Активные формы кислорода

Активные формы кислорода	Химизм процесса образования	Примечание
О супероксидный анион-радикал	О + ē  О [ProtFe2+] + O2  [ProtFe+3] + О	Молекула О2 – бирадикал, т.к. содержит два неспаренных электрона на разрыхляющих орбиталях, поэтому присоединяя молекула превращается в анион с одним неспаренным электроном. В организме этот ē О2 получает при взаимодействии с металлопротеинами (гемоглобин, цитохромы), содержащими катионы металлов в низших степенях окисления
НО гидропероксидный радикал	О + ē + Н+  НО [ProtFe2+]+O2+Н+  [ProtFe3+] + НО	Супероксидный анион-радикал О , взаимодействуя с протоном, образует гидропероксидный радикал, не имеющий заряда
Н2О2 пероксид водорода	О +2ē +2Н+  Н2О2 [ProtFe2+] + O2+2Н+ [ProtFe3+] + Н2О2	В Н2О2 все электроны спарены
НО гидроксидный радикал	О2 + 3ē + 3Н+  НО + Н2О	Окисляющая способность из всех перечисленных активных форм кислорода максимальна
О синглетный кислород	О +2ē  О	Под действием света молекулярныйО переходит в синглетный О , в котором все электроны спарены. Он более сильный окислитель, чем молекулярный О2, но менее устойчив, (1/2 = 45 мин.)

Глутатионпероксидаза катализирует взаимодействие пероксида водорода и гидропероксидных радикалов с глутатионом (G–SH):

2G–SH + H₂O₂  G–S–S–G + 2H₂O

Защита от вредного действия активных форм кислорода осуществляется с помощью антиоксидантной системы. Антиоксиданты – вещества, обратимо взаимодействующие со свободными радикалами и окислителями, предохраняющие субстраты от их воздействия. Реагируя со свободными радикалами, антиоксиданты превращаются в малореакционноспособные радикалы, прерывающие цепной процесс. К антиоксидантам относятся тиолы (унитол, N-ацетилцистеин), аскорбиновая кислота, -каротин, витамины А, Е, К, Р. Например, под действием фермента супероксиддисмутазы (СОД), входящего в состав антиоксидантной системы, супероксидный радикал превращается в кислород и пероксид водорода:

2×О + 2Н⁺ H₂O₂ + O₂.

Пероксид водорода далее разлагается под действием каталазы H₂O₂ 2Н₂О + О₂. Пероксид водорода утилизируется в клетке под действием фермента пероксидазы, а кислород опять принимает участие в биологическом окислении. Наличие пероксидазы в лейкоцитах способствует уничтожению бактерий и веществ, поглощенных лейкоцитарными клетками.

2Н₂О₂ + субстрат 2Н₂О + окисленный субстрат.

Обычный путь поступления кислорода в организм лежит через легкие, где он проникает в кровь и связывается с гемоглобином:

HHb + O₂ ; HHbO₂. Благодаря оксигемоглобину 1 литр крови переносит 250 мл кислорода в капилляры различных органов. Небольшая часть поступившего кислорода соединяется с миоглобином для накопления кислорода в тканях, в основном, в мышцах и поддержания необходимого парциального давления. Основная часть кислорода вступает в процессы метаболизма.

Кислород поступает в организм также в виде воды.

Кислород применяют для вдыхания при гипоксии, заболеваниях дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы, отравлениях СО, HCN, нарушении функции дыхания. Обычно используют смесь (О₂ – 95% и СО₂ – 5%) называемую карбогеном.

Применение кислорода под повышенным давлением (гипербарическая оксигенация) используется для улучшения кислородного насыщения тканей, защищает головной мозг от гипоксии.

Для улучшения обменных процессов при лечении сердечно-сосудистых заболеваний в желудок вводят кислородную пену в виде кислородного коктейля.

Пероксид магния (MgO₂ в смеси с MgO) применяют как комбинированное средство, оказывающее антисептическое действие и связывающее HCl желудочного сока при повышенной кислотности:

MgO₂ + 2HCl = MgCl₂ + H₂O₂.

Кислород – самый распространенный элемент земной коры. Организм взрослого человека в состоянии покоя потребляет 264 мл кислорода в минуту, около 300 л в сутки, при физической работе в 10-15 раз больше. Кислород участвует во всех видах обмена веществ, необходим для дыхания. Он жизненно необходимый элемент, однако избыток его вреден. Лабораторная мышь в среде чистого кислорода погибает через 2 недели. Молекула О₂ имеет пару электронов с параллельно ориентированными спинами О–О. Эта способность запрещает О₂ вступать в химические реакции с синхронным участием сразу двух электронов. О₂ является свободным бирадикалом. В живых организмах реакции с участием О₂ контролируются ферментами и используются главным образом для выработки энергии:

О₂   Н₂О₂  2Н₂О

| 

В организме при определенных условиях может образоваться так называемый синглетный кислород О=О (электронно-возбужденное состояние молекулы с замкнутой системой электронов):

Н₂О₂ +  ОН^– + Н + О (синглетный)

Считается весьма вероятным, что синглетный кислород играет важную роль в индуцировании злокачественных опухолей при попадании в организм полициклических углеводородов.

Повышение концентрации кислорода в сыворотке и тканях организма нарушает природную гармонию между ферментативными и неферментативными окислительно-восстановительными реакциями. Природные и искусственные антиоксиданты снижают токсичный эффект воздействия повышенных доз кислорода.

При повышенном давлении увеличивается содержание кислорода в крови. В барокамерах проводят сложные хирургические операции, лечат некоторые формы сердечной недостаточности, повреждений мозга, почек, печени, легких, костных тканей, газовую гангрену, столбняк, иногда принимают роды.

Аллотропная модификация кислорода – озон – самый агрессивный стрессор внешней среды, сокрушительно действующий на легкие и другие органы.

Озон

О ₃ (О⁺⁴О₂) – газ синего цвета с резким раздражающим запахом, токсичен.

Озон сильно эндотермичен(Н = +142,3 кДж/моль), поэтому очень реакционноспособен. По окислительным свойствам уступает только фтору. Непосредственно не реагирует только с галогенами, благородными газами, платиной и золотом.

В естественных условиях озон образуется из атмосферного кислорода при грозовых разрядах, а на высоте 10–30 км – под действием ультрафиолетовых лучей. Озон задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя её охлаждению. При этом происходит разложение озона: О₃ О₂ + О.

Озон сильно раздражает глаза и дыхательные пути. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе – 1 мг/м³.

Применяется озон как бактерицидное средство, в смеси с воздухом или кислородом для дезинфекции воды, воздуха.

Ничтожные количества озона, содержащиеся в атмосферном воздухе, достаточны для инициирования пероксидного окисления непредельных жирных кислот, входящих в биомембраны. Экспериментально установлено, что предельно допустимый уровень содержания озона 120 мкг/м³ представляет для окружающей среды большую угрозу, чем предельно допустимая радиация. Установлено, что поражение легких, органов зрения, ускоренное старение организма и ряд других патологий, вызываемых озоном, связаны с инициированием цепных свободнорадикальных реакций. Витамины Е, Р, С и другие природные антиоксиданты защищают организм от действия озона, перехватывая свободные радикалы, обрывая кинетические цепи.

… Человеку, впервые попавшему в горы, на высоте «не хватает воздуха», а точнее кислорода. Причина «горной болезни» в том, что на высоте парциальное давление кислорода понижено и в разряженном воздухе кровь не успевает насытиться кислородом, и – наступает кислородное голодание. Люди, постоянно живущие в горных районах, кислородной недостаточностью не страдают. Их организм адаптировался к горным условиям: интенсивнее протекают процессы кровообращения, организм вырабатывает больше гемоглобина.