Химия биологически активных веществ: природные и синтетические антиоксиданты

 
А. Г. Жукова  
Л. Г. Горохова  
Т. Г. Сазонтова  
 
 
 
 
 
 
ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ 
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ: 

ПРИРОДНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ 
АНТИОКСИДАНТЫ 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
2022 

УДК 577.1(075)    
ББК 28.072.53я7 

Ж86 

Рецензенты: 
Ю. В. Архипенко — д-р биол. наук, проф., главный научный сотрудник  
лаборатории трансляционной медицины факультета фундаментальной 
медицины Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова; 
Ф. И. Иванов — д-р хим. наук, проф., проф. кафедры естественнонаучных 
дисциплин КГПИ КемГУ 

Жукова, А. Г.

Ж86
Химия биологически активных веществ: природные и 

синтетические 
антиоксиданты
: 
учебник 
/ 
А. Г. Жукова, 

Л. Г. Горохова, Т. Г. Сазонтова. — Москва : Директ-Медиа, 2022. —
120 с.

ISBN 978-5-4499-2802-3 

В учебнике изложен основной круг вопросов о принципах и биохимических механизмах протекания свободнорадикальных процессов в 
живых организмах, функционирования живой клетки в условиях 
аэробного метаболизма, защиты клетки от окислительного стресса. 
Рассмотрена биологическая роль поддержания баланса между свободными радикалами и антиоксидантами, а также изменение этого баланса, ведущее к ингибированию или активации синтеза компонентов 
антиоксидантной клеточной защиты. 
Содержание учебника соответствует ряду компетенций, освоение 
которых предусмотрено ФГОС ВО при подготовке бакалавров по 
направлению «Педагогическое образование» (профиль «Биология 
и химия»).  
Книга предназначена студентам, обучающимся по биологическим 
и химическим специальностям, а также будет полезна для учителей 
биологии и химии средней школы, преподавателей вузов, аспирантов 
и магистрантов. 

УДК 577.1(075)    
ББК 28.072.53я7 

ISBN 978-5-4499-2802-3 © Жукова А. Г., Горохова Л. Г., Сазонтова Т. Г., текст, 2022

© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022

Оглавление 

Предисловие ..................................................................................................................................... 4 

Глава 1.  История возникновения и развития учения 
о свободнорадикальных процессах .................................................................................... 5 
Литература к главе 1 .......................................................................................................... 11 

Глава 2.  Биологическая роль свободнорадикальных процессов  
в организме .................................................................................................................................... 12 
2.1. Характеристика активных форм кислорода. Источники 
образования активных форм кислорода в тканях ........................................... 12 
2.2. Биологическая роль свободнорадикальных процессов 
в клетке ...................................................................................................................................... 24 
2.3. Современные представления о повреждающей роли АФК  
и методы регистрации продуктов перекисного окисления ....................... 40 
Литература к главе 2 .......................................................................................................... 47 

Глава 3.  Природные и синтетические антиоксиданты ...................................... 50 
3.1. Внутриклеточные  защитные системы — классификация 
и механизм действия .......................................................................................................... 50 
3.1.1. Ферментные антиоксидантные системы ............................................ 52 
3.1.2. Неферментные антиоксиданты  и особенности их 
функционирования ....................................................................................................... 58 
3.1.3. Хелаторы ионов металлов  переменной валентности ................. 74 
3.1.4. Синтетические антиоксиданты ................................................................. 81 
3.1.5. Специфические защитные  внутриклеточные белки .................. 84 
Литература к главе 3 .......................................................................................................... 94 

Глава 4. Современные представления о стратегии защиты 
клеток от свободнорадикальных процессов ............................................................. 96 
4.1. Соотношение прооксидантных и антиоксидантных 
факторов в клетке. Критерии оценки ...................................................................... 96 
4.2. Эндогенная защита  и пути её формирования ......................................... 101 
Литература к главе 4 ........................................................................................................ 104 

Заключение .................................................................................................................................. 105 

Вопросы для зачёта ................................................................................................................. 106 

Темы рефератов ........................................................................................................................ 107 

Тесты для контроля усвоения знаний ........................................................................ 110 

