Реакции этого пути происходят при участии активных форм кислорода (АФК), которые содержат неспаренный электрон и поэтому являются сильно реакционноспособными, то есть могут окислять различные вещества в организме и тем самым нарушать их структуру. АФК являются агрессивными молекулами в отношении белков, нуклеиновых кислот, а также липидов биологических мембран. АФК запускают цепную реакцию перекисного окисления липидов (ПОЛ), что приводит к нарушению структуры и функций клеточных мембран.

Виды АФК:

- супероксидный анион-радикал (О₂^-.) ;

- перекись водорода Н₂О₂ ;

- гидроксильный радикал (OH^.) ;

- синглетный кислород (¹O₂);

- радикал монооксида азота (NO^.).

АФК образуются как побочные продукты работы дыхательной цепи при неполном восстановлении кислорода. Полное восстановление кислорода сопровождается акцептированием 4 электронов и образованием эндогенной воды. Однако в том случае, когда количество транспортируемых к кислороду электронов меньше четырех, образуются АФК.

Кроме того, АФК могут образовываться и при работе ряда ферментов, например, миелопероксидазы, каталазы, циклооксигеназы, ксантиноксидазы и других.

Образование АФК проходит в клетках постоянно и является обычным метаболическим процессом. Постоянным источником АФК являются макрофаги, которые используют супероксидный анион-радикал для борьбы с чужеродными организмами (вирусами, бактериями), а также со злокачественными клетками. Свободнорадикальное окисление (СРО) необходимо для образования эйкозаноидов из арахидоновой кислоты.

Только 2% АФК используется организмом в полезных для него процессах. Остальная часть АФК (98%) обладает повреждающим действием по отношению к клеточным структурам.

Негативное влияние АФК связано с их способностью стимулировать образование органических перекисей ROOH. Этот процесс получил название перекисного окисления.

Наиболее активно АФК атакуют ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфолипидов мембран. Гидроксильные радикалы забирают атом водорода у СН₂- групп полиненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов мембран, и это приводит к появлению липидных радикалов .

После присоединения кислорода к липидному радикалу образуются реакционноспособные липидный пероксирадикал LОО^.   и перекись липида LOOH:

И липидный пероксирадикал, и перекись водорода могут генерировать образование новых радикалов, и, таким образом, развивается цепная реакция перекисного окисления липидов (ПОЛ).

Одним из конечных продуктов ПОЛ является малоновый диальдегид. Определение его концентрации в крови является показателем активности ПОЛ и служит маркером перекисной деструкции клеточных мембран, которая возникает при многих заболеваниях, например, при сердечно-сосудистых заболеваниях, сахарном диабете, а также при воспалении и эндогенной интоксикации.

Накопление АФК и активация ПОЛ приводят к ряду негативных последствий для клеток:

1) нарушается жидкостно-кристаллическая структура мембран;

2) нарушается работа мембранных ферментов, в том числе и митохондриальных ферментов тканевого дыхания, а также ферментов эндоплазматического ретикулума;

3) нарушается синтез АТФ;

4) повреждаются мембранные транспортный системы;

5) ингибируются синтезы биологических молекул в клетках;

6) разрушаются мембраны лизосом, что приводит к выходу в цитоплазму лизосомальных гидролитических ферментов;

7) накапливаются продукты неполного окисления субстратов с возможным дальнейшим развитием метаболического ацидоза;

8) инактивируются некоторые коферменты.

Антиоксидантная система (АОС) организма

АОС препятствует развитию лавиноподобных свободнорадикальных и перекисных реакций в организме. Эта система работает благодаря специальным веществам – антиоксидантам, в составе которых имеется подвижный атом водорода, который непрочно связан с атомом углерода (С–Н) или серы (S–H). В результате реакции между антиоксидантом и свободным радикалом образуются радикалы антиоксидантов, которые не являются сильными окислителями и которые не могут продолжать цепь реакций СРО, то есть цепь реакций СРО обрывается. Радикалы молекул-антиоксидантов выводятся из организма в составе конечных продуктов.

Антиоксиданты могут инактивировать свободные радикалы еще до начала их повреждающего действия.

