 |
 |
|
 |
|
|
РАДИКАЛЫ СВОБОДНЫЕ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
кинетически независимые частицы, характеризующиеся наличием неспаренных электронов. Например, к неорганическим Р. с., имеющим на внешнем уровне один электрон (см. Атом, Валентность), относятся атомы водорода Н·, щелочных металлов (Na·, К· и др.) и галогенов (Cl, Br, F, I), молекулы окиси ·NO и двуокиси NO2 азота (точка означает неспаренный электрон). Наиболее широко распространены Р. с. в органической химии. Их подразделяют на короткоживущие и долгоживущие. Короткоживущие алкильные (R) и арильные (Ar) Р. с. со временем жизни менее 0,1 сек образуются при гомолитическом расщеплении различных химических связей. Впервые алкильные Р. с. метил (CН3) и этил (СН3CН2) были обнаружены (1929) Ф. Панетом при термическом разложении тетраметил- и тетраэтилсвинца в газовой фазе. Для короткоживущих Р. с. характерны реакции рекомбинации (а), присоединения (б) и диспропорционирования (в), протекающие с очень высокими скоростями:
CH3CH2CH2 + CH3CH2CH2 = CH3(CH2)4CH3 (а)
CH3CH2CH2 + R = CH3CH2CH2 0110126352.tif (б)
CH3CH2CH2 + CH3CH2CH2 == CH3CH2CH3 + CH3CH=CH2 (в)
С. Хиншелвуд и Н. Н. Семенов (См. Семёнов) показали важную роль короткоживущих Р. с. в цепных реакциях (См. Цепные реакции), механизм которых включает перечисленные выше типы реакций.
Значительное число Р. с. принадлежит к долгоживущим, или стабильным. В зависимости от условий (например, наличие или отсутствие влаги и кислорода воздуха) продолжительность жизни их составляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет. Более высокая устойчивость этих Р. с. обусловлена следующими основными причинами: 1) частичной потерей активности неспаренного электрона в результате взаимодействия его со многими атомами молекулы (т. н. делокализация неспаренного электрона); 2) малой доступностью атома, несущего неспаренный электрон, вследствие экранирования его соседними атомами (см. Пространственные затруднения).
Первый стабильный Р. с. — трифенил-метил (С6Н5)3C был получен (1900) американским химиком М. Гомбергом при действии серебра на трифенилбромметан. Устойчивость этого радикала связана с делокализацией неспаренного электрона по всем атомам, что формально можно объяснить резонансом между возможными электронными структурами (см. Резонанса теория, Квантовая химия):
0143408717.tif
Известно большое число триарилметильных Р. с. К Р. с., стабильным благодаря пространственным явлениям, относятся продукты окисления замещенных фенолов, т. н. феноксильные Р. с., например три-трет-бутилфеноксил (1). Др. примеры долгоживущих Р. с. — дифенилпикрилгидразил (II), а также иминоксильные Р. с., апреля тетраметилпиперидиноксил (III) и Бис-трифторметилнитроксил (IV):
0176205436.tif
При окислении или восстановлении нейтральных молекул образуются заряженные Р. с. — катион-радикалы (например, при окислении ароматических углеводородов кислородом) или анион-радикалы (при восстановлении ароматических углеводородов щелочными металлами):
0144995482.tif
Самостоятельную группу анион-радикалов представляют открытые (1932) нем. химиком Л. Михаэлисом продукты одноэлектронного восстановления хинонов — семихиноны, например бензосемихинон:
0194873414.tif
Р. с., содержащие два не взаимодействующих друг с другом неспаренных электрона, называют бирадикалами; примером может служить углеводород Шлёнка:
0155065568.tif
К неорганическим бирадикалам относится молекула кислорода. Существуют также полирадикалы, содержащие более двух неспаренных электронов.
Р. с. исследуются различными физико-химическими методами (электронная спектроскопия, масс-спектроскопия, электрохимические методы, метод ядерного магнитного резонанса). Наиболее эффективен метод электронного парамагнитного резонанса (См. Электронный парамагнитный резонанс) (ЭПР), которым можно исследовать и короткоживущие Р. с. ЭПР даёт уникальную информацию о физической природе неспаренного электрона и характере его поведения в молекуле; эти данные весьма ценны для квантовохимических расчётов.