Об авторах ..................................................................................................................................... 119 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебник «Химия биологически активных веществ: природные и синтетические антиоксиданты» предназначен для 
студентов, 
обучающихся 
по 
направлению 
подготовки 
44.03.05 — педагогическое образование (с двумя профилями 
подготовки) профиль «Биология и химия».  
Учебник составлен в соответствии с государственным 
образовательным стандартом высшего образования и соответствует ряду компетенций, освоение которых предусмотрено 
ФГОС ВО 3+, ФГОС ВО 3++ при подготовке бакалавров по 
направлению «Педагогическое образование» (профиль «Биология и химия»). 
В учебнике рассмотрены основные принципы и биохимические 
механизмы 
протекания 
свободнорадикальных 
процессов в живых организмах, функционирования живой 
клетки в условиях аэробного метаболизма, защиты клетки от 
окислительного стресса. Представлены современные понятия 
о протекании свободнорадикальных процессов в живых организмах, о физиологическом и патологическом значении активных форм кислорода и свободных радикалов, как 
биологически активных веществ. Продемонстрирована жизненная необходимость образования активных форм кислорода 
в 
живой клетке, 
рассмотрена 
биологическая 
роль 
поддержания баланса между свободными радикалами и антиоксидантами, а также изменение этого баланса, ведущее к 
ингибированию или активации синтеза компонентов антиоксидантной клеточной защиты. 
В каждой главе учебника имеются схемы и иллюстрации, 
которые облегчают понимание биохимических и молекулярных механизмов изучаемых процессов.  

Глава 1.  
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ 
И РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ 
О СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ 
ПРОЦЕССАХ 

Понятие «радикалы» зародилось в дискуссиях химиков 
более 200 лет назад (вторая половина XVIII века). Термин 
«радикал» (от лат. radix — корень) предложил Лавуазье, 
назвавший так химически активные вещества, в то время еще 
неясной природы. Лавуазье наблюдал образование радикалов 
из органических веществ, но выделить их в свободном виде не 
мог из-за высокой реакционной способности и неустойчивости, поэтому в их существование долгое время никто не верил. 
Многочисленные попытки выделения радикалов в течение 
всего XIX в. не дали результата. Только в 1900 г. учёный-химик 
из США Мозес Гомберг (1866–1947) в ходе опытов с органическими веществами случайно получил свободные радикалы, 
благодаря чему стал знаменитым основателем химии свободных радикалов. Однако только с развитием квантовой механики удалось объяснить химическую природу радикалов, а после 
появления метода электронного парамагнитного резонанса 
(Завойский, 1945) стало возможным прямо измерять их. 
Другая линия зарождения свободнорадикальной биологии ведёт своё начало с работ великого французского химика 
Антуана Лавуазье (1743–1794), который впервые показал роль 
кислорода, открытого английским химиком Джозефом Пристли, в процессах горения, окисления и дыхания.  
В 1604 году, за 170 лет до Шееле, Пристли и Лавуазье, 
польский алхимик Михаил Сендивогий писал: «Человек возник 
на Земле и живёт на ней благодаря воздуху; в воздухе есть 
тайная пища для жизни… чей сконцентрированный невидимый дух лучше, чем вся Земля» [Лэйн Н., 2016].  
В 1818 году французский исследователь, Луис-Жакоб Тенард, впервые описал перекись водорода и показал, что она 
может разлагаться живыми тканями с выделением молекулярного кислорода. 

Впервые реакционная сущность кислородных радикалов 
была выявлена Фентоном в 1894 году. Изучая окисление различных соединений, он показал, что окислительная способность 
перекиси 
водорода 
значительно 
возрастает 
в 
присутствии сульфата железа. Смесь Н2О2 с солями железа 
была названа реактивом Фентона. В дальнейшем Ф. Габер 
(1868–1934) и Й. Вайс (1905–1972) обнаружили, что высокая 
реакционность реактива Фентона обусловлена образованием 
ОН-радикалов, и показали, что для протекания реакции необходимо восстановление ионов железа. В 1930-х годах в работах 
Л. Михаэлиса (1875–1949) было показано, что абсолютное 
большинство химических реакций протекает через участие 
свободных радикалов. 
Дальнейшее изучение химии радикалов связано с созданием ядерного оружия. Возникла острая необходимость изучения биологических эффектов ядерного оружия и разработки 
средств радиационной защиты. Проведённые в 50–60-х годах 
исследования влияния радиации на живые организмы показали, что действие ионизирующих излучений реализуется через 
образование радикалов, возникающих при расщеплении молекулы воды. В это же время группой химиков во главе с лауреатом Нобелевской премии Н. Н. Семеновым была разработана 
теория цепного радикального окисления органических молекул, которая оказалась применимой для окисления липидов в 
составе клеточных мембран. Объединив данные положения, 
Б. Н. Тарусов (1900–1977) выдвинул концепцию о свободнорадикальной патологии, которая вызывается усилением процессов свободнорадикального окисления. 
Положительные свойства свободных радикалов в живых 
организмах были открыты в 1972–1973 годах. В это время была 
показана связь дыхательного «взрыва» в фагоцитирующих 
клетках с наработкой активных форм кислорода (АФК). Оказалось, что микробицидная функция фагоцитов, осуществляющих 
защиту организма от бактериальных инфекций, во многом 
зависит от способности клеток нарабатывать супероксидный 
радикал и перекись водорода. Показано, что кислородные радикалы широко вовлечены в процессы неспецифической резистентности 
организма 
и 
иммунорегуляции. 
Более 
того, 

