi asimetrinio anglies atomo pakaitai yra nustatyti.
2. Nustatomas pakaitų senumas, t.y. palyginkite jų atomines mases. Pirmenybės eilučių nustatymo taisyklės yra tokios pačios kaip ir naudojant geometrinių izomerų E/Z nomenklatūrą.
3. Pakaitai yra orientuoti erdvėje taip, kad žemiausias pakaitas (dažniausiai vandenilis) būtų toliausiai nuo stebėtojo esančiame kampe.
4. Konfigūraciją lemia likusių pakaitų vieta. Jei judėjimas iš vyresniojo į vidurinį, o paskui į jaunesnįjį pavaduotoją (t. y. mažėjančia darbo stažo tvarka) atliekamas pagal laikrodžio rodyklę, tai yra R konfigūracija, prieš laikrodžio rodyklę - S konfigūracija.

Žemiau esančioje lentelėje pateiktas pavaduotojų sąrašas, išdėstytas didėjančia darbo stažo tvarka:

Paskaita Nr.1

RYŠYS

1. Struktūrinė izomerija.

Paskaita Nr.1

EKOLOGIJOS KLASIFIKACIJA IR NOMENKLATŪRA
RYŠYS

1. Organinių junginių klasifikacija.
2. Organinių junginių nomenklatūra.
3. Struktūrinė izomerija.

1. Organinių junginių klasifikacija.

Organiniai junginiai klasifikuojami pagal dvi pagrindines charakteristikas: struktūrą
anglies skeletas ir funkcinės grupės.

Remiantis anglies skeleto struktūra, acikliniai, karbocikliniai ir
heterocikliniai junginiai.

Acikliniai junginiai– turi atvirą anglies atomų grandinę.

Karbocikliniai junginiai– turi uždarą anglies grandinę
atomų ir skirstomi į aliciklinius ir aromatinius. KAM aliciklinis apima visus karbociklinius junginius, išskyrus
aromatingas. Aromatingas junginiuose yra cikloheksatrieno
fragmentas (benzeno žiedas).

Heterocikliniai junginiai — yra ciklai, kuriuose kartu su anglies atomais yra vienas
arba keli heteroatomai.

Pagal funkcinių grupių pobūdį organinės
jungtys skirstomos į klases .

1 lentelė. Pagrindinės ekologinės klasės
jungtys.

2. Organinių medžiagų nomenklatūra
jungtys.

Šiuo metu jis yra visuotinai priimtas organinėje chemijoje sisteminė nomenklatūra, išvystyta Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga
(IUPAC). Kartu su juo taip pat yra saugomi
yra naudojami trivialus Ir racionalus nomenklatūra.

Triviali nomenklatūra susideda iš
iš istoriškai nusistovėjusių pavadinimų, kurie neatspindi kompozicijos ir struktūros
medžiagų. Jie yra atsitiktiniai ir atspindi natūralų medžiagos šaltinį
(pieno rūgštis, karbamidas, kofeinas), būdingos savybės (glicerinas, sprogstamasis
rūgštis), gavimo būdas (piruvo rūgštis, sieros esteris), pavadinimas
atradėjas (Michlerio ketonas, Chichibabin angliavandenilis), taikymo sritis
(askorbo rūgštis). Trivialių pavadinimų privalumas yra tas, kad jie
trumpumo, todėl kai kuriuos iš jų naudoti leidžia taisyklės
IUPAC.

Sisteminė nomenklatūra yra mokslinis ir atspindi sudėtį, cheminę ir erdvinę struktūrą
jungtys. Junginio pavadinimas išreiškiamas naudojant sudėtinį žodį, junginį
kurių dalys atspindi tam tikrus medžiagos molekulės struktūros elementus. IN
IUPAC nomenklatūros taisyklės pagrįstos šiais principais pakeitimas
nomenklatūra, pagal kurią junginių molekulės laikomos
angliavandenilių dariniai, kuriuose vandenilio atomai pakeisti kitais atomais arba
atomų grupės. Sudarant pavadinimą junginio molekulėje, išskiriami šie dalykai:
konstrukciniai elementai.

Tėvų struktūra– pagrindinė grandinė
anglies grandinė arba ciklinė struktūra anglies ir heterocikluose.

Angliavandenilio radikalas- likutis
angliavandenilių su laisvaisiais valentais žymėjimo formulė (žr. lentelę
2).

Būdinga grupė –
funkcinė grupė, susijusi su pagrindine struktūra arba įtraukta į ją
sudėtis (žr. 3 lentelę).

