Изучение механизма цепных реакций

Вот уж где польза от измерения неактивированной хемилюминесценции несомненна – так это при изучении механизма цепного окисления липидов в мембранах и липопротеинах плазмы крови. Реакции цепного окисления отличаются большой сложностью и включают в себя целый ряд быстропротекающих стадий. Главные участники реакций, свободные радикалы, обычными методами химического анализа определены быть не могут из-за своей чрезвычайно высокой реакционной способности, а следовательно – неустойчивости в биохимических системах. Между тем измерение хемилюминесценции как раз и позволяет оценивать концентрацию липидных радикалов, ведущих цепи окисления. Интенсивность хемилюминесценции при цепном окислении (пероксидации) липидов равна скорости образования фотонов в реакции:

LOO· + LOO· -> молекулярные продукты + фотон

Скорость самой реакции (т.е. число молей продукта, образующегося в секунду) по закону действующих масс равна:

n=k · [LOO·]^2,

где k – константа скорости реакции взаимодействия радикалов. Следовательно, интенсивность свечения (в числе молей фотонов в секунду) равна:

JХЛ = QХЛ · k · [LOO·]^2,

где Q_ХЛ – квантовый выход хемилюминесценции. Таким образом, интенсивность свечения однозначно отражает концентрацию свободных радикалов, ведущих цепи окисления липидов, в каждый данный момент времени, что представляет собой бесценную информацию для анализа механизма реакций на основе измерений кинетики (т.е. временного хода) хемилюминесценции. Типичная кривая кинетики хемилюминесценции (ХЛ) приведена на рис. 8. Различают несколько стадий процесса, каждая из которых определяется определенными реакциями цепного процесса пероксидации: FF – быстрая вспышка ХЛ, LP – латентный период, SF – медленная вспышка ХЛ, SL – стационарное свечение [5]. Математический анализ такого рода кинетических кривых лежит в основе изучения механизма цепных реакций окисления, которые отличаются большой сложностью. В этом опыте к суспензии митохондрий добавляли ионы двухвалентного железа для запуска реакций цепного окисления липидов. Наряду с измерением хемилюминесценции (ХЛ), определялось накопление продуктов липидной пероксидации (в данном опыте измерялась концентрация производных малонового диальдегида, MDA) и контролировалось снижение концентрации ионов Fe²⁺, добавленных к суспензии. Хорошо видно, что кинетические кривые отличаются большой сложностью, что отражает сложность самого процесса. Подробнее о механизме этих реакций сказано в лекции «Свободные радикалы в биологических системах». В случае Fe²⁺–индуцированной ХЛ в суспензиях мембранных везикул (липосомы, митохондрии, мембраны эндоплазматического ретикулума, клеточные мембраны) кривые ХЛ очень сходны. В итоге мы теперь знаем основные реакции, приводящие к свечению, а также константы скоростей основных стадий самого процесса цепного окисления липидов в биологических мембранах, т.е. стадии инициирования, продолжения цепей, их разветвления или обрыва, как спонтанного, так и в присутствии разных антиоксидантов. Можно уверенно сказать, что все эти знания в значительной мере были получены благодаря измерениям хемилюминесценции, сопровождающей цепное окисление липидов.

Заключение

С развитием техники измерения очень слабых световых потоков стало ясно, что свечение при химических реакциях (хемилюминесценция) – не такая уж экзотика. Слабое свечение сопровождает по существу все химические реакции, идущие с участием свободных радикалов. Собственное свечение животных клеток и тканей обусловлено преимущественно реакциями цепного окисления липидов и реакциями, сопровождающими взаимодействие окиси азота и супероксидного радикала. В присутствии определенных соединений, обычно называемых в отечественной литературе "активаторами", свечение клеток и тканей может быть усилено на несколько порядков величины. Есть нечто романтическое в том, что наши клетки и ткани могут излучать свет, когда работают. Наверное это было побудительной причиной для автора заняться изучением собственного свечения животных тканей сорок лет тому назад. Увы, действительность оказалась иной. Свечение отражает процессы, скорее вредные для организма: в его основе лежат реакции радикалов, которые обладают способностью разрушать клеточные структуры и приводить к развитию болезней человека. В самом этом факте нет ничего удивительного. Свечение связано с выделением большого количества энергии в химической реакции, в которую вступают очень реакционноспособные частицы – свободные радикалы. Но именно в силу высокой химический активности эти же радикалы способны повреждать молекулы и клетки. По этой причине за последние годы исследование хемилюминесценции, сопровождающей биохимические реакции в живых клеток, сместилось из области "чистой" биологии в область медицины. В развитии многих патологических состояний в нашем организме принимают непосредственное участие свободные радикалы кислорода, липидов и белков, а также реакции радикалов с окисью азота. Все эти реакции сопровождаются хемилюминесценцией, изучение которой помогает вникнуть в механизм этих реакций, а значит – поможет понять, как их контролировать.

Вопросы для самоконтроля

1. Молекулярные механизмы образования возбужденного состояния молекулы при реакциях свободных радикалов

2. Квантовый выход хемилюминесценции. Что Вы о нем знаете?

3. Применение хемилюминесценции, сопровождающей образование клетками активных форм кислорода, в клиническом лабораторном анализе.

4. Хемилюминесценция, сопровождающая цепное окисление липидов. Механизм реакций. Изучение кинетики реакций цепного окисления липидов методом хемилюминесценции.

Рекомендуемая литература

1. Владимиров Ю.А. Сверхслабые свечения при биохимических реакциях. М., Наука, 1966.

2. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М. Высшая школа, 1989.

3. Гурвич А.Г. Митогенетическое излучение, М., Госмедиздат, 1934.

4. Владимиров, Ю.А. и Арчаков, А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, Москва, Наука, 1972.

5. Владимиров Ю.А., Шерстнев М.П. Хемилюминесценция клеток животных. Итоги Науки и Техники, Сер. Биофизика, том. 24, Москва, ВИНИТИ, 1989.

 

Лекция 10