Строение и свойства кислорода

Возникновение аэробного метаболизма у древних организмов принесло им не только выгоды в виде более эффективного метаболизма, но и проблемы, связанные с особенностями строения молекулы кислорода. 

Порядковый номер кислорода в таблице Менделеева – 8, заряд ядра – +8, общее число электронов – 8, электронная формула кислорода – 1s22s22p4. На 2р-подуровне атома имеются два неспаренных электрона, обычное для кислорода окислительное число равно -2.

Диаграмма атома кислорода Электроны молекулы кислорода
Диаграмма строениz атома кислорода
Строение молекулы кислорода

Молекула кислорода в своем обычном состоянии отличается от других газообразных элементов тем, что имеет два неспаренных электрона, т.е. является бирадикалом. В целом, общие механизмы восстановления кислорода в биохимических реакциях происходят с участием только одного электрона, а кислород является довольно стабильной молекулой, обладающей свойством сильного окислителя.

Упомянутые неспаренные электроны обладают параллельными спинами. Это, в соответствии с принципом Паули, выдвигает условие, что с кислородом могут взаимодействовать только такие двухвалентные восстановители, которые имеют два неспаренных электрона с параллельными спинами, но спины приносимых электронов должны быть противоположны имеющимся в кислороде.

Поскольку каждая молекула кислорода имеет два неспаренных электрона на внешней орбитали, то в клетке она легко вовлекается в реакции, связанные с захватом "недополученных" электронов, и в итоге восстанавливается до воды, конечного продукта биологического окисления. В идеальном мире именно так и происходит. Однако в реальности часто образуются продукты неполного восстановления кислорода, называемые активные формы кислорода (АФК). АФК являются нестабильными молекулами, что и определяет их высокие реакционные свойства. 

Супероксид анион. Пероксид анион. Перекись водорода
Активные формы кислорода
Любые свободные радикалы - это высоко реактивные молекулы с неспаренными электронами, находящимися на внешней оболочке атома или молекулы, обладающие очень высокой реакционной способностью. Они стремятся получить дополнительные электроны так, чтобы появилась стабильная пара. Накопление свободных радикалов в клетке, как правило, является результатом превращения кислорода в АФК, которые могут реагировать с другими клеточными молекулами и вызывать их радикализацию.

Кроме активных радикалов кислорода существуют и другие реактивные молекулы.

Оксид азота. Пероксинитрит. Гипохлорит.
Активные формы азота и хлора

Активация кислорода

Активация кислорода происходит по двум различным механизмам: под воздействием физических или химических (ферментативных или спонтанных) стимулов.

1. Физическая активация - это поглощение молекулой O2 достаточного количества энергии, чтобы изменить спин одного из неспаренных электронов.

Когда кислород находится в основном, триплетном состоянии, его электроны имеют параллельные спины. Если триплет кислорода поглощает энергию, достаточную для изме-нения спина одного из своих неспаренных электронов, он превращается в синглетную форму, в которой оба электрона имеют противоположные спины.

Синглетный кислород может уже участвовать в реакциях с одновременной передачей двух электронов. Поскольку спаренные электроны распространены в органических молекулах, синглетный кислород гораздо более реакционноспособен, чем его триплетный аналог.

Активация молекулы кислорода
Два способа активации кислорода

2. Под воздействием химических стимулов молекула кислорода получает электроны.

В реакциях восстановления молекулы кислорода промежуточными метаболитами являются свободные кислородные радикалы. В конце восстановительного пути кислород превращается в воду. 

Восстановление молекулы кислорода
 Общая схема процесса восстановление кислорода до воды

Реакции одноэлектронного восстановления кислорода

Принимая первый электрон, молекула кислорода превращается в супероксид анион-радикал О2ꜙ ,  при дальнейшем восстановлении происходит присоединение либо иона H+ с появлением гидропероксид радикала HO2, либо электрона с образованием пероксид аниона O22–. В следующем шаге восстановления, наоборот, присоединяется либо электрон, либо ион H+ и образуется гидропероксид анион HO2, который далее восстанавливается до пероксида водорода H2O2.

Восстановление кислорода до активных радикалов
Неферментативные реакции восстановления молекулы кислорода

Пероксид водорода является нейтральным соединением и поэтому легко проходит через клеточные мембраны. Ковалентная связь между атомами кислорода может разрываться при воздействии ионизирующего или ультрафиолетового излучения, при спонтанном взаимодействии с ионом железа Fe2+ или с супероксид анион-радикалом.

Реакции Фентона Хабера-Вейса
Реакции образования гидроксил-радикала
Радикал гидроксила чрезвычайно реакционноспособен и отнимает электрон от первой же встреченной молекулы.

Вы можете спросить или оставить свое мнение.