Sudarant pavadinimą nuosekliai
laikykitės šių taisyklių.

1. Nustatykite aukščiausią charakteristiką
   grupę ir galūnėje nurodykite jos pavadinimą (žr. 3 lentelę).
2. Nustatykite pirminę struktūrą pagal
   šie kriterijai pirmumo mažėjimo tvarka: a) yra didžiausias
   būdinga grupė; b) yra didžiausias charakteristikų skaičius
   grupės; c) yra didžiausias kelių obligacijų skaičius; d) turi maksimumą
   ilgio. Pradinė struktūra nurodoma vardo šaknyje pagal
   grandinės ilgis arba ciklo dydis: C 1 – „meth“, C 2 – „eth“, C 3 – „prop“, C 4 – „bet“, C 5 o toliau – graikiškų skaitvardžių šaknys.
3. Nustatykite prisotinimo laipsnį ir atspindėkite
   jis yra priesagoje: „an“ – nėra daugybinių ryšių, „en“ – dviguba jungtis, „in“ –
   trigubas ryšys.
4. Įdiekite likusius pakaitus
   (angliavandenilių radikalai ir nedidelės būdingos grupės) ir sąrašas
   jų pavadinimai rašomi abėcėlės tvarka.
5. Nustatykite dauginimo priešdėlį - „di“,
   „trys“, „tetra“, nurodantis identiškų konstrukcinių elementų skaičių (su
   į pakaitų sąrašą abėcėlės tvarka neatsižvelgiama).
6. Sunumeruokite pradinę struktūrą
   kad aukščiausios charakteristikos grupė turėtų mažiausią eilinį skaičių
   numerį. Lokantai (skaičiai) dedami prieš pirminės struktūros pavadinimą, prieš
   priešdėliai ir prieš galūnes.

2 lentelė. Alkanų ir alkilų pavadinimai
IUPAC sisteminės nomenklatūros patvirtintų radikalų.

Alkanas	Vardas	Alkilo radikalas	Vardas
CH 4	Metanas	CH 3 -	Metil
CH 3 CH 3	Etanas	CH 3 CH 2 —	Etil
CH 3 CH 2 CH 3	Propanas	CH 3 CH 2 CH 2 —	perpjoviau
			Izopropilas
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3	n-butanas	CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 —	n-butilas
			sek-Butilas
	Izobutanas		Izobutilas
			tret-butilas
CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3	n-pentanas	CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 —	n-pentilas
	Izopentanas		Izopentilas
	Neopetanas		Neopentilas

3 lentelė. Charakteristikos pavadinimai
grupės(išvardyta mažėjančia darbo stažo tvarka).

* anglies atomas,
skliausteliuose, yra pagrindinės struktūros dalis.

** Alkoksi grupės ir viskas
po jų esantys yra išvardyti abėcėlės tvarka pagal priešdėlį ir yra ne eilės tvarka
stažas.

Racionalus (radikalus-funkcinis)
nomenklatūra vartojami įvardyti paprastas mono- ir
dvifunkciniai junginiai ir kai kurios natūralių junginių klasės. Pagrindas
pavadinimas yra tam tikros junginių klasės arba vieno iš narių pavadinimas
homologinės serijos, nurodančios pakaitus. Kaip vietos, kaip taisyklė,
Naudojamos graikiškos raidės.

3. Struktūrinė izomerija.

Izomerai- tai tokios pat sudėties ir molekulinės medžiagos
masė, bet skirtingos fizikinės ir cheminės savybės. Izomerų savybių skirtumai
dėl jų cheminės ar erdvinės struktūros skirtumų.

Pagal cheminė struktūra suprasti ryšių pobūdį ir seką
tarp molekulės atomų. Izomerai, kurių molekulės skiriasi cheminiu požiūriu
struktūra vadinama struktūriniai izomerai.