Короткоживущие Р. с. — промежуточные частицы во многих органических реакциях (радикальное галогенирование, сульфо-хлорирование, металлирование, реакции Виттига, Кольбе, Коновалова, разложение органических перекисей и др.), а также в реакциях, протекающих под действием ионизирующих излучений. Долгоживущие Р. с. используются как стабилизаторы для легко окисляющихся соединений, как «ловушки» для короткоживущих радикалов, а также в ряде кинетических исследований. Изучение катион-радикалов и анион-радикалов даёт ценную информацию о характере взаимодействия ионов в растворе. Р. с. играют большую роль в окислительно-восстановительных, фотохимических и каталитических процессах, а также в важнейших промышленных процессах: полимеризации (См. Полимеризация), теломеризации (См. Теломеризация), Пиролиза, Крекинга, горения (См. Горение), Взрыва, гетерогенного Катализа.
Лит.: Уоллинг Ч., Свободные радикалы в растворе, пер. с англ., М., 1960; Семёнов Н. Н., О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности, 2 изд., М., 1958; Бучаченко А. Л., Вассерман А. М., Стабильные радикалы. Электронное строение, реакционная способность и применение, М., 1973.
Н. Т. Иоффе.
В биологических системах многие биохимические реакции протекают с участием Р. с. в качестве активных промежуточных продуктов. Методом ЭПР показано, что все активно метаболизирующие клетки растений и животных содержат Р. с. в концентрации 10-6—10-8 молей на 1 г ткани. Особенно значительна роль Р. с. в реакциях окисления биологического (См. Окисление биологическое), где они участвуют в образовании переносчиков электронов типа хинонов и флавинов, входящих в мембранные структуры. Р. с. возникают также при перекисном окислении липидов в биологических мембранах.
В организме Р. с. могут генерироваться и при действии на него различных физических и химических факторов. В частности, влияние радиации на организмы связывают с образованием Р. с. как при радиолизе воды, содержащейся в клетках (радикалы ·ОН, HO·2), так и при воздействии излучений на молекулы органических веществ и биополимеров клетки (см. Биологическое действие ионизирующих излучений, Кислородный эффект). Иминоксильные Р. с. широко применяют в биохимических исследованиях для выяснения конфигурации белковых молекул (метод спиновой метки и метод парамагнитного зонда) и функциональных свойств биологических мембран.
Лит.: Козлов Ю. П., Свободнорадикальные процессы в биологических системах, в книга: Биофизика, М., 1968; Ингрэм Д., Электронный парамагнитный резонанс в биологии, пер. с англ., М., 1972.
Ю. П. Козлов.
|
| Современная Энциклопедия |
| РАДИКАЛЫ СВОБОДНЫЕ, химические частицы с одним или несколькими неспаренными электронами. Парамагнитны; как правило, реакционноспособны. Промежуточно образуются во многих химических реакциях (горение, полимеризация, радиолиз, ферментативное окисление и др.). Некоторые выделены в индивидуальном состоянии. |
| Медицинская энциклопедия |
атомы или группы химически связанных атомов, обладающие свободными валентностями, т.е. неспаренными (нескомпенсированными) электронами на внешней (валентной) орбитали. Наличие неспаренных электронов определяет высокую химическую реакционную способность и электронный спиновый магнетизм свободных радикалов.
Фундаментальные закономерности реакций с участием Р. с. были установлены Н.Н. Семеновым и его учениками и послужили основой для создания нового раздела физики — химической физики. Значение Р. с. в биологических процессах начали изучать в 30-х гг. 20 века.
Многочисленные данные свидетельствуют об участии Р. с. в нормальном функционировании живых клеток и тканей, а также в развитии некоторых патологических состояний. Установлено, что процесс старения сопровождается появлением и накоплением в тканях аномальных количеств Р. с. и перекисей. Р. с. обладают выраженным мутагенным эффектом. Предполагают, что свободнорадикальные процессы играют существенную роль в онкогенезе. Антибактериальное действие некоторых антибиотиков объясняют их способностью образовывать Р. с., обладающие цитолитическим эффектом в отношении бактериальных клеток.
