Ярким примером свободнорадикальных реакций в небиологических системах является повреждение озонового слоя атмосферы. Разрушительное влияние хлорфторуглеводородов (ХФУ), таких как фреон, связано с образованием свободных радикалов в верхних слоях атмосферы. ХФУ — прочные молекулы, которые не разрушаются в насыщенных водяными парами нижних слоях атмосферы. Но выше они расщепляются под действием ультрафиолетовых лучей, высвобождая атомы хлора. Атомам хлора до заполнения электронной оболочки не хватает всего одного электрона, и поэтому они чрезвычайно реакционноспособны. Они могут отнимать электроны практически у любых молекул. Всего одного атома хлора достаточно, чтобы запустить цепную реакцию, уничтожающую 100 тыс. молекул озона. По данным Агентства по охране окружающей среды США, 1 г фреона может разрушить 70 кг озона.
Остановить цепную реакцию с участием свободных радикалов можно лишь двумя способами: либо за счет реакции между двумя радикалами, в результате которой их неспаренные электроны образуют счастливый союз, либо за счет создания малоактивных свободных радикалов, не поддерживающих цепных реакций (как грабитель, который перестал воровать из-за угрызений совести). В этих процессах участвуют некоторые известные антиоксиданты, такие как витамины С и Е. Хотя продукты их реакций тоже являются свободными радикалами, они настолько неактивны, что цепные реакции прекращаются, не нанося большого вреда.
Если под действием излучения вода теряет второй электрон, образуется пероксид водорода (перекись), известный своими отбеливающими свойствами. Отбеливающий эффект — результат окисления органических пигментов, у которых пероксид водорода отнимает электроны. Благодаря окислительным свойствам пероксид водорода убивает бактерий, и отчасти этим вызвана слабая антисептическая активность меда, который с древних времен использовали для заживления ран. Основное промышленное применение пероксида водорода тоже связано с его окислительной активностью. Например, его употребляют для окисления примесей в воде и промышленных стоках, для отбеливания тканей и бумаги, а также для обработки пищевых продуктов, минеральных веществ, продуктов перегонки нефти и детергентов.
Хотя это вещество широко используют в качестве окислителя, по химической активности оно располагается между водой и кислородом, что объясняет двойственность его свойств. Пероксид водорода ведет себя в зависимости от окружения, как грабитель, который может встать на путь исправления. Более того, в реакции между двумя молекулами пероксида водорода происходят превращения одновременно в двух направлениях: одна молекула получает два электрона и становится водой, а другая отдает два электрона и образует кислород. Разложение пероксида водорода отчасти является причиной выделения кислорода из воды под действием радиации:
2H2O2 → 2H2O + O2
Однако значительно более важная и опасная реакция происходит в присутствии железа, которое может передавать пероксиду водорода поочередно по одному электрону, в результате чего образуются гидроксильные радикалы. Если в среде присутствует растворенное железо, пероксид водорода представляет реальную опасность. Организмы всеми силами стараются избежать поглощения растворенного железа. Реакцию между пероксидом водорода и железом называют реакцией Фентона по имени химика Генри Фентона из Кембриджа, впервые описавшего ее в 1894 г.:
H2O2 + Fe2+ → OH+ + OH- + Fe3+
Фентон показал, что эта реакция может приводить к повреждению самых разных органов. Основная причина токсичности пероксида водорода заключается в том, что в присутствии растворенного железа он образует гидроксильные радикалы, но самая большая опасность кроется в низкой реакционной способности пероксида водорода в отсутствие железа. У пероксида водорода есть время на то, чтобы войти в клетку и даже проникнуть в ядро, где он смешивается с ДНК и в присутствии железа превращается в активный гидроксильный радикал
[34]. Из-за этого коварного действия пероксид водорода оказывается еще опаснее, чем гидроксильные радикалы, образующиеся вне ядра. Железо содержится во многих белках, в том числе в гемоглобине. Если железосодержащие белки встречаются с пероксидом водорода, они мгновенно теряют активность. Пероксид водорода — как гангстер: тихий субъект, практически неопасный для большинства случайных прохожих, но мгновенно проявляющий агрессию при встрече с членом другой банды. Повреждение железосодержащих белков может быть столь же быстрым и специфичным, как удар под дых.
Итак, мы обсудили свойства двух из трех промежуточных соединений на пути превращения воды в кислород. Первое промежуточное соединение, гидроксильный радикал, является одним из самых реакционноспосооных химических веществ. Он реагирует со всеми биологическими молекулами за миллионные доли секунды, вызывая цепные реакции, усиливающие повреждение. Второе промежуточное соединение, пероксид водорода, гораздо менее активно, почти инертно, но лишь до тех пор, пока не встретится с железом (в растворе или в молекуле белка). В результате быстрой реакции с железом образуются гидроксильные радикалы, вновь возвращающие нас к первой стадии процесса. А что можно сказать о третьем промежуточном соединении, супероксидном радикале (О2-+)? Подобно пероксиду водорода, это не очень активный радикал
[35]. Однако он тоже имеет сродство к железу и выводит его из комплексов с белками и из тканевых депо. Чтобы понять, чем это грозит, нужно опять обратиться к реакции Фентона.
Опасность реакции Фентона заключается в том, что она приводит к образованию гидроксильных радикалов, но, когда все доступное железо использовано, она останавливается. Любая другая химическая реакция, приводящая к образованию растворимых форм железа, способствует возобновлению реакции Фентона. Поскольку у супероксидного радикала есть один лишний электрон, мешающий ему превратиться в молекулярный кислород, он с наибольшей вероятностью отдаст этот электрон, чем получит где-то еще три электрона и превратится в воду. Однако очень немногие молекулы способны принимать единственный электрон. Самым подходящим акцептором, которому супероксидный радикал может передать свой электрон, является ион железа. В результате железо опять переходит в ту форму, в которой может участвовать в реакции Фентона:
O2-+ + Fe3+ → O2 + Fe2+