1) ферменты АОС;

2) макромолекулярные неферментативные антиоксиданты;

3) низкомолекулярные неферментативные антиоксиданты (жирорастворимые и водорастворимые витамины).

Ферменты АОС находятся на первом этапе линии защиты организма от повреждающего действия свободных радикалов. Такими ферментами являются:

а) супероксиддисмутаза (СОД);

б) каталаза;

в) глутатионпероксидаза.

Макромолекулярные неферментативные антиоксиданты – это белки, участвующие в транспорте и связывании ионов металлов с переменной валентностью (железа, меди, кобальта). Примерами этих белков являются церулоплазмин, гаптоглобин, транскобаламин, ферритин, трансферрин).

Низкомолекулярные неферментативные антиоксиданты можно разделить на две группы:

1) жирорастворимые, или истинные (инактивируют свободные радикалы);

2) водорастворимые, или вспомогательные антиоксиданты (в том числе восстанавливают истинные антиоксиданты).

Жирорастворимые АО – это токоферолы, витамины А, каротиноиды, убихинон, флавоноиды, стероидные гормоны и другие соединения.

Жирорастворимые витамины

К жирорастворимым витаминам относятся витамины А, D, Е, К и F.

Витамин А (ретинол, витамин роста, антиксерофтальмический витамин) – это циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий из шестичленного кольца (β-ионона), двух остатков изопрена и первичной спиртовой группы:

В организме человека витамин А образуется путем окислительного расщепления β-каротина, содержащегося в моркови и, в меньших количествах, в других фруктах и овощах.

Функциональную активность витамин А приобретает после преобразования в ретиналь или ретиноевую кислоту.

Ретиналь входит в состав зрительного пигмента родопсина (зрительного пурпура) основных светочувствительных клеток – палочек сетчатки глаза. На свету родопсин распадается на цис-ретиналь и белок опсин, а в момент превращения цис-ретиналя в транс-форму и происходит трансформация энергии световых лучей в зрительный образ. В темноте все происходит наоборот – опять синтезируется родопсин.

При дефиците витамина А развивается ночная слепота – гемералопатия. При более тяжелом или длительном гиповитаминозе А развиваются патологическое ороговение эпителия кожи - гиперкератоз и ксерофтальмия с развитием кератомаляции.

Ретиноевая кислота выполняет функции ростового фактора. При недостатке витамина А также отмечается отставание в росте.

В молекуле ретинола находятся сопряженные двойные связи, что дает возможность взаимодействовать со свободными радикалами и быть эффективным антиоксидантом. Антиоксидантное действие витамина А также связано и с тем, что он защищает сульфгидрильные группы от окисления, а также нормализует структурно-функциональные характеристики мембран.

Сопряженные двойные связи, обеспечивающие антиоксидантные эффекты, находятся и в молекулах каротиноидов, наиболее активным из которых является β-каротин. Этот каротиноид инактивирует синглетный кислород, супероксидный анион-радикал, перекись водорода. Считается, что β-каротин является мощным гасителем именно синглетного кислорода, а также синергистом витамина Е как мембранный антиоксидант.

Витамины группы D представлены двумя витаминами: эргокальциферолом, или витамином D₂, который образуется из растительного эргостерола, и холекальциферолом, или витамином D₃, который образуется из холестерола. Наиболее важным является витамин D₃.

Витамин D₃ (холекальциферол) синтезируется также под действием ультрафиолета из производного холестерола - 7-дегидрохолестерола. Его биологически активная форма 1,25(ОН)₂D₃, или кальцитриол, образуется в результате двух реакций гидроксилирования, которые проходят в печени и в почках. Ферменты 25- и 1-альфа-гидроксилазы, соответственно. В почках активность 1-альфа-гидроксилазы повышается под действием паратгормона.

Механизм действия кальцитриола аналогичен механизму действия стероидных гормонов.

Витамин D участвует в регуляции уровня кальция в организме: он стимулирует всасывание кальция и фосфатов в кишечнике; в почках способствует увеличению всасывания кальция и фосфатов. В костной ткани кальцитриол синергично стимулирует процесс деминерализации.

