Методичні підходи до вивчення вільнорадикального механізму в гігієні і фізіології праці

Методичні підходи до вивчення вільнорадикального механізму в гігієні і фізіології праці

Любов ГОВТА,

провідний спеціаліст, Донецький державний

медичний університет ім. М. Горького

Останнім часом відзначається підвищений інтерес до з'ясування загальних закономірностей і неспецифічних механізмів токсичної дії різних сполук. На організм діє комплекс негативних факторів середовища, що відрізняються за характером, механізмом і ступенем шкідливого впливу. Безупинно змінюються умови праці людини, тісно пов'язані з процесами, що протікають у її організмі. Відомо, що різні хімічні забруднення навколишнього середовища при надходженні в організм можуть сприяти порушенню процесів вільнорадикального окиснювання (ВРО), за допомогою якого контролюються найважливіші гомеостатичні фізико-хімічні параметри клітини (в'язкість, вибіркова проникливість, цілісність клітинних мембран).

Вільний радикал (ВР) - частка (атом чи молекула), що має на зовнішній орбіталі один чи кілька неспарених електронів [1, 2]. Мається на увазі хімічно дуже активний електрон, що прагне "вирвати" зі свого оточення електрон, за допомогою якого може утворитися більш стабільна пара. Молекула, за рахунок якої протікає такий процес, стає вільним радикалом, що є початком ланцюгової реакції [3]. У радикалі неспареного електрона не скомпенсований (не погашений) магнітний момент, з чим пов'язана наявність вільної енергії магнітного полю. Це і визначає хімічну активність вільного радикала [4].

Кожна з молекул гормону, вітаміну, ферменту, перетворившись у радикал, стає хімічно активною і може швидко вступати у взаємодію із сусідніми молекулами. У нормі вільні радикали утворюються в незначній кількості у ході зазначених фізіологічних процесів - фагоцитозу, біосинтезу активних окислених чи гідролізованих сполук, пероксисомального обміну, дії ксантин-оксидази, ефекту радіації, синтезу простагландинів, мітохондріального дихання. При порушенні транспорту електронів у мітохондріальному дихальному ланцюзі з'являється велика кількість вільних радикалів у клітині. Це може порушити структурно-функціональну організацію біомембран, що є одним з головних універсальних механізмів ушкодження клітини.

Незважаючи на неповноту сучасних знань про роль ВРО в нормі, на сьогодні встановлено, що вільнорадикальні реакції беруть участь у нормальних метаболічних процесах і регулюють функції клітини.

ВРО починається з утворення первинного радикала. Труднощами утворення вільного радикала, чи ініціювання, є витрата великої кількості енергії (не менше 80-120 ккал/моль). Виникнувши, ВРО далі не залежить від зовнішньої енергії та не вимагає екзогенної енергії й каталізаторів (ферментів) [3]. Крім того, в актах рекомбінації виділяється велика кількість енергії у вигляді тепла чи випромінювання.

Вільний радикал активно реагує із сусідніми молекулами, атакує їх з утворенням нового радикала. При цьому радикал не зникає, неспарений електрон виявляється в іншої молекули, що стає радикалом у ході розвитку ланцюгової реакції. Істотною особливістю ВРО є здатність до розвитку ланцюгової реакції автоокиснення. Найбільш активно ВРО розвивається в жирах [1]. Цілком призупинити ВРО важко, хоча його можна загальмувати - інгібіювати. ВРО має специфічні інгібітори - антиокислювачі. Антиокисну дію мають ті сполуки, радикали яких не здатні продовжити ланцюгову реакцію. Таким чином, відбувається обрив реакції утворення вільних радикалів. Гальмування реакції ВРО приведе до послаблення властивої їй біохемілюмінесценції. Зміна спектра біохемілюмінесценції може характеризувати природу біоантиокиснювачів і ефективність їхнього впливу на вільнорадикальний обмін і ланцюгові процеси. Тканини живого організму містять велику кількість антиокислювачів (токоферол, аскорбінова кислота, адреналін й ін.). Ці речовини біогенного походження названі біоантиокиснювачами. Вони відіграють надзвичайну роль у захисті багатьох біологічних структур від окислювання вільними радикалами [2, 3].

Не всі радикали в тканинах мають токсичну дію, не усі вони здатні брати участь у ВРО. Виділяють кілька груп вільних радикалів, що розрізняються за біологічною роллю.

1. ВР, що беруть участь в обміні. Це жорстко зв'язані в ліпопротеїдних структурах мембран ферменти дихального ланцюга в мітохондріях. Положення цих радикалів у структурі мембран виключає можливість токсичної дії в нормі. Вони необхідні для здійснення нормального обміну, не можуть брати участь у ВРО, не призводять до біохемілюмінесценції, хоча був виявлений зв'язок між інтенсивністю обміну і величиною сигналу електронного парамагнітного резонансу (ЕПР).

2. ВР біоантиокиснювачів (А.). Це відносно стабільні малоактивні довгоживучі радикали, не здатні до продовження ланцюга. Вони здійснюють захисну функцію в біологічних системах. Нагромадження ВР біоантиокиснювачів уловлюється методом ЕПР і супроводжується пригніченням біохемілюмінесценції.

3. Активні короткоживучі ВР, здатні до продовження ланцюга в реакції автоокиснення. Це вільнорадикальний стан молекул ненасичених гліцеридів і жирних кислот протоплазми клітин, плазми крові та лімфи. Відрізняються токсичністю, викликають катаболічні процеси, які призводять до гальмування швидкості росту, прискорюють процес старіння.