Struktūriniai izomerai gali skirtis:

• pagal anglies skeleto struktūrą

• pagal kelių obligacijų padėtį ir
  funkcines grupes

• pagal funkcinių grupių tipą

Laisvieji radikalai. Apibrėžimas, struktūra, klasifikacija

Laisvieji radikalai yra molekulinės rūšys, turinčios nesusijusius elektronus išorinėse orbitose ir pasižyminčios dideliu cheminiu reaktyvumu. Jų tyrimas atliekamas naudojant EPR (sukimosi gaudymo techniką), chemiliuminescenciją ir reakcijų inhibitorius, kuriuose dalyvauja tam tikro tipo radikalai. Pagrindiniai mūsų organizme gaminami radikalai yra deguonies radikalai (superoksido ir hidroksilo radikalai), azoto monoksidas, nesočiųjų riebalų rūgščių radikalai, oksidacinės-redukcijos reakcijose susidarantys semichinonai (pvz., ubichinolis). Įvairūs radikalai taip pat susidaro veikiant ultravioletiniams spinduliams ir kai kurių nenatūralių junginių (ksenobiotikų), įskaitant kai kurias medžiagas, anksčiau naudotas kaip vaistai, metabolizmo eigoje.

Kas yra laisvieji radikalai?

Gerai žinoma, kad organinėse molekulėse (įskaitant tas, kurios sudaro mūsų kūną) elektronai išoriniame elektronų apvalkale yra išsidėstę poromis: po vieną porą kiekvienoje orbitoje (1 pav.)

Laisvieji radikalai nuo įprastų molekulių skiriasi tuo, kad išoriniame elektronų apvalkale turi neporinį (vieną) elektroną (2 ir 3 pav.).

Nesuporuotas elektronas radikaluose paprastai žymimas tašku. Pavyzdžiui, hidroksilo radikalas žymimas HO·, vandenilio peroksido radikalas HOO·, superoksido radikalas ·OO- arba O2·-. Žemiau pateikiamos trijų etilo alkoholio radikalų formulės: CH3CH2O·; CH3·CHOH; CH3CH2O

Taigi:
Laisvasis radikalas yra dalelė – atomas arba molekulė, kurios išoriniame apvalkale yra vienas ar daugiau nesuporuotų elektronų.

Tai daro radikalus chemiškai aktyvius, nes radikalas siekia arba susigrąžinti trūkstamą elektroną, pašalindamas jį iš aplinkinių molekulių, arba atsikratyti „papildomo“ elektrono, atiduodamas jį kitoms molekulėms.

Deguonies molekulė (dioksidas), kurios išoriniame apvalkale yra net du nesuporuoti elektronai, atsiduria ypatingoje padėtyje. Taigi, dioksidas yra diradikalas ir, kaip ir kiti radikalai, yra labai reaktyvus.

Svarbu pabrėžti, kad nesuporuoti elektronai turi būti išoriniame atomo arba molekulės apvalkale. Laisvojo radikalo sąvoka neapima kintamo valentingumo metalo jonų, kurių nesuporuoti elektronai yra vidiniuose apvalkaluose. Kadangi ir metalų, tokių kaip geležis, varis ar manganas, radikalai ir jonai (taip pat šių metalų kompleksai) gamina elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) signalus, šios dalelės kartu dažnai vadinamos paramagnetiniais centrais.

Taigi radikalų susidarymą iš stabilių molekulių sukelia naujo elektrono atsiradimas laisvoje valentinėje orbitoje arba, atvirkščiai, vieno elektrono pašalinimas iš elektronų poros. Šie procesai dažniausiai vyksta dėl vieno elektrono oksidacijos arba redukcijos reakcijų. Tokios reakcijos paprastai apima kartu su molekule, iš kurios susidaro radikulas, kintamo valentingumo metalo joną, kuris yra vieno elektrono donoras arba akceptorius (o ne dviejų iš karto, kaip vyksta reakcijose tarp dviejų organinių molekulių arba tarp organinė molekulė ir deguonis). Tipiškas reakcijos, kurios metu susidaro radikalas, pavyzdys yra Fentono reakcija: vandenilio peroksido sąveika su dvivalenčiu geležies jonu:
Fe2++H2O2 => Fe3+ + OH- + ·OH (hidroksilo radikalas)

Esant aukštai temperatūrai arba veikiant ultravioletinei spinduliuotei, radikalai taip pat gali susidaryti dėl cheminės jungties plyšimo (homolitinio skilimo). Normaliomis sąlygomis normaliose gyvose ląstelėse tokios reakcijos praktiškai nevyksta.

Radikalų nomenklatūra

Palyginti neseniai Neorganinės chemijos nomenklatūros komisija suformulavo pagrindines radikalų nomenklatūros taisykles (žr. (Koppenol, 1990 #7)) (1 lentelė).

Pažvelkime į kai kurias iš šių rekomendacijų. Visų pirma, prieš žodį radikalus nereikia rašyti „laisvas“. Nagrinėjamos dalelės radikalumą nurodo galūnė „il“. Taigi radikalai RO· ir HO· yra atitinkamai pavadinti „alkoksilu“ ir „hidroksilu“.