Существует гипотеза, основанная на теоретических представлениях и экспериментальных данных, что абиогенными предшественниками белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров на Земле были Р. с., образовавшиеся из углекислого газа, аммиака, водяного пара, метана и других простейших соединений первичной атмосферы Земли.
Стабильные Р. с. используют в качестве меток и зондов при изучении конформации белков и нуклеиновых кислот, а также при исследовании механизма взаимодействия субстрата с ферментом, антигена с антителом, свойств биологических мембран и т.п.
Свободные радикалы могут быть нейтральными или заряженными частицами — ионрадикалами, которые в зависимости от знака заряда называют анион-радикалами или катион-радикалами. Обозначают Р. с. символом «0128320720.tif», точка указывает на наличие неспаренного электрона. Наиболее простыми по строению Р. с. живой клетки являются анион-радикал супероксида (0128302765.tif) и нейтральный радикал гидроксила (ОН) — гидроксильный радикал.
В живых организмах Р. с. образуются в результате реакций одноэлектронного окисления или восстановления молекул соответствующими донорами или акцепторами электрона, например кислородом или металлами переменной валентности, а также непосредственно под действием ионизирующего или ультрафиолетового излучения.
Одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в клетках и тканях при участии ряда ферментов, таких как ксантиноксидаза, глюкозооксидаза и др. Действие некоторых антибиотиков основано на том, что они обеспечивают одноэлектронное восстановление молекулярного кислорода, отводя поток электронов от терминальных оксидаз бактериальной клетки. В результате образуются супероксидные, а значит, и гидроксильные радикалы, вызывающие в конечном счете гибель такой клетки.
При действии ионизирующего и ультрафиолетового излучений на аминокислоты, белки, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и липиды в результате отрыва электрона или разрыва химической связи образуются различные Р. с., а также первичные продукты фотолиза — сольватированный (т. е. захваченный молекулами среды, в основном воды) электрон, атом водорода и органические радикалы.
При затраченной энергии ионизирующего излучения в 100 эВ образуется 2—4 свободных радикала, при поглощении каждых 100 квантов света возникает всего несколько свободных радикалов.
В результате реакции с участием Р. с. в облученных белках и нуклеиновых кислотах происходит химическая модификация макромолекул (разрывы пептидных или нуклеиновых связей, образование «сшивок», химические изменения различных аминокислотных остатков, нуклеотидов и др.). Химическая модификация приводит к изменению структуры макромолекулы, ее формы и биохимических свойств, появлению точковых мутаций, к инактивации ферментов, разрушению биологических мембран и т.д.
Полагают, что функционально самой важной и универсальной по распространению группой Р. с. в живых клетках являются семихиноны — анион-радикалы, постоянно образующиеся в ходе обмена веществ и энергии, а именно при окислительно-восстановительных превращениях переносчиков электронов в митохондриях, хлоропластах, мембранах бактериальных клеток и внутриклеточных мембранах эукариотов.
Большое значение для нормальной жизнедеятельности клетки, а также при развитии ряда патологическмх процессов имеют Р. с., образующиеся при окислении липидов молекулярным кислородом, в первую очередь при окислении полиненасыщенных жирных кислот и жирных кислот фосфолипидов, входящих в состав липопротеидов и биологических мембран.
Как показал Б.Н. Тарусов (1954), механизм свободнорадикального окисления липидов в тканях и мембранах соответствует общим законам ценного окисления. Процесс цепного окисления начинается со стадии инициирования. причем в роли инициатора может выступать ОН-радикал, способный отнимать атом водорода у органических соединений (RH) с образованием воды и активного органического свободного радикала, участвующего в цепи последующих реакции.
