Вільнорадикальна теорія старіння стверджує, що старіння відбувається через накопичення пошкоджень у клітинах, нанесених вільними радикалами із плином часу. Взагалі теорій старіння є понад 300.
Утворення радикалів у живих системах стимулюється радіолізом, фотолізом, дією окисників, гомолізом молекул ксенобіотиків, йонами металів змінної валентності. Із віком у організмі людини накопичуються старечі пігменти (ліпофусцини й цероїди) в результаті окиснення мембранних ліпідів й ліпопротеїдів за участі вільних радикалів. Ураження легень, органів зору, прискорення старіння, інфаркт міокарда, новоутворення й ряд інших патологій, які викликаються фотохімічним смогом, вихлопними газами й озоном, обумовлені ініціювання вільнорадикальних реакцій у різних органах й тканинах. Забруднення повітряного басейну різними викидами супроводжується підвищенням вмісту радикалів, стабілізованих сорбцією або на частинках пилу.
Контрольоване ферментами проміжне утворення парамагнітних станів відбувається й у процесах нормальної життєдіяльності, наприклад, при біосинтезі простагландинів, транспорті електронів у мітохондріях, знешкодження бактерій фагоцитуючими клітинами, мікросомальному гідоксилуванні ксенобіотиків тощо.
Загальні відомості Багато геронтологів вважають, що старіння може бути наслідком накопичення пошкоджень й дефектів на усіх рівнях організації живого. Помилки можуть виникати у процесі нормального функціонування клітини, наприклад, при копіюванні матриці ДНК або при синтезі білку, і будуть наслідком недосконалості способу передачі інформації від однієї макромолекули до іншої. Надійність реплікації ДНК й компонентів білоксинтезуючого механізму залежить від їх молекулярної структури й генетично детермінована. Інше джерело пов'язане із випадковими змінами у різних компонентах клітини, причиною чого є процеси окисної деструкції макромолекул.
У біологічних об'єктах легко реєструються методами радіоспектроскопії вільнорадикальні стани органічних коферментів, в основному напівокиснені флавіни й семіхінонна форма убіхінонів, локалізовані у мітохонтріях; P-450, функціонуючий у електронно-транспортному ланцюгу мікросом, а також гемопротеїни, білки (які містять мідь), комплекси марганцю, молібдену тощо. Між величиною метаболічної активності тканини й інтенсивності сигналів у спектрах існує прямий кількісний зв'язок.
Досліджуючи процес біологічного старіння, геронтологи розглядають участь вільних радикалів в організмах, джерелом яких є неферментативне відновлення кисню, за якого утворюються такі парамагнітні частинки, як радикали гідроксил, супероксид, пероксидний радикал (). Реакції відновлення :
Для повного відновлення кисню до води потрібна участь чотирьох електронів, у інших випадках утворюються продукти часткового відновлення: пероксид водню й радикали , висока реакційна здатність яких є основною причиною токсичних властивостей кисню. Основну роль в утворені активних форм кисню у живих організмах виконують гемвмісні білки, у складі яких залізо у комплексі із протопорфірином IX. Ці білки сполучає те, що вони мають здатність каталізувати пероксидазні реакції, в результаті яких відбувається відновлення пероксиду водню до води, супроводжуване окисненням неорганічної або органічної сполуки.
Вітамін К у печінки бере участь в утворенні плазмових чинників згортання крові (протромбіну або чинника згортання крові II, VII, IX, X), оскільки є джерелом коензимів для утворення у протеїнах-попередниках радикалів, які містять залишки Y-карбоксиглютамінової кислоти (так званий цикл вітаміну К). При взаємодії відновленої форми вітаміну К- із Y-глутаматкарбоксилазою у присутності кисню утворюється сильна основа — алкоксид, здатна забрати від атома вуглецю глютамінової кислоти у гама-положенні водень, на місце якого приєднується . У молекулі протеїна-попередника, наприклад, протромбіну, утворюється радикал Y-карбоксиглутамінової кислоти. В ході реакції карбоксилування з'являються короткоживучі високотоксичні проміжні сполуки — вільні радикали вітаміну К, які перетворюються у нетоксичний епоксид вітаміну К у присутності глутамату. Епоксид вітаміну К знову відновлюється у вітамін К- за допомогою редуктаз. Відповідно, за дефіциту глутамінової кислоти у клітині утруднюється знешкодження токсичних вільних радикалів вітаміну К.