Rekomendacija nepiktnaudžiauti „peroksido“ ir „hidroperoksido“ dariniais gali būti laikoma gerokai nauja. Dviejų deguonies atomų grupė, sujungta kartu, vadinama „dioksidu“. Atitinkamai, radikalą ROO· rekomenduojama vadinti „alkildioksilu“ (Koppenol, 1990 #7). Alternatyvus pavadinimas „alkilperoksilas“ taip pat gali būti paliktas, tačiau tai yra blogiau (Koppenol, 1990 #7). Molekulinis deguonis vadinamas „dioksinu“, o ozonas – „trideguonimi“.

Pavadinimas su galūne „il“ yra labai patogus, tačiau jis nieko nenurodo, koks yra dalelės krūvis. Todėl būtinais atvejais rekomenduojama vartoti sisteminį radikalo pavadinimą, kur po grupės pavadinimo skliausteliuose pateikiamas krūvis. Pavyzdžiui, radikalas O 2 ·- turi pavadinimą „dioksidas (1-)“. Šiame darbe vartosime trumpesnį pavadinimą „dioksidas“. Rašant radikalų formules viršutiniame indekse, pirmiausia dedamas taškas, nurodantis, kad tam tikrame atome yra nesuporuotas elektronas, o tada – jono krūvio ženklas. Pavyzdžiui, „O 2 ·-“. Struktūrinėse formulėse taškas turi būti tiksliai tame atome, kuriame yra nesuporuotas elektronas. Pavyzdžiui, norėdami pabrėžti, kad dioksidas turi du nesuporuotus elektronus, jo formulę galite parašyti taip: „O 2“. 1 lentelėje pateikiamas rekomenduojamų radikalių pavadinimų sąrašas; laužtiniuose skliaustuose yra pavadinimai, kurie pirmiausia bus naudojami šioje knygoje.

Radikalai, randami mūsų kūne

Pirminiai radikalai ir reaktyviosios molekulės

Visi mūsų organizme susidarę radikalai gali būti skirstomi į natūralius ir svetimus. Savo ruožtu natūralūs radikalai gali būti skirstomi į pirminius, antrinius ir tretinius (Vladimirov, 1998 #8). (Žr. schemą 4 pav.).

Pirminiai radikalai gali būti vadinami radikalais, kurių susidarymas vyksta dalyvaujant tam tikroms fermentų sistemoms. Visų pirma, tai apima radikalus (semichinonus), susidarančius vykstant tokių elektronų nešėjų, kaip kofermentas Q (radikalą žymime Q·) ir flavoproteinų reakcijose. Naudingas organizmui funkcijas atlieka ir kiti du radikalai – superoksidas (·OO -) ir azoto monoksidas (·NO), apie kuriuos plačiau bus kalbama atitinkamuose skyriuose.

Iš pirminio radikalo – superoksido, kaip ir dėl kitų reakcijų organizme susidaro labai aktyvūs molekuliniai junginiai: vandenilio peroksidas, hipochloritas ir lipidų hidroperoksidai (žr. 5 pav.). Tokios molekulės kartu su radikalais anglų literatūroje gavo pavadinimą „reaktyvios rūšys“, kuri rusų literatūroje dažniausiai verčiama kaip „aktyvios formos“. Norėdami atskirti radikalus ir molekulinius produktus, pastaruosius siūlome vadinti „reaktyviosiomis molekulėmis“. Taigi siūloma tokia terminija:

Aktyvios formos = laisvieji radikalai + reaktyvios molekulės

Halliwell siūlo terminus reaktyviosios deguonies rūšys, azotas ir chloras (Halliwell, 1998 #9). Kaip matyti iš diagramos pav. 5, reaktyviosios deguonies rūšys yra superoksidas, hidroksilo radikalas, vandenilio peroksidas ir vienkartinis deguonis. Azoto oksidą ir jo sąveikos su superoksidu rezultatą – peroksinitritą – siūloma vadinti aktyviomis azoto formomis. Aktyviąja chloro forma galima vadinti hipochloritu, susidariusiu vandenilio peroksidui reaguojant su chlorido jonu, kurį katalizuoja fermentas mieloperoksidazė.