Методы определения Р. с. и процессов, протекающих с их образованием, различны. Прямое определение Р. с. в клетках и тканях, в растворах и суспензиях клеточных органелл при физиологической температуре трудно осуществимо из-за высокой реакционной способности Р. с. и малого времени жизни, вследствие чего их стационарная концентрация в исследуемых объектах очень низка. При замораживании объектов скорость свободнорадикальных процессов замедляется, а при глубоком охлаждении она практически равна нулю. В таких образцах Р. с. могут быть зарегистрированы оптическими методами исследования (<<Оптические методы исследования>>) путем измерения спектров поглощения или с помощью люминесценции. Однако наиболее объективным прямым методом обнаружения и определения Р. с. является метод электронного парамагнитного резонанса.
Для обнаружения Р. с. некоторых типов используется чувствительный метод — хемолюминесценция. Разработаны химические методы регистрации Р. с., например метод, основанный на способности Р. с. инициировать реакцию сополимеризации с использованием радиоактивных мономеров и биополимеров. По окончании реакции мономеры, не включившиеся в сополимер, удаляют и с помощью счетчиков излучения оценивают степень сополимеризации.
Р. с. участвуют в процессах окисления, окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания. Установлено, что в норме в клетках постоянно протекают процессы свободнорадикального окисления липидов. Фагоцитоз микроорганизмов и вирусов сопровождается активацией свободнорадикального окисления.
Важную роль играют Р. с. в патологических процессах. Усиление свободнорадикалького окисления липидов может привести к нарушению нормальной жизнедеятельности организма и создать условия для развития ряда заболеваний. Признаками участия свободнорадикального окисления липидов в развитии того или иного заболевания, помимо активации свободнорадикального окисления, являются нарастание клинической симптоматики, а также улучшение состояния больного или его полное излечение в результате торможения свободнорадикального окисления липидов при терапии антиоксидантами.
Об активации процесса свободнорадикального окисления судят обычно по увеличению содержания в тканях и крови больных Р. с., липидных гидроперекисей, альдегидов, в частности малонового диальдегида, а также по снижению содержания липидных антиоксидантов. Разработан метод регистрации уровня свободнорадикального окисления в организме больных в клинических условиях по содержанию пентана в выдыхаемом воздухе. Усиление свободнорадикального окисления липидов было обнаружено в печени при отравлении четыреххлористым углеродом, алкоголем, солями меди, озоном, кислородом, в коже после УФ-облучения, в очагах гипоксии и воспаления и при ожогах, в сетчатке глаза при чрезмерном освещении, во всех органах и тканях при развитии лучевой болезни (<<Лучевая болезнь>>) и на определенных стадиях онкогенеза, при некоторых инфекционных болезнях, авитаминозах, воспалительных процессах: в мозге животных усиление свободнорадикального окисления липидов было выявлено при экспериментальной эпилепсии и т.д. Однако патогенетическая роль свободнорадикального окисления липидов во всех этих случаях пока не ясна.
Состояние больных или животных (в условиях эксперимента) почти всегда значительно улучшается после терапии биоантиоксидантами: например, уменьшается эритема, вызванная УФ-облучением кожи, снижается токсическое действие на организм четыреххлористого углерода, купируются эпилептические припадки (в эксперименте), увеличиваются сроки консервации клеток и органов. Описано успешное применение антиоксидантов при печении ожогов и ишемической болезни сердца, связанной с атеросклерозом.
Большое внимание исследователи уделяют роли Р. с. в онкогенезе, Обнаружена корреляция между способностью ряда онкогенов к образованию Р. с. и их онкогенной активностью. Как правило, по мере развития опухоли концентрация Р. с. в тканях снижается в 2—6 раз по сравнению с контролем, а интенсивность свободнорадикального окисления в других тканях организма обычно повышается, особенно на терминальных стадиях болезни, что, возможно, связано с перераспределением антиоксидантов между тканью злокачественной опухоли и другими тканями.
Библиогр.: Ажипа Я.И. Медико-биологические аспекты применения метода электронного парамагнитного резонанса, М., 1983, библиогр.; Владимиров Ю.А. и Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, М., 1972; Козлов Ю.П. Свободные радикалы и их роль в нормальных и патологических процессах. М., 1973; Свободные радикалы в биологии, под ред. У. Прайора, пер. с англ., т.1—2, М., 1979. |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
