Природа свободных радикалов кислорода

В соответствии с законами квантовой химии каждый из электронов, находящихся в поле одного или нескольких атомных ядер и занимающих определенную часть пространства около ядра, описывается своей волновой функцией (атомной или молекулярной орбиталью). Каждая из этих орбиталей может быть занята максимально двумя электронами, обладающими противоположными друг другу собственными вращательными моментами количества движения (спинами). Один из спаренных между собой электронов имеет спин, направленный по часовой стрелке, другой — против часовой стрелки. Парой таких электронов, как правило, формируются химические связи в молекулах. Кислород представляет собой исключение из этого правила. В его двухатомной молекуле два электрона на внешней электронной оболочке имеют особое расположение. Эта особенность включается в том, что каждый из этих электронов размещается на двух разных орбиталях и, следовательно, является неспаренным. Таким образом, молекула кислорода содержит два неспаренных электрона, обладающих одинаковыми (параллельными) спинами (рис. 11).

Если принять во внимание, что свободными радикалами называются молекулы или их фрагменты, содержащие один или более неспаренных электронов, то становится понятным, почему сама молекула кислорода квалифицируется как радикал, точнее — бирадикал. Наличие неспаренных электронов придает молекуле особые химические (она становится высоко реактивной) и физические (парамагнитные) свойства.

Как видно из рис. 11, включение электронов в неполностью занятые орбитали или обращение спина в одном из неспаренных электронов приводит к образованию различных активированных форм кислорода, являющихся значительно более реакционноспособными, чем молекулярный кислород. Так, при обращении спина у одного из неспаренных электронов в молекуле кислорода возникает синглетный кислород O2, существующий, как показано на рис. 11, в двух разновидностях. Супероксидный анион-радикал, образующийся при включении добавочного электрона (одноэлектронное восстановление кислорода) в одну из частично занятых орбиталей, имеет один неспаренный электрон. Перекисный анион (О2в2-) образуется при двухэлектронном восстановлении молекулы кислорода и не имеет неспаренных электронов; in vivo он быстро присоединяет два атома водорода, давая в итоге H2O2.

Все эти формы кислорода имеют различную реакционную способность, связанную с особенностями их электронной структуры. При взаимодействии молекулярного кислорода с каким-либо субстратом O2 действует как окислитель (акцептор электронов). Однако в обычных условиях O2 не может легко акцептировать спаренные электроны от других атомов или молекул, поскольку эти электроны имеют противоположные спины, и, следовательно, один из электронов не будет соответствовать вакантному пространству на одной из не полностью занятых орбиталей молекулы O2. Для того чтобы успешно произошло акцептирование электронов и, следовательно, формирование новых химических связей какого-либо вещества с кислородом, необходимо затратить энергию либо на обращение спина одного из внешних неспаренных электронов молекулы O2, либо на разрыв связи и обращение спина одного из спаренных электронов молекулы субстрата. Существование подобного «спинового ограничения» при взаимодействии O2 с нерадикальными молекулами существенно замедляет скорость этого взаимодействия. Поэтому молекулярный кислород довольно слабо реагирует с большинством субстратов. Это обстоятельство следует рассматривать как «счастливую случайность» для аэробных организмов, ибо в противном случае сложные биоорганические соединения были бы обречены на их прямое окисление кислородом воздуха. Именно потому, что ионы металлов, особенно таких, как медь и железо, способны быть акцепторами и донорами электронов, они используются в активных участках ферментов, включенных в электронтранспортные цепи митохондрий и эндоплазматического ретикулума. Это позволяет преодолеть спиновые ограничения и обеспечить четырехэлектронное восстановление O2.

Значительно более реактивной формой кислорода является синглетный кислород (O2), образование которого из O2 может происходить, например, при поглощении световой энергии. Молекула 1O2 в отличие от O2 может легко акцептировать два спаренных электрона молекулы субстрата.

Одноэлектронное восстановление кислорода и образование в результате этого супероксидного аниона-радикала (или, как его иногда называют, супероксида — O2) не требует затраты энергии, поскольку оно не ограничено спиновым запретом. В водных растворах супероксид слабо реактивен, действуя совместно с O2 как хороший восстановитель, а совместно с H2O2 — как хороший окислитель. В физиологических условиях супероксид весьма медленно подвергается дисмутации, в процессе которой одна молекула O2 восстанавливает фугую молекулу O2 до H2O2. Реакция дисмутации протекает в дне стадии:

Следует подчеркнуть, что эта реакция резко ускоряется в условиях ацидоза. Несмотря на то, что в водных растворах при физиологических условиях сам супероксид проявляет относительно низкую реакционноспособность, увеличение его продукции имеет важное значение для жизнедеятельности клеток, поскольку в сочетании с некоторыми соединениями кислорода, и прежде всего с H2O2, супероксидный анион-радикал является источником образования других высокореактивных свободнорадикальных форм кислорода. In vitro 07 реагирует с H2O2 довольно медленно. Однако в живых клетках эта реакция резко ускоряется из-за присутствия в них свободных (не связанных с белками) комплексов железа или меди. При этом предполагается следующая последовательность событий:

С наибольшей быстротой эта реакция, известная как реакция Габера—Вейсса, протекает в кислой среде. Как полагают некоторые исследователи, конечным продуктом реакции является синглетный кислород. Hle исключена такая возможность, что кислород, продуцируемый в реакции спонтанной дисмутации супероксидных анион-радикалов, представляет собой не диоксиген (молекулярный кислород), а синглетный кислород.

Следует подчеркнуть, что образующийся в результате реакции между O2 и H2O2 гидроксильный радикал (ОН-) является наиболее реактивной и нестабильной активированной формой кислорода, реагирующей с чрезвычайно широким кругом органических соединений. Однако в норме при физиологических условиях гидроксильный радикал практически не образуется, поскольку для этого нет соответствующих условий (наличие не связанного с белком железа или меди, ацидоз), катализирующих его образование.

Итак, подводя итог сказанному, необходимо отметить, что вследствие уникальных особенностей своей электронной структуры молекулярный кислород, вступая в определенные физикохимические взаимодействия в водных растворах, способен образовывать более реакционноспособные, чем он сам, формы, большинство из которых представляют собой свободные радикалы. Такими активированными формами кислорода являются: O2 (супероксидный анион-радикал); HO2 (гидроперекисный радикал); 1O2 (синглетный кислород); H2O2 (перекись водорода) и ОН- (гидроксильный радикал). Среди этих промежуточных продуктов метаболизма O2 наибольшей химической агрессивностью обладают ОН- и 1O2. Гидроксильный радикал характеризуется весьма высоким редокс-потенциалом, равным +2,7 В, что позволяет ему атаковать и окислять практически любое химическое соединение. Синглетный кислород, на молекулу которого не распространяется спиновый запрет, также способен чрезвычайно быстро взаимодействовать с различными молекулами в участках повышенной электронной плотности.