Šiuo metu besiformuojančioje terminijoje būtina rasti vietą polinesočiųjų riebalų rūgščių radikalams ir hidroperoksidams, kurie susidaro labai svarbioje lipidų grandininės oksidacijos reakcijoje. Cheminiu požiūriu tai nevienalytė grupė. Pašalinus vandenilio atomą iš polinesočiosios riebalų rūgšties molekulės, susidaro alkidinis radikalas, kuriame nesuporuotas elektronas yra lokalizuotas prie anglies atomo. Tai tarsi „aktyvi anglies forma“. Tačiau toliau sąveikaujant alkilo radikalui su dioksidu (molekuliniu deguonimi), susidaro dioksido radikalas su nesuporuotu elektronu, lokalizuotu deguonies atome. Struktūra ir iš dalies savybėmis toks radikalas primena superoksidą ir jį galima priskirti prie aktyvios deguonies formos, ką kai kurie autoriai daro. Šios kategorijos aktyviosioms formoms pagal analogiją su vandenilio peroksidu galima priskirti ir nesočiųjų riebalų rūgščių hidroperoksidus, susidarančius lipidų peroksidacijos metu. Tada į šią kategoriją patenka ir lipidų alkoksilo radikalai, susidarę hidroperoksidus redukuojant vienu elektronu, pavyzdžiui, Fe 2+ jonais; iš tikrųjų tai yra hidroksilo radikalo homologai.

Nepaisant viso to, kas išdėstyta aukščiau, siūlome visus išvardytus grandininės lipidų oksidacijos produktus (ir reagentus) sujungti į vieną terminą: aktyviosios lipidų formos. Biologui ir gydytojui visgi svarbiau ne koks konkretus atomas turi neporinį elektroną, o kuri molekulė tampa chemiškai agresyvi, t.y., įgyja laisvojo radikalo ar jo reaktyvaus pirmtako bruožus. Taigi, kaip aktyvias lipidų formas įtraukiame alkilo, alkoksi ir dioksido radikalus. taip pat polinesočiųjų riebalų rūgščių hidroperoksidai ir atitinkamos fosfolipidų, trigliceridų ar cholesterolio grandinės (žr. 5 pav.).

Antriniai ir tretiniai radikalai

Reaktyviosios molekulės: vandenilio peroksidas, lipidų hidroperoksidai, peroksinitritas susidaro reakcijose, kurių vienas iš dalyvių dažniausiai yra radikalas, o kartais ir dioksidas, kurio išoriniame elektronų apvalkale taip pat yra nesuporuotų elektronų. Savo ruožtu šios molekulės ir kartu su jomis hipochloritas lengvai formuoja radikalus, kai yra kintamo valentingumo metalų jonų, pirmiausia dvivalenčių geležies jonų. Tokius radikalus vadinsime antraeiliais; tai apima hidroksilo radikalus ir lipidų radikalus. Antriniai radikalai, skirtingai nei pirminiai, susidaro nefermentinėse reakcijose ir, kiek šiuo metu žinoma, neatlieka fiziologiškai naudingų funkcijų. Priešingai, jie turi destruktyvų poveikį ląstelių struktūroms ir teisėtai gali būti vadinami kenksmingais radikalais. Būtent antrinių radikalų (o ne radikalų apskritai) susidarymas lemia patologinių būklių vystymąsi ir yra kancerogenezės, aterosklerozės, lėtinio uždegimo ir degeneracinių nervų ligų pagrindas (žr. apžvalgas (Cross, 1987 #4) (Cross, 1994 #5). )(Darley-Usmar, 1995 #10 (Darley-Usmar, 1996 #11)). Tačiau reaktyviosios molekulės taip pat turi citotoksinį poveikį ne tik dėl to, kad iš jų susidaro laisvieji radikalai, bet ir tiesiogiai, kaip buvo įrodyta peroksinitritui ir hipochloritui, o kai kuriais atvejais ir vandenilio peroksidui.

Kad apsisaugotų nuo žalingo antrinių radikalų poveikio, organizmas naudoja didelę grupę medžiagų, vadinamų antioksidantais, tarp kurių yra ir laisvųjų radikalų gaudytojai. Pastarųjų pavyzdžiai yra alfa-tokoferolis, tiroksinas, sumažintas ubichinonas (QH 2) ir moteriški steroidiniai hormonai. Reaguodami su lipidiniais radikalais šios medžiagos pačios virsta antioksidaciniais radikalais, kuriuos galima laikyti tretiniais radikalais (žr. 3 pav.).