снижение их продукции ослабляет неспецифический иммунитет 
и может являться причиной бактериального инфицирования.  
Показано, что свободные радикалы являются ключевыми 
элементами регуляции многих физиологических процессов на 
всех уровнях: от регуляции активности внутриклеточных 
ферментов до нервной регуляции сократительной функции 
желудка и внешнего дыхания.  
Такое 
разнонаправленное 
действие 
АФК 
получило 
название Янус-эффекта. Позже сравнения с двуликим Янусом 
были удостоены активные формы азота (NO, NO2°, NO+, NO-, 
ONOO-), а ещё позже — активные карбонильные соединения 
(метилглиоксаль,4-гидрокси-2,3-ноненаль, 
акролеин, 
формальдегид).  
Активные карбонильные соединения (АКС) содержат 
альдегидную или кето-группу, или обе группы сразу, как, 
например, метилглиоксаль. Карбонильный углерод обладает 
электрофильными свойствами и может атаковать нуклеофильные центры (азот амино- и имидазольных групп, а также 
серу тиоловых групп) в белках, нуклеиновых кислотах и липидах. В результате этих реакций биомолекулы изменяются — 
появляются новые химические группировки, внутри- и межмолекулярные сшивки. А изменённые молекулы уже не могут 
правильно работать [Космачевская О. В., Топунов А. Ф., 2019].  
В организме АКС образуются как побочные продукты метаболизма глюкозы и некоторых аминокислот, а также перекисного окисления липидов. Их концентрация в клетке 
регулируется специальными системами, поэтому в норме они 
не причиняют вред. Однако при различных заболеваниях, 
например при сахарном диабете или хронической почечной 
недостаточности, АКС накапливаются в клетках и тканях в 
больших количествах, где атакуют биомолекулы и повреждают 
их. Чаще всего страдают «долгоживущие» белки, склонные 
накапливать АКС: белки соединительной ткани — коллаген и 
эластин, белок эритроцитов — гемоглобин и белок глазного 
хрусталика — α-кристаллин. В результате гемоглобин хуже 
отдаёт кислород, коллаген теряет эластичность, а кристаллин. 
В таблице 1 кратко показаны основные этапы зарождения свободнорадикальной биологии. 

Таблица 1 

История развития свободнорадикальной биологии  
[по Фархутдиновой Л. М., 2015] 

1703 г. Немецкий врач и химик 
Георг 
Эрнст 
Шталь 
(1659–

1734) 

Учение о флогистоне, объяснявшее 
горение наличием в телах живой и 
неживой природы горючего вещества — флогистона, который выделяется в воздух при сжигании веществ, 
а дыхание — удалением лишнего 
тепла из организма. Учение Шталя 
господствовало 
в 
течение 
почти 

100 лет, до конца XVIII в.

1772 г. Выдающийся английский 
химик 
Дж. Пристли 

(1733–1804) 

Обнаружил, что мышь не может дышать кислородом так же долго, как 
воздухом, и пришёл к выводу о том, 
что в кислороде жизнь сгорает слишком быстро

1775 г. Великий французский 
химик Антуан Лоран Лавуазье 
(1743–1794) 

Установил, что атмосферный воздух 
состоит из кислорода и азота, и горение обусловлено окислением горючих 
веществ в результате взаимодействия 
с кислородом воздуха. Дыхание, по 
кислородной теории Лавуазье, — это 
медленное горение, или окисление, 
в живом организме с образованием 
тепла и энергии

1900 г. Учёный-химик из США 
Мозес Гомберг (1866–1947) 

