Elektrontransport og hydrogenperoksid
Elektrontransport er en fundamental prosess i energiomsetningen i alle organismer, i mitokondrier, samt kloroplaster i planter. Transport av elektroner via transisjonsmetaller (jern, kobber), gir mulighet for at det blir dannet superoksidet av oksygen (O2•-) i en enelektronreduksjon av oksygen (O2)
\(O_2 + e^- \; \rightarrow \; O_2 \cdot^-\)
Superoksidanionet kan motta et proton i vann, og danner en hydroperoksyl (HO2) i en reaksjon med pKa-verdi ca. pH 4.8:
\(O_2 \cdot ^- + H_2O \iff HO_2 + OH^-\)
Superoksidanionradikalet er skadelig og blir fjernet og omsettes til hydrogenperoksid
\(O_2 \cdot ^- +\; e^- + 2H^+\; \rightarrow \; H_2O_2\)
Superoksid dismutaser (SOD) er enymer som gir en disproporsjonering en disproporsjonering:
\(2HO_2 \rightarrow H_2O_2 + O_2\)
Superoksid dismutaser er meget effektive enzymer og finnes som Cu-Zn-SOD, Mn-SOD eller Fe-SOD. CuZn-SOD finnes i cytoplasma hos alle eukaryote celler, Mn-SOD i mitokondrier og prokaryoter, samt Fe-SOD i bakterier og kloroplaster.
Flere enzymer deltar i nedbrytning av hydrogenperoksid: katalase og forskjellige typer peroksidaser.
Fotorespirasjon og hydrogenperoksid
I fotorespirasjon i planter er reaksjonen fra glykolat til glyoksylat katalysert av glykolat oksidase lokalisert i spesielle organeller, peroksisomene og H2O2 er et produkt i reaksjonen:
glykolat + O2 → glyoksylat + H2O2
Glykolat kan også oksidere glyoksylat til oksalsyre
Hydrogenperoksid gir et oksidativt stress og må fjernes fra metabolismen. Enzymet katalase bryter ned H2O2:
2H2O2 → 2H2O + O2
Katalase er et enzym som inneholder jern i form av hem i alle organismer som lever i en oksygenatmosfære.
Betaoksidasjon av fettsyrer og hydrogenperoksid
Acyl-CoA oksidase er en type oksidoreduktaser lokalisert i glyoksysomene og deltar i nedbrytningen av fettsyrer i en beta-oksidasjon.
acyl-CoA + O2 ⇔ trans-2,3-dehydroacyl-CoA + H2O2
Kalles også fettsyre acyl-CoA oksidase kodet av genet ACOX1 er det første enzymet i beta-oksiasjonen.
Hydrogenperoksid som signalstoff i lukkeceller
Hydrogenperoksid deltar som signalmetabolitt i åpnings-lukningsmekanismen for spalteåpninger (stomata) i blader via plantehormonet abscisinsyre (ABA), i samvirke med nitrogenmonoksid (NO). NO er et radikal og egner seg som signalstoff over korte avstander slik som innen en celle. Plantene styrer vanntapet fra plantene via spalteåpningsapparatet. Spalteåpningene er også en inngangsvei for patogene sopp, som glir regulert via patogen-assosiert molekylært mønster. ABA induserer lukking av spalteåpning, og via protein kinaser blir flere membranassosierte proteiner aktivert slik som NADPH oksidase, anion ionekanaler og akