RADICALII LIBERI IN FIZIOPATOLOGIA UMANA

DEFINITIE, PROPRIETATI, MODALITATI DE PRODUCERE

Radicalii liberi pot fi definiti ca molecule sau fragmente moleculare ce contin un electron impar. Radicalii liberi de oxigen (RLO) sau speciile reactive de oxigen (ROS) sunt atat radicali care contin oxigen, cat si alte specii de molecule care produc, acesti radicali in cursul reactiilor la care participa.

 Proprietati ale radicalilor liberi (RL):

1) contin unul sau mai multi electroni impari; se cunosc si RL cu doi orbitali partial ocupati;

2) pot fi neutri sau incarcati electric (pozitiv sau negativ);

3) poseda o foarte mare reactivitate chimica, ce depinde de concentratie si temperatura.

 Modalitati de producere a radicalilor liberi:

Homoliza si transferul de electroni in reactiile redox

a) scindarea homolitica a unei legaturi covalente, fiecare fragment molecular rezultat pastrand cate un electron din cadrul legaturii.

          X:Y --> X + Y

b) pierderea unui singur electron de la o molecula normala

           X – e --> X ⁺

c) adtia unui electron la o molecula normala

           X + e --> X 

Ultimele doua modalitati de producere a RL (transferul de electroni) sunt cel mai frecvent intalnite in procesele biologice; homoliza necesita energii inalte, de natura termica, radiatii UV sau radiatii ionizante.

N.B. Exista si scindare heterolitica, in care electronii unei legaturi covalente sunt preluati de unul dintre fragmentele moleculare rezultate; prin heteroliza nu se obtin RL, ci reprezinta o sursa de ioni incarcati electric.

 X : Y --> X : + Y⁺

Fotoliza si radioliza apei

Radioliza apei se poate rezuma prin ecuatia:

 H₂O --> (H₂O⁺, e^–) --> H₃O⁺, H, OH, e^–_aq, H₂O₂, H₂

Descompunerea apei este impresionanta prin gama larga de RL derivati de oxigen si hidrogen, cat si prin aparitia electronului hidratat.

Reactii enzimatice

Reactiile enzimatice din organism constituie o sursa inepuizabila de RL intermediari, care reactioneaza intre ei sau cu alte substante producand compusi stabili. Cei mai raspanditi RL sunt cei de tip semichinonici, de tipul:

 Oxidant + Reducator --> 2 RL (Semichinone) --> Produsi

 Benzochinona + NADH + H⁺ --> (Semichinone) --> Hidrochinona + NAD

 In general, reacitile enzimatice redox implica mecanisme cu transfer mixt de 1 sau 2 electroni. RL apar din molecula substratului de forma:

 Acceptor de electroni,--> AH₂ --> AH --> A (oxidare)

 Donor de electroni,--> A --> AH --> AH₂ (reducere)

Radicali liberi existenti in natura

Se admite si existenta radicalilor liberi in natura, mai ales in atmosfera, astfel ca implicarea acestor compusi este universala. Azotul si mai ales oxigenul, formeaza destul de usor RL specifici, care genereaza noi RL prin reactii cu alti compusi. NO si NO₂ pot fi socotiti RL stabili, ei existand in atmosfera in concentratii relativ mici.

Exemplificarea obtinerii principalilor RL

a) reducerea O₂ prin transferul unui singur electron va produce superoxidul

      O₂ + e^– --> O₂^–

b) prin reducerea O₂ cu doi electroni rezulta peroxidul de hidrogen

      O₂ + 2e^– + 2H⁺ --> H₂O₂

c) in sistemele biologice, H₂O₂ poate fi obinut din reactia a doua molecule de superoxid

           2O₂^– + 2H⁺--> H₂O₂ + O₂

Se constata ca din reactantii RL se obtin produsi non RL; aceasta reactie se numeste dismutare si poate avea loc spontan (desi destul de lent) sau poate fi catalizata de enzime SOD (superoxid dismutaza).