В детском возрасте дефицит витамина D приводит к развитию рахита. Для таких детей характерны: мышечная слабость, повышенная потливость, деформации костей нижних конечностей, искривление позвоночника и таза, деформация костей черепа, грудной клетки, задержка прорезывания зубов, большой живот из-за слабости мышц передней брюшной стенки. По-другому витамин D называют антирахитическим витамином.

У взрослых нарушения включения кальция в процессы минерализации костной ткани приводят к развитию остеомаляции (размягчению костей) или остеопорозу (повышенной хрупкости костей).

Витамин Е, или витамин размножения, включает  α-токоферол и группу из 7 родственных соединений, различающихся друг от друга числом и расположением метильных групп в бензольном кольце.

Молекулы витамина Е находятся в клеточных мембранах, что защищает липиды мембран от свободных радикалов. Витамин прерывает цепи свободнорадикальных реакций, поэтому он считается главным внутриклеточным жирорастворимым антиоксидантом.

Механизм антиоксидантного действия витамина Е заключается в том, что он предоставляет свой атом водорода радикалу пероксида липида LOO•, восстанавливая его до гидроперекиси LOOH, что останавливает цепные реакции ПОЛ.

Витамин Е играет большую роль в метаболизме селена – компонента глутатионпероксидазы, что свидетельствует о взаимодействии антиоксидантов.

Токоферол является важным фактором защиты от клеточных ядов, в том числе и от веществ, вызывающих гемолиз эритроцитов. Недостаток витамина Е приводит к снижению интенсивности тканевого дыхания.

При дефиците этого витамина у женщин отмечаются дегенеративные изменения яичников, нарушается процесс оплодотворения яйцеклетки, изменяется структура плаценты. У мужчин дефицит витамина Е приводит к атрофии половых желез, нарушаются процессы сперматогенеза и пр. В медицине препараты витамина Е применяют для предотвращения самопроизвольных абортов.

Витамин К, или антигеморрагический витамин, или нафтохиноны), — это общее название группы веществ, включающей филлохинон (витамин К₁), менахинон (витамин К₂) и родственные соединения с модифицированной боковой цепью, представленной различным количеством изопреновых звеньев. У витамина К₁ имеется три, а у витамина К₂ – 8 изопреновых звеньев. Витамин К₃ (менадион) в качестве боковой цепи имеет только метильную группу (-СН₃).

Обозначение этого витамина буквой «К» обусловлено его участием в процессах коагуляции, или свертывании, крови. Этот витамин является кофактором гамма-глутаматкарбоксилазы. Данная реакция необходима для посттрансляционного гамма-карбоксилирования II, VII, IX и X факторов свертывания крови. Благодаря этой модификации факторы свертывания могут связываться с катионами кальция и тем самым соединяться с фосфолипидами клеточных мембран, что обеспечивает фиксацию процесса свертывания крови.

У взрослых недостаток витамина К встречается редко, так как этот витамин синтезируется микрофлорой кишечника и содержится во многих продуктах. Однако гиповитаминоз витамина К как жирорастворимого витамина возникает чаще всего при нарушениях синтеза желчных кислот и оттока желчи, так как нарушается всасывание в кровь витамина К. У новорожденных дефицит витамина К вызывает геморрагическую болезнь в том случае, если содержание данного витамина низкое в материнском молоке либо вследствие недостаточно сформированной микрофлоры кишечника.

Витамин F представляет собой группу полиненасыщенных жирных кислот – линолевой, линоленовой и арахидоновой.

Линолевая кислота     Н₃С-(СН₂)₄-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₇-СООН

Линоленовая кислота Н₃С-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₇-СООН

Арахидоновая кислота:

Н₃С-(СН₂)₄-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₃-СООН

Витамин F необходим для нормального роста и регенерации эпителия кожи, для биосинтеза простагландинов, синтеза фосфо- и гликолипидов – компонентов клеточных мембран. Витамин F поддерживает запасы витамина А и облегчает его влияние на обмен веществ, а также способствует снижению холестерола в организме. Кроме того, витамин F является антиоксидантом.

Недостаточность витамина F практически не встречается. При дефиците этого витамина наблюдается фолликулярный гиперкератоз (повышенное ороговение эпителия кожи вокруг волосяных фолликулов).

Для профилактики атеросклероза используются препараты незаменимых жирных кислот – линетол и линол.