Kartu su šiais radikalais, kurių mūsų kūno ląstelėse ir audiniuose nuolat susidaro įvairus kiekis, radikalai, atsirandantys veikiant jonizuojančiai spinduliuotei, ultravioletiniams spinduliams ar net apšvietimui intensyvia matoma šviesa, pvz., lazerio šviesa, gali turėti įtakos. destruktyvus poveikis. Tokius radikalus galima vadinti svetimais. Tai ir iš svetimų junginių susidarę radikalai bei į organizmą patekę ksenobiotikai, kurių daugelis turi toksinį poveikį būtent dėl ​​šių junginių metabolizmo metu susidarančių laisvųjų radikalų (3 pav.).

Kaip tiriami laisvieji radikalai ir reakcijos, kuriose jie dalyvauja?

Pagrindiniai reakcijų, kuriose dalyvauja radikalai, tyrimo metodai

Apie laisvųjų radikalų dalyvavimą tam tikrame procese, ar tai būtų cheminė reakcija mėgintuvėlyje, ar patologinės būklės atsiradimas organizme, galima spręsti naudojant tiesioginius ir netiesioginius metodus (, p. 19-32). „Tiesiogiausias“ laisvųjų radikalų tyrimo metodas yra elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) metodas. Pagal EPR signalų (spektrų) buvimą, amplitudę ir formą galima spręsti apie nesuporuotų elektronų egzistavimą mėginyje, nustatyti jų koncentraciją, o kartais sužinoti, kokia yra šių nesuporuotų elektronų radikalų cheminė struktūra. Tiesioginiai radikalų tyrimo metodai taip pat apima chemiliuminescencijos (CL) metodą. Radikalams sąveikaujant vieniems su kitais išsiskiria daug energijos, kuri kai kuriais atvejais išspinduliuojama fotonų (šviesos kvantų) pavidalu. Tokios liuminescencijos (CL) intensyvumas yra proporcingas reakcijos, kurioje dalyvauja radikalai, greičiui ir atitinkamai jų koncentracijai.

Pagrindiniai netiesioginiai reakcijų, kuriose dalyvauja radikalai, tyrimo metodai yra galutinių reakcijos produktų koncentracijos nustatymas, taip pat inhibitorių naudojimas. Pažvelkime į šiuos metodus atidžiau.

Slopinimo tyrimas

Radikalai yra labai reaktyvūs ir negali būti tiriami naudojant įprastinius cheminius metodus: standartinės procedūros, tokios kaip chromatografija ar centrifugavimas, yra visiškai nenaudingos. Tačiau biocheminė analizė leidžia nustatyti galutinius reakcijų, kuriose turėtų dalyvauti radikalai, produktus, tačiau visada išlieka klausimas, ar radikalai iš tikrųjų dalyvavo procese ir kurie iš jų. Sprendžiant tokius klausimus svarbų vaidmenį atlieka vadinamoji slopinamoji analizė.

Klasikinis pavyzdys yra fermento superoksido dismutazės (SOD) naudojimas. Šis fermentas katalizuoja dviejų superoksido radikalų reakciją (dismutaciją), kad susidarytų vandenilio peroksidas ir molekulinis deguonis. Jeigu SOD pridėjimas slopina tiriamą procesą, tai reiškia, kad jam atsirasti būtinas superoksido radikalas ir belieka nustatyti, kurioje reakcijoje šis radikalas dalyvauja.
Galima neperdedant teigti, kad šiuolaikiniai pasiekimai tiriant laisvųjų radikalų vaidmenį mūsų ląstelių, organų ir audinių gyvybei ir mirčiai daugiausia nulemti fermento superoksido dismutazės (SOD), kurį padarė I. Fridovič, atradimas. ir McCord maždaug prieš ketvirtį amžiaus. Šis fermentas, kaip jau minėta, katalizuoja reakciją:
. OO - + . OO - + 2H + => O 2 + H 2 O
Esant kitam fermentui, katalazei, vandenilio peroksidas skyla, gamindamas deguonį ir vandenį:
H 2 O 2 => O 2 + H 2 O