Пероксиди взаємодіють з білками, і найбільш вразливими є -сульфгідрильні групи, які окиснюються до дисульфідних; не лише пероксиди, але й продукти їх подальшого перетворення, наприклад епоксиди, сполучаючись із білками, утворюють нерозчинні комплекси. Серед ферментів, для яких пероксиди ліпідів є інгібіторами активності, можна виділити ензими гліколізу, трикарбонового циклу й дихального ланцюга. Рибонуклеаза А, яка не містить -груп, ти ме менш інактивується продуктами окиснення ненасичених жирних кислот, у інактивованому ферменті присутні високомолекулярні полімери, спектр флуоресценції яких є ідентичним спектру флуоресценції ліпофусцину, який накопичується у старому серцевому м'язі. Взаємодія із пероксидами ліпідів викликає деструкцію каталази, -глобуліну, гемоглобіну, яєчного та сироваткового альбумінів, метіоніну, гістидину та інших амінокислот.
Найбільш вразливими для окисного руйнування структурами є мікросомні й мітохондріальні мембрани, у яких локалізовані такі ферменти, як моноамінооксидаза або мікросомальна цитохромоксидаза, нормальною функцією яких є каталіз окиснення киснем. Дестабілізація мембран в результаті локальної взаємодії ліпідів із метаболічними або екзогенними вільними радикалами перетворює їх на легкодоступний для окиснення субстрат. При обробці суспензії мітохондрій печінки миші розчином солей двохвалентного заліза спостерігали активацію вільнорадикального окиснення, завдяки чому витрачалося близько 65 % мітохондріального білка й 40 % ліпідів. Індукція пероксидного окислення призводить до повної інактивації ізоцитратдегідрогенази, 3-оксибутиратдегідрогеназа інактивується на 80 %, малат- й сукцинатдегідрогенази — на 36 та 23 %. Порушується окисне фосфорилювання. Вторинним наслідком часткового окиснення ненасичених жирних кислот мембрани буде їхня заміна на насичені ліпіди, яка призведе до зміни проникності й функціональних властивостей; зменшується спорідненість мембран до холестерину й виникає його дефіцит.
Основні положення вільнорадикальної небезпеки можна сформулювати наступним чином:
реакції неферментативного відновлення є фоном, на якому здійснюються усі процеси життєдіяльності вільні радикали, які містять кисень, є причиною окисної деструкції біологічних макромолекул завдяки великій реакційній здатності (константи швидкості взаємодії радикалу є близькими до дифузійних), вони не вимагають для реакції специфічного субстрату, місце їх атаки є випадковим, вони можуть пошкодити будь-яку ланку молекулярної структури клітини перехідні метали () відіграють роль каталізаторів пероксидного окиснення.
Варто також відзначити, що збільшення концентрації у атмосфері призводить до помітного скорочення тривалості життя дрозофіли, яке супроводжується накопиченням у тканинах мух «вікового пігменту» — ліпофусцину, що свідчить про активацію вільнорадикального окиснення. Середня тривалість життя муж скорочувалася з 78,1 до 34,6 дня; їхня життєздатність падала значно швидше, ніж у контролі. Дослідження тканин у світловому та електронному мікроскопі виявило наявність великих накопичень цероїд-ліпофусцину у внутрішніх органах, пластинчастих щільних тіл — у нервових клітинах, руйнування цитоплазматичних мембран. За деякими даними ліпофусцин утворюється при окисненні ліпідних та білкових компонент біомембран. Варто відзначити, ліпофусцин є невивідним з мозку метаболітом-маркером старіння.
Культивування диплоїдних фібробластів людини під високим тиском (до 50 атм) спостерігалося сповільнення проліферації й здатності до утворення колоній, особливо на пізніх пасажах. Якщо ж таке ділення створювалося надлишком азоту, то це не відбивалося на життєздатності клітин, тобто спостережуваний ефект зменшення проліферативного потенціалу є наслідком токсичної дії , а не підвищення тиску.
Зменшення проліферактивної активності клітин супроводжується зменшенням кількості природних антиоксидантів й збільшенням інтенсивності вільнорадикальних реакцій. Роль інгібіторів клітинного ділення зазвичай приписується пероксидам ліпідів. Концентрація ендогенних пероксидів ліпідів у тканинах визначається співвідношенням швидкостей їх утворення та розпаду. У клітинній мембрані завжди міститься деяка кількість пероксидів ліпідів, від концентрації яких залежить її проникність. Біосинтез таких гормонів, як простагландини, відбувається через етап утворення пероксидів ненасичених кислот; при синтезі холестерину та стероїдних гормонів проміжним продуктом утворюється скваленоксид.
При більш уважному розгляді реакцій кисневмісних вільних радикалів варто враховувати специфіку їх взаємодії із компонентами клітини. Взаємодія супероксидного радикалу із пероксидом водню призводить до утворення радикалів й синглетного кисню, молекула якого несе надлишкову енергію:
Стандартна дисмутація (диспропорціювання) знову призводить до виникнення пероксиду водню:
і константа швидкості цієї реакції за складає c.
Серед спонтанних й ензиматичних окисних реакцій, які генерують значні кількості , можна виділити наступні: автоокиснення відновлених флавінів, гідрохінонів, катехоламінів, феридоксинів й гемопротеїнів, ферментативні процеси за участі ксантиноксидази й багатьох флавінових гідрогеназ тощо. Супероксидний радикал реагує і к відновник, і як окисник. Він бере участь у реакціях відновлення цитохрому С, нітросинього тетразолію, тетранітрометану тощо, а також окиснює сульфгідрильні сполуки, сульфіти, аскорбінову кислоту та ін. Легко окиснюється радикалом відновлена форма НАДН, зв'язаного із лактатдегідрогеназою, тоді як вільний НАДН окиснюється повільніше.
Біохімічна функція глутатіону в організмі пов'язана із відновленням та детоксикацією органічних пероксидів — похідних пероксиду водню , у молекулі якого один (гідропероксиди) або обидва атоми водню (алкілпероксиди) заміщені на алкільні радикали:
При взаємодії глутатіону із гідропероксидом утворюються нешкідливі органічні спирти, які підлягають подальшому окисненню:
Реакція каталізується ферментом глутатіонпероксидазою, яка містить у активному центрі атом Селену. Зворотне відновлення до каталізується НАДФН-залежною глутатіон-редуктазою. Гідропероксиди та алкілпероксиди утворюються внаслідок діоксигенаних реакцій безпосереднього включення атома кисню у біомолекули. Виникнення органічних пероксидів є результатом активації у біологічних системах реакцій вільно-радикального окиснення; головним субстратом таких реакцій є ненасичені жирні кислоти мембранних фосфоліпідів — пероксидне окиснення ліпідів біологічних мембран. Активація реакцій пероксидного окиснення ліпідів є одним із фундаментальних біологічних механізмів пошкодження біоструктур і розвитку клітинної патології за дії пошкоджуючих чинників різного генезу, особливо за умов дії іонізуючої радіації, чужорідних хімічних сполук — ксенобіотиків. Прикладом пошкодження клітинних мембран внаслідок утворення продуктів ліпопереокиснення є також пероксидний гемоліз еритроцитів, що настає в результаті спадкової недостатності глюкозо-6-фосфат-дегідроенази — генератора НАДФН, необхідного для функціонування глутатіонредуктази і підтримання глутатіону у відновленій формі.
Ферментативну дисмутацію до пероксиду водню та кисню здійснює фермент супероксиддисмутаза (СОД); у цитоплазмі клітин еукаріот присутня СОД, яка містить мідь та цинк, за участі якої реакція диспропорціювання радикалів перебігає із швидкістю, яка є близькою до теоретичної дифузійної межі, при цьому швидкість спонтанної дисмутації перевищується близько у 20 000 разів. СОД захищає клітину від токсичної дії радикалу й радикалу (ще більш реакційноздатного, який виникає при взаємодії пероксиду водню із або солями двохвалентного заліза).