H₂O₂ nu este RL dar intra in categoria ROS (“Reactive Oxygen Species”) ce include nu numai RLO dar si non RLO care sunt insa implicati in producerea de RLO.

d) H₂O₂ este un compus foarte important in biochimia RL, deoarece se poate scinda usor mai ales in prezenta ionilor metalelor tranzitionale, de unde rezulta radicalul hidroxil (OH) – cel mai reactiv si distrugator dintre RL.

     H₂O₂ + Fe²⁺ --> OH + OH^– + Fe³⁺

Aceasta reactie este cunoscuta ca reactia Haber-Weiss catalizata de fier.

In sistemele biologice, reactiile spontane sunt foarte putin probabil sa se produca, datorita concentratiilor scazute ale reactantilor.

Reactiile catalizate de Fe/Cu pot fi considerate ca fiind dependente de O₂^– din doua motive:

1) O₂^– e sursa de H₂O₂ (vezi c), care apoi formeaza OH cu Fe/Cu.

2) O₂^– poate fi agent reducator al metalelor tranzitionale:

     O₂^– + Fe³⁺ --> Fe²⁺ + O₂

     O₂^– + Cu²⁺--> Cu⁺ + O₂

Fe²⁺ si Cu⁺ sunt mult mai reactive cu H₂O₂ decat formele lor oxidate (Fe³⁺ si Cu²⁺).

Concluzie: Reactia O₂ cu metalele tranzitionale, poate fi considerata o reacie redox reversibila si este foarte importanta in promovarea reactiilor RL.

e) reactia Haber-Weiss necatalizata este reactia directa H₂O₂ cu superoxidul:

  O₂^– + H₂O₂ --> OH + OH^– + O₂

f) oxidarea metalelor tranzitionale reduse poate de asemenea sa genereze O₂^– :

  Fe²⁺ + O₂ --> Fe³⁺ + O₂^–

  Cu⁺ + O₂ --> Cu²⁺ + O₂^–

SUPEROXIDUL

 Desi apartine RLO nu este o specie distructiva; in natura exista in majoritate in forma redusa si principalul rol e probabil ca sursa de H₂O₂ si ca agent reducator al ionilor metalelor tranzitionale. Reactia sa cu NO (EDRF – Endothelium Derived Relaxing Factor) s-a dovedit a avea importanta fiziologica.

 La valori scazute ale pH-ului, O₂^– se poate protona, formand radicalul perhidroxil (HO₂) care e mult mai reactiv; la pH fiziologic, mai putin de 1% din O₂^– se afla in forma protonata.

PEROXIDUL DE HIDROGEN

 Este un agent oxidant, dar nu foarte reactiv; principalul rol e ca sursa de radicali OH in prezenta ionilor metalelor tranzitionale. In absenta metalelor catalizatoare, O₂^– si H₂O₂ sunt cu usurinta indepartati si practic inofensivi.

RADICALUL HIDROXIL

 Este un radical extrem de reactiv si poate reactiona cu majoritatea bio-moleculelor la rate de difuzie controlata; prin urmare, in interiorul unei celule nu va difuza pe o distanta prea mare inainte de a reactiona, deci are un t_1/2 extrem de scurt; totusi are efecte distructive foarte mari pe raza mica de deplasare de la locul producerii.

 RLO nu sunt singurii RL importani in biochimie, desi sunt de obicei primele specii care se formeaza. Alti RL care prezinta importanta sunt RL ai carbonului (R) care provin din atacul RLO (mai ales al OH) asupra unei bio-molecule: lipide, acizi nucleici, carbohidrati, proteine. Acestea reactioneaza foarte rapid cu oxigenul, formand radicalul peroxil (ROO). La randul sau peroxilul poate participa la reactii ce conduc la formarea radicalului alcoxil (RO).

 Atomii de S, pot forma si ei RL (RS), ca de exemplu in oxidarea glutationului.