ВР жирів викликають активну біохемілюмінесценцію. Ці короткоживучі ВР накопичуються у високих концентраціях і не уловлюються методом ЕПР.

Вивчення ВР має значні труднощі, пов'язані з їх низькою стаціонарною концентрацією іn vіvo, що є наслідком їх високої хімічної активності [2, 3]. Серед методів вивчення ВР хемілюмінесценції належить особливе місце через її високу чутливість. Надслабке світіння - біохемілюмінесценція (випромінювання світла живими організмами) - виникає в процесі ВРО (неферментативного) і несе інформацію про інтенсивність і механізм цього процесу в тканинах і біологічних рідинах [5, 4]. В біологічних системах випущення кванта світла відбувається при реакції рекомбінації пероксидних радикалів [8]. Практичне застосування знайшов метод виміру хемілюмінесценції в присутності так званих "хемілюмінесцентних зондів" - люмінолу і люцегініну. Саме люмінол і люцегінін є активаторами хемілюмінесценції, якщо в досліджуваній системі присутні діоксид і/чи гідроксильний радикал [4, 7].

Хемілюмінесценція в присутності люмінолу застосовується для вивчення швидкості розкладання перекису водню біологічними об'єктами (плазмою крові, гомогенатами тканин, раневими ексудатами), а також для визначення низьких концентрацій металів перемінної валентності [1, 4, 6].

Люцегінін відрізняється від люмінолу реакційною здатністю. Його світіння залежить від присутності діоксиду. Застосовують люцегінін для вивчення утворення О.- - у діоксидутворюючих системах.

У деяких випадках для доказу присутності того чи іншого радикала в системі використовують так званий метод "перехоплювачів", який полягає в тому, що при додаванні в досліджувану систему речовини, швидко взаємодіючої з радикалами, буде гальмуватися процес ВРО тією мірою, в якій вона було додана. Ця речовина конкурує за ВР. Важливою умовою застосування цього методу є використання "перехоплювачів" у досить низьких концентраціях. Такі умови не завжди здійсненні, тому цей метод використовується рідко [2].

Один із найвідоміших і широко використовуваних методів виміру ВР є спектрофотометричний. Але для такого визначення необхідна додаткова перевірка на специфічність за допомогою супероксиддисмутази [2].

Наявність у радикалів незкомпенсованого магнітного моменту лягла в основу методу ЕПР, теорія якого розроблена Е.К. Завойським (1944). За спектрами ЕПР можна знайти й ідентифікувати радикали, а також дати їх кількісну оцінку. До недоліків цього методу варто віднести високу чутливість методу до слідів іонів металів перемінної валентності [6]. Присутність цих металів сильно збільшує швидкість автоокиснення і тим самим знижує чутливість методу.

Таким чином, для ідентифікації нестабільних продуктів ВРО використовують різноманітні методи - хімічні і фізичні (ЕПР і хемілюмінесценція). За чутливістю серед усіх методів перевагу має хемілюмінесценція, яка заснована на реєстрації надслабкого світіння, що супроводжує хімічні реакції екзотермічного типу. Перспективним способом дослідження ВР механізму в гігієні та фізіології праці є реєстрація хемілюмінесценції, що виникає при взаємодії радикалів. Перевагою цього методу слід вважати високу чутливість і можливість визначення короткоживучих радикалів, які іншими способами не реєструються [7]. Хемілюмінесцентний метод має чутливість приблизно в 100 разів вищу за чутливість ЕПР [8]. Дослідження хемілюмінесценції біологічних матеріалів у медичній практиці набуває в останні роки інформаційне і діагностичне значення.

Висновки

1.Для діагностики наявності ВР в організмі можна проводити реєстрацію хемілюмінесценції крові та сечі.

2.При зміні показників хемілюмінесценції крові та сечі необхідно досліджувати причини, що викликають порушення ВРО, і по можливості їх усувати.

Література

1. Максимович В.А., Солдак И.И., Беспалова С.В. Медицинская биоэнергетика. - Донецк: ДонНУ, 2003. - 229 с.

2. Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И. и др. Свободные радикалы в живых системах // Биофизика (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР). - Т. 29. - М., 1991.

3. Радбиль О.С. Свободные радикалы и заболевания органов пищеварения // Клин. мед. - 1989. - № 3 - С. 17-21.

4. Журавлев А.И., Журавлева А.И. Сверхслабое свечение сыворотки крови и его значение в комплексной диагностике. - М.: Медицина, 1975. - 128 с.

5. Барабой В.А., Сутковой Д.А. Окислительно-антиоксидантный гомеостаз в норме и патологии. - Киев: Чернобыльинтеринформ, 1997. - 420 с.

6. Шакиров Д.Ф., Фархутдинов Р.Р., Зулькарнаев Т.Р. Оценка состояния здоровья работающих с помощью хемилюминесцентных методов исследования // Гигиена и санитария. - 1999. - № 3. - С. 36-39.

7. Шакиров. Д.Ф. Состояние свободнорадикального окисления у рабочих нефтеперерабатывающей промышленности // Медицина труда и промышленная экология. - 2001. - №1. - С. 10-13.

8. Гончарук Є.Г., Коршун М.М. Вільнорадикальне окислення як універсальний неспецифічний механізм пошкоджуючої дії шкідливих чинників довкілля // Журнал АМН України. - 2004. - Т. 10, № 1. - С. 131-150.