SOD atradimas sukėlė perversmą biochemikų mintyse: kadangi egzistuoja fermentas, šalinantis laisvuosius radikalus, specialiai gaminamas gyvų ląstelių (ir, kaip paaiškėjo, itin plačiai paplitęs gyvojoje gamtoje), akivaizdu, kad patys radikalai egzistuoja gamtoje ir dėl kokių nors priežasčių jie reikalingi turi būti ištrinti. Prieš tai tik nedaugelis biochemikų suprato, kad gyvų organizmų metabolizme dalyvauja ne tik „tikrosios“ molekulės, bet ir laisvieji radikalai. Tada SOD ir katalazė buvo plačiai naudojami visuose tyrimuose, kuriuose tiriamas superoksido ir vandenilio peroksido vaidmuo konkrečiame procese, nesvarbu, ar tai būtų individuali biocheminė reakcija, ar laboratorinių gyvūnų ar žmonių ligos išsivystymas. Jei, pavyzdžiui, SOD pridėjimas smarkiai slopina tiriamą procesą, vadinasi, jam atsirasti būtinas superoksido radikalas, o dabar belieka tik išsiaiškinti, kurioje cheminėje reakcijoje šis radikalas dalyvauja. Jei procesą slopina katalazė, tai reiškia, kad dalyvauja vandenilio peroksidas, skaidomas šio fermento.

Tas pats principas taikomas ir kitų inhibitorių naudojimui. Taigi, norint išsiaiškinti lipidų radikalų vaidmenį, naudojami riebaluose tirpūs radikalų „spąstai“, kuriuose yra karotinoidų ir tokoferolių (vitamino E). Šios medžiagos, reaguodamos su L· arba LOO· radikalais, nutraukia oksidacijos grandines ir slopina lipidų peroksidaciją. Steroidiniai hormonai ir tiroksinas turi tą pačią savybę. Šių medžiagų antioksidacinis poveikis pasireiškia ir jų poveikiu chemiliuminescencijos kinetikai (žr., pvz., 3 pav., B). Taip pat plačiai naudojamas sintetinis radikalų gaudytojas, di-tret-butilhidroksitoluenas (jonolis).

Kiti radikalūs spąstai nėra tokie specifiniai, bet kartais naudojami. Taigi, vandenyje tirpius radikalus efektyviai "sulaiko" askorbo arba šlapimo rūgštis. Hidroksilo radikalams (HO·) „išvalyti“ naudojamas manitolis arba benzenkarboksirūgštis, o kartais ir etanolis. Norint nustatyti dalyvavimą bet kuriame lipidų grandininės oksidacijos reakcijų procese (žr. toliau), naudojami riebaluose tirpūs lipidų radikalų „spąstai“, kurie veda oksidacijos grandines. Šie spąstai apima tokoferolį (vitaminą E) ir kai kuriuos sintetinius junginius, tokius kaip tret-butilintas hidroksitoluenas (jonolis). Vandenyje tirpius radikalus efektyviai "sulaiko" askorbo arba šlapimo rūgštis. Hidroksilo radikalams (HO·) „išvalyti“ naudojamas manitolis arba benzenkarboksirūgštis, o kartais ir etanolis. Tačiau reikia pasakyti, kad spąstai ne visada yra specifiniai: daugelis jų reaguoja ne tik su radikalais, bet ir su gana aktyviomis molekulėmis.

Elektronų paramagnetinio rezonanso metodas

Nors tyrimų, pagrįstų laisvųjų radikalų reakcijų molekulinių produktų tyrimu ir slopinamąja analize, nauda nekelia abejonių, negalima pamiršti galimybės tiesiogiai aptikti laisvųjų radikalų reakcijas ir tiesiogiai ištirti jų koncentracijos pokyčius tiriamo proceso metu. .
Šiandien yra du tiesioginiai radikalų aptikimo metodai: elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR) ir chemiliuminescencija (CL).

ESR metodas leidžia gana patikimai tirti semichinonų radikalus, ypač ubichinolio ir tokoferolio radikalus (žr. spektrus 6 pav.). Reaktyviųjų deguonies rūšių ir lipidų radikalai paprastai nėra tiesiogiai stebimi. Tik naudojant greito dviejų tirpalų maišymo su nuolatiniu srautu metodą (žr. 7 pav.), buvo galima stebėti lipidų radikalų AKS signalus, susidarančius skaidant linolo rūgšties hidroperoksidus Ce 4+ ir Fe 2+ jonais, nors gana silpnas, nepaisant milžiniškų reagentų sąnaudų (Osipov, 1980 #594). Bandymai tiesiogiai aptikti deguonies ar lipidų radikalus biologinėse sistemose naudojant EPR nepavyko, nes daugumos radikalų, tokių kaip deguonies ar lipidų radikalai, pastovios koncentracijos biologinėse sistemose yra per mažos. Tačiau sėkmė atėjo po to, kai buvo sukurtas sukimosi spąstų metodas.

