Как известно из курса физики, электронная оболочка каждого атома структурирована в соответствии с принципом Паули, то есть в каждом слое оболочки атома должно находиться количество электронов, равное удвоенному квадрату номера слоя. Каждый слой имеет орбитали, которые содержат два электрона. Каждый электрон вращается как вокруг ядра атома, так и вокруг собственной оси, это их свойство называется спином. Каждые два электрона в орбитали за счет разнонаправленных спинов создают противоположные магнитные поля, притягиваясь друг к другу. Кислород, на внешнем слое которого расположены шесть электронов, имеет две полностью заполненные орбитали и две имеющие по одному электрону. Нахождение только одного электрона в орбитали обусловливает ситуацию неуравновешенного спина, которую можно уравновесить только за счет электрона другого атома-мишени. В результате в этой мишени от электронной пары остается один неспаренный электрон, и она сама превращается в радикал, который может восстановить спаренность своего электрона за счет электронной пары следующего соединения, и т. д.

Таким образом, формируется цепная свободнорадикальная реакция. Возникнув с одной молекулы, свободнорадикальная реакция может вовлечь в этот лавинообразный процесс огромное количество молекул, лишая их возможности выполнять свои биологические функции. Разрушительная цепная реакция уничтожает живую клетку. Этот процесс называется «окислительный стресс». Одними из первых повреждаются мембраны клеток. Когда свободные радикалы действуют на жировую ткань, они окисляют липопротеиды низкой плотности, которые могут прилипать к стенкам кровеносных сосудов, постепенно образуя холестериновые бляшки и перекрывая просвет сосудов, формируя тем самым атеросклероз. При воздействии на митохондрии («энергетические станции клетки»), а именно в них первоначально образуются активные формы кислорода, свободные радикалы нарушают процесс выработки энергии, и митохондрии начинают производить меньшее ее количество. Особенно опасно, если свободные радикалы повреждают молекулы ДНК, находящиеся в клеточном ядре, – в этом случае нарушение структуры генетического кода может привести к онкологическому заболеванию.

В целом свободные радикалы могут инициировать такие заболевания, как атеросклероз, болезни сердца, катаракту, артриты, астму, болезнь Паркинсона, рак, флебиты, варикозное расширение вен, болезнь Альцгеймера и многие другие. Следует отметить, что свободные радикалы образуются не только при выработке организмом энергии. Огромную роль в их создании играют ультрафиолетовое излучение, некоторые потребляемые пищевые продукты (особенно полиненасыщенные жирные кислоты в форме гидроге-низированного растительного масла), выхлопы автомобилей, радиация, табачный дым и т. д. Способствуют выработке свободных радикалов пестициды, гербициды, некоторые тяжелые металлы, отдельные сильнодействующие лекарства, стресс. Как известно, при взаимодействии кислорода с водородом в конечном счете получается вода. В молекуле воды ослабленная связь электронной пары с ядром водорода создает условия для гетеролиза – разрушения химической связи, при котором пара электронов, образующая эту связь, переходит к одному из продуктов распада. Это происходит при диссоциации воды на гидроксильный анион и водородный протон (катион).

Возможен также другой вид разрыва химических связей, называемый гомолизом. В отличие от гетеролиза для осуществления гомолиза требуется значительное количество энергии. Гомолиз происходит, когда энергия передается электронным парам ионизирующей радиацией. При гомолизе каждый из продуктов распада получает по неспаренному электрону. В результате из воды образуются протон, сольватированный электрон и свободный гидроксильный радикал, имеющий неспаренный электрон. При взаимодействии с другим соединением образовавшийся радикал отнимает электрон у соединения-мишени, превращая его в радикал, и таким образом далее запускается цепная свободнорадикальная реакция. Начавшись с одного взаимодействия, свободнорадикальный процесс может вовлечь огромное число разнообразных молекул, нарушая их возможность выполнять возложенные на них биологические функции.