В ходе опытов с органическими веществами случайно получил свободные 
радикалы

1914 г. Учёный-химик Л. В. Писаржевский (1874–1938)

Предложил электронно-ионную теорию окислительно-восстановительных 
реакций, согласно которой химическое 
взаимодействие между веществами —
это обмен электронами

1930 г. Советский биохимик 
В. А. Энгельгард (1894–1984)

Исследуя процессы окисления в клетке на примере эритроцитов птиц, 
сделал 
вывод, 
что 
поглощаемый 
клеткой кислород идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ). Этот 
процесс получил название окислительного фосфорилирования

Продолжение табл. 1 

1939 г. Советский биохимик 
В. А. Белицер (1906–1988)

Показал, 
что 
при 
окислительном 

фосфорилировании происходит перенос электронов с пищевых биомолекул на кислород, и этот процесс с 
двухэлектронным 
восстановлением 
кислорода представляет собой основной способ получения энергии для 
всего живого мира 

1939 г. Немецкий биохимик и 
химик органик Леонор Михаэлис (1875–1949)

Изучая окислительные процессы в 
тканях животных, обнаружил, что они 
идут с образованием радикалов

1950-е годы советский биофизик Б. Н. Тарусов (1900–1977)

Показал, что ионизирующее излучение вызывает в биологических объектах развитие свободнорадикальной 
реакции, являющейся важным фактором 
патогенеза 
лучевой 
болезни. 
Обладая 
мощным 
энергетическим 
влиянием, ионизирующая радиация 
активирует процессы окислительного 
фосфорилирования, что сопровождается 
усилением 
одноэлектронного 
восстановления кислорода. 
Сформулировал концепцию о «свободнорадикальной 
патологии», 
согласно которой свободнорадикальным 
реакциям принадлежит ведущая роль 
в развитии патологических процессов 
в клетке, органах и тканях. В настоящее время насчитывается более 200 
болезней и патологических состояний, 
при которых установлено участие 
механизмов 
свободнорадикального 

окисления

Советский физико-химик Н. Н. Семенов (1896–1986) и английский физико-химик С. Н. Хиншелвуд (1887–1967), удостоенные Нобелевской премии 1956 г. 

Впервые объяснили взрывообразный 
характер 
свободнорадикального 

окисления механизмом разветвленной 
цепной реакции, получившей название «эффекта сплетен», в результате 
которого небольшое число первичных 
свободных 
радикалов 
вызывает 

взрывообразный рост их числа

Окончание табл. 1 

1954 г. Американский исследователь Д. Харман

Выдвинул теорию, согласно которой 
снижение активности антиоксидантной системы с возрастом приводит к 
повышению интенсивности свободнорадикального окисления

1960-е гг. нобелевский лауреат 
А. Сент-Дьердьи (1893–1986)

Показал, что клетки используют образующийся в них метилглиоксаль для 
регуляции роста, деления и смерти.

1961 г. биофизик А. И. Журавлев

Обнаружил 
антиоксилительную 

активность в животных организмах

1968 г. американские биохимики Джо Маккорд и Ирвин 
Фридович 

Показали, что сине-зелёный белок 
гемокупреин, долгое время считавшийся инертным отложением меди, 
обладает 
каталитической 
активно
стью. Он превращает супероксидные 
радикалы в пероксид и кислород

1969 г. Джо Маккорд и Ирвин 
Фридович

Переименовали белок гемокупреин в 
фермент 
супероксиддисмутаза. 
Это 

единственный известный 
фермент, 
субстратом которого являются радикалы. Супероксиддисмутаза превращает супероксидные анион-радикалы 
в молекулярный кислород и перекись 
водорода, которая разрушается ферментами — каталазой и пероксидазой, 
что обрывает цепь свободнорадикального окисления 

1988 г. Суе-Гоо Ре с коллегами 
из Национального института 
сердца, лёгких и крови в США 

Открыли новое семейство антиоксидантных ферментов — пероксиредоксины. 
В 
активном 
центре 
этих 

ферментов нет иона металла, зато есть 
два соседних атома серы, которые 
принимают электроны от маленького 
серосодержащего белка тиоредоксина. 
К середине 1990-х гг. похожие пероксиредоксины 
были 
выделены 
из 
представителей всех доменов жизни. 
К настоящему времени известно не 
менее 200 генов родственных пероксиредоксинов и определена последовательность пяти человеческих генов