Sukimo spąstai

Nepaisant visų EPR metodo privalumų, jo jautrumas dažnai yra nepakankamas, kad būtų galima aptikti laisvuosius radikalus, kurie tuo tarpu ne tik susidaro tiriamame mėginyje, bet ir dalyvauja svarbiuose jame vykstančiuose procesuose. Visa problema yra didelis cheminis radikalų aktyvumas. Biologinėse sistemose deguonies radikalų arba lipidų radikalų susidarymo greitis membranose nėra toks didelis, tačiau šių radikalų išnykimo tempai yra labai dideli; Todėl radikalų koncentracija bet kuriuo metu (vadinamoji stacionari koncentracija) dažnai yra tokia maža, kad EPR jų neįmanoma aptikti. Kuo radikalas aktyvesnis, tuo mažesnė jo koncentracija stacionariai ir tuo mažesnė tikimybė, kad jį „pamatys“ EPR. Išeitis – aktyvūs radikalai paverčiami neaktyviais, stabiliais, kurie aptinkami naudojant EPR. Šiuo tikslu į tiriamą mėginį (pavyzdžiui, į ląstelių suspensiją, audinių homogenatą ar tirpalą, kuriame vyksta reakcijos, kuriose dalyvauja laisvieji radikalai) dedama specialių medžiagų, vadinamų sukimosiomis gaudyklėmis (nors jos „pagauna“, žinoma, ne sukinius, bet radikalai). Pavyzdžiui, norint „pagauti“ hidroksilo radikalus HO. Naudojamas fenilbutilnitronas (PBN).

Kai spąstai sąveikauja su radikalu, radikalas prisijungia prie spąstų ir sudaro naują, stabilų radikalą, vadinamą „sukimosi aduktu“ (iš angliško žodžio add - add, add). Skirtingų radikalų sukimosi aduktų EPR signalai šiek tiek skiriasi forma. Tai leidžia identifikuoti radikalus, susidariusius tiriamoje sistemoje. 8 paveiksle kairėje pavaizduotas PBN sukimosi adukto su OH radikalu EPR signalas, susidarantis dvivalenčių geležies jonams skaidant vandenilio peroksidą, o dešinėje – to paties adukto EPR signalas, susidaręs dalyvaujant. PBN hipochloritui sąveikaujant su dvivalenčiais geležies jonais.

Kitų radikalų (tarkim, superoksido) gaudymui naudojami kiti spąstai. Kadangi sukimosi spąstai „sulaiko“ laisvuosius radikalus, jis sulėtina (slopina) šių radikalų sukeliamą procesą, pavyzdžiui, sumažina radikalų daromą žalą gyvoms ląstelėms. JIS. Taigi sukimosi spąstai naudojami dviem tikslams: išsiaiškinti, kokie radikalai susidaro ir kokius procesus ląstelėje jie sukelia.

Chemiliuminescencijos metodas

Veiksmingas metodas reakcijoms, kuriose dalyvauja radikalai, tirti yra chemiliuminescencijos (CL) metodas. Jis pagrįstas tuo, kad radikalams sąveikaujant vieniems su kitais išsiskiria daug energijos, kuri gali būti išspinduliuojama fotonų (šviesos kvantų) pavidalu. Tokios liuminescencijos (CL) intensyvumas yra proporcingas reakcijos, kurioje dalyvauja radikalai, greičiui ir todėl parodo jų koncentracijos pokytį tiriamo proceso metu. Išsamiau apie tai bus kalbama paskaitoje „Vidinė chemiliuminescencija („itin silpnas švytėjimas“) biologinėse sistemose.

Reakcijų kinetikos tyrimas

Reakcijos, kuriose dalyvauja laisvieji radikalai, ypač grandininės oksidacijos reakcijos, yra labai sudėtingos ir vyksta keliais nuosekliais etapais. Tiriant grandininių reakcijų mechanizmą, pagrindinis vaidmuo teko procesų kinetikos tyrimui; Šiuo atveju chemiliuminescencijos kinetikos matavimas leidžia tiesiogiai matyti radikalų, pavyzdžiui, lipidų radikalų, koncentracijos pokyčius laikui bėgant. Lygiagretūs chemiliuminescencijos, geležies geležies jonų oksidacijos ir reakcijos produktų kaupimosi mitochondrijų ir fosfolipidinių pūslelių (liposomų) suspensijose matavimai leido eksperimentiškai nustatyti pagrindinių lipidų laisvųjų radikalų grandininės oksidacijos reakcijų greičio konstantas.