Основные пути использования кислорода в клетках. Основная масса молекулярного кислорода (80-90%) используется в митохондриях в процессах тканевого дыхания, сопряженного с окислительным фосфорилюваннием, что сопровождается образованием воды. С того количества кислорода, оставшаяся (10-20%), большая часть
расходуется при микросомального окисления, причем главным образом в окислительных цепях эндоплазматического ретикулума печени и других тканей и в митохондриях клеток коры надпочечников.
Для клетки очень важно, чтобы молекула кислорода, присоединив четыре электрона, полностью восстанавливалась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода, в случае присоединения одного или двух электронов, образуются пероксид водорода и различные свободные радикалы - очень токсичны для клеток. Они способны повреждать клеточные мембраны, взаимодействуя с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов. Свободным радикалом называют группу атомов, имеющих свободную валентность, способных активно реагировать с другими веществами (например, гидроксильный радикал-OH, ме-тыльную радикал - CH3 и др..).
Молекулярный кислород в основном триплетном состоянии имеет два неспаренных электрона, которые занимают самостоятельные внешние орбитали с одинаково направленным вращением (спины). Каждая из этих орбиталей может принять еще один электрон. Присоединение одного электрона образует свободный радикал - супероксидный анион (O-), присоединение двух электронов образует пероксидных анион (O22-). Кислородные радикалы: O-- супероксидный; OH - гидроксильный; HO 2 - перекисное (см. ниже) и синглетный кислород (1O -) имеют высокую реакционную способность и взаимодействуют со многими веществами организма, в том числе - нуклеиновыми кислотами, белками, липидами и другими соединениями, вызывая нарушение их функций. В последнее время особый интерес вызывает свободнорадикальное окисление нена-сыченый жирных кислот липидов биологических мембран, так называемое перекисное окисление липидов (ПОЛ) или липопероксидации. Свободные радикалы с короткой продолжительностью существования (HO2 или OH), которые появляются в результате некоторых биохимических реакций, могут реагировать с молекулой жирной кислоты (RH), особенно ненасыщенной, с превращением ее в соответствующий жирнокислотний радикал и образованием перекиси водорода. Таким образом могут окисляться как свободные ненасыщенные жирные кислоты, так и их остатки, которые входят в состав липидов, особенно фосфолипидов. Этот процесс, как отмечалось, называют пероксидным окислением липидов. О его уровне можно судить по количеству малонового диальдегида, который образуется в клетке. Очевидно, что функциональная роль реакций этого типа заключается в регуляции обновления и проницаемости липидов биологических мембран. В частности образованные продукты перекисного окисления лучше растворяются в воде, чем исходные ненасыщенные высшие жирные кислоты, поэтому они легче вымываются из мембран, способствует процессам самовосстановления мембранных структур и является необходимым для нормального их функционирования. Кроме того, перекисное окисление необходимое для биосинтеза ряда биологически активных веществ, например, кортикостероидов - гормонов коры надпочечников, прогестерона - женского полового гормона, простагландинов - клеточных гормонов и др..
В то же время усиление перекисного окисления липидов может изменять их конформацию, уменьшать гидрофобность, приводить к образованию ковалентных сшивок между молекулами липидов или липидов и белков. Вследствие этого при окислении мембранных липидов резко меняется их структура и нарушаются функции. Активные формы кислорода в организме образуются в реакциях самопроизвольного (неферментативного) окисления ряда веществ. Так, одним из важных примеров может служить окисления гемоглобина в метгемоглобин, в результате чего утворюеься супероксид.
Усиление процессов свободнорадикального окисления, которое наблюдается при ультрафиолетового облучения, действия ультразвука, радиации и других воздействий, может вызвать серьезные нарушения в обмене веществ и энергии, функциях и структуре клетки. Например, в случае лучевой болезни происходит нарушение уникальной структуры биологических мембран, их разрыхления и, вследствие этого, нарушение структурированности ферментов и их систем. Накопление пероксидов в значительных количествах в митохондриях вызывает их набухание и разрушение, что приводит к нарушению упорядоченности, фиксации и функций ферментативных систем дыхания, которые сосредоточены на внутренний и внешний мембранах митохондрий. Одним из самых серьезных нарушений энергетического обмена в случае усиления свободно-радикального окисления также разобщении дыхания и фосфорилю-ния, а следовательно, и ослабление биосинтеза макроэргических соединений, особенно АТФ. Это в свою очередь тормозит процессы биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и других соединений, а также нарушает функции организма. Такие сдвиги особенно тяжело сказываются на ЦНС, поскольку мозг очень чувствителен к нарушениям дыхания и к повышенному содержанию различных продуктов обмена. Проведение таких лечебных манипуляций, как вдыхание кислорода повышенного давления во время проведения гипербарической оксигенации в специальных камерах, может привести к усилению пероксид-ного окисления. Гипербарическая оксигенация является одним из перспективных и эффективных средств лечения. Она применяется в случае значительных потерь крови и некоторых других форм анемии, связанных со снижением уровня гемоглобина, при заболеваниях дыхательных путей, нарушениях работы сердца, тяжелых операциях, в том числе на сердце и крупных сосудах, а также в других случаях, когда необходимо усилить дыхание. В случае применения этого метода лечения повышается не только количество оксигемоглобина, но и концентрация кислорода, растворенного в плазме, быстро диффундирует в ткани, улучшая дыхание клеток, а следовательно - обмен и их функции. Но следует помнить, что при вдыхании кислорода под давлением может усилиться свободнорадикальное окисление липидов, которое приводит к негативным последствиям. Поэтому профилактически следует назначать лекарственные средства, способные тормозить этот процесс.
С возрастом накопление пероксидов липидов ускоряет процесс старения организма. Они также задерживают деление клеток, чем снижают процессы заживления поврежденных тканей.