1. Пути образования синглетного кислорода в биосистемах

¹О₂ – чрезвычайно активный интермедиат ³О₂, он в 1500 раз активнее взаимодействует с мембранными липидами, чем ³О₂. В биосистемах синглетный кислород образуется, главным образом, как побочный продукт и только у грибов рода Cercospora найден специальный механизм генерации ¹О₂ как защитная реакция от микроорганизмов, простейших, вирусов и других агрессивных агентов. Основными путями генерации ¹О₂ в биосистемах являются следующие:

1. Гомолитический распад богатых энергией кислородсодержащих соединений, например, гидроперекисей липидов

1. LOOH → LO^. + OH^. + ¹О₂

2. Реакции фотосенсибилизации, где в качестве сенсибилизаторов выступают пигменты и красители (гематопорфирин, флавины, хлорофиллы, эозин, метиленовый синий и др.)

Т_к ^* + ³О₂ → Т_к + ¹О₂, где

Т_к ^* - возбужденное триплетное состояние красителя.

Важный путь образования ¹О₂ – фотодинамические реакции с участием пигментов сенсибилизаторов. Токсичность пигментов и красителей, которая появляется на свету и в присутствии кислорода, называется фотодинамическим действием. Данный эффект был открыт Оскаром Раабом, студентом профессора Херманна фон Таппайнера в Мюнхенском Фармакологическом институте в 1888 г. Суть открытия Рааба состояла в том, что, когда интенсивность света в поле микроскопа была достаточно большой, окрашенные акридином или другими флуоресцирующими красителями клетки парамеции прекращают движение и погибают, причем спектр действия этого эффекта соответствует спектрам поглощения красителей.

Поглощая квант света, пигмент-фотосенсибилизатор (Р) переходит в синглетное (¹Р) и затем в триплетное (³Р) возбужденные состояния, которые, сталкиваясь с кислородом, передают на него свою энергию, образуя ¹О₂.

р + hv → ¹р^* → ³р^* ,

 О₂  О₂

¹О₂ ³О₂

3. Спонтанная дисмутация О₂^. (в отсутствие СОД)

О₂^. + О₂ ^._ → ¹О₂ + Н₂О₂

4. Взаимодействие гипохлорит-ионов с Н₂О₂

Н₂О₂ + OCl^- → ¹О₂ + Cl^- + Н₂О

5. Расщепление перекиси водорода каталазой, при этом 0,5 % образующегося кислорода может быть в синглетной форме

2 Н₂О₂ → 2 Н₂О + О₂ (0,5 % → ¹О₂)

6. Реакция Габера-Вейса

Н₂О₂ + О₂^. → ¹О₂ + OH^. + OH^-

7. Взаимодействие гидроксильных радикалов с супероксидными анион-радикалами

_Н+

2. О₂^. + ОН^. → ¹О₂ + Н₂О

8. Реакции фотосенсибилизации с участием церкоспорина, токсина патогенных грибов рода Cercospora, которые вызывают повреждение и гибель клеток растения в результате образования ¹О₂.

После этого патоген способен колонизировать растение. Интересно, что обработка церкоспорином, который является хромопротеидом, растений имитирует симптомы заболевания, вызываемого этими грибами.

1. Химические реакции 1о2.

¹О₂ обладает высокой химической активностью и участвует в реакциях двух типов:

1. Синглетный кислород взаимодействует с соединениями, имеющими двойную связь, с образованием диоксиэтанов, которые в дальнейшем могут переходить в гидроперекиси.

OO

| |

R₁CH=CHR₂ + ¹O=O → R₁CHCHR₂ → R₁CHCHR₂

диоксиэтан гидроперекись

Это свойство ¹О₂ особенно важно для инициирования перекисного окисления ненасыщенных липидов в биомембранах. Д.И.Рощупкин и соавт. показали, что при УФ-облучении полиненасыщенных жирных кислот в присутствии сенсибилизаторов и кислорода происходит образование гидроперекисей липидов, что в последующем приводит к развитию реакций цепного окисления вследствие свободнорадикального разложения гидроперекисей.

¹О₂ способен эффективно окислять холестерин с образованием гидроперекиси холестерина, а также аминокислоты гистидин и триптофан.

2. Альтернативной химической реакцией ¹О₂ является его «тушение», т.е. переход в основное, триплетное, состояние.

Тушение ¹О₂ может происходить путем безызлучательного переноса энергии на молекулу акцептора. Одним из самых эффективных тушителей в клетке является -каротин, одна молекула которого способна тушить 1000 молекул ¹О₂ (константа скорости тушения равна 3^. 10¹⁰ М^-1с^-1). Но основным тушителем ¹О₂ в клетке является вода.

Так время жизни ¹ g в Н₂О составляет 2 мкс, в Д₂О – 20 мкс, а в органических растворителях значительно больше и для CCl₄ составляет 700 мкс. Предполагается два механизма тушения:

- физическое тушение, является преобладающим способом размена энергии ¹О₂

¹О₂ + -каротин → ¹О₂ + ³ -каротин + Q

Наиболее полно защитное действие каротиноидных пигментов показано при действии света на мутанты, лишенные каротиноидов, которые гораздо чувствительнее к действию света. В этом случае эндогенными сенсибилизаторами являются молекулы хлорофилла или бактериохлорофилла. Эффективность защиты каротиноидами in vivo связана с числом конъюгированных двойных связей в их молекуле. При этом число двойных связей должно быть  9.

Другим важным тушителем ¹О₂ является α-токоферол, который эффективно взаимодействует с ¹О₂, но в 50 раз слабее, чем каротин;

- химическое ацетилирование ¹О₂, первичными продуктами окисления являются эндоперекиси токоферола, затем превращающиеся в эпоксикетоны. Полагают, что биологическая роль α-токоферола заключается в дезактивации синглетного кислорода и защите легкоокисляемых липидных компонентов биомембран. Интересно, что активность α-, -, - и -токоферолов в отношении тушения синглетного кислорода коррелирует с их Е-витаминной активностью.

В отсутствие тушителя самопроизвольный переход ¹О₂ в основное состояние сопровождается люминесценцией. Синглетный кислород переходит в основное состояние с испусканием кванта света в инфракрасной области спектра (_люм. – 1270 нм). Кроме того, молекулы синглетного кислорода могут образовывать возбужденные димеры (эксимеры) кислорода, которые переходят в основное состояние с испусканием видимого света (_люм-635, 580, 535 нм).

¹О₂ + ¹О₂ → (¹О₂ )^* (эксимер кислорода)

(¹О₂ )^* → 2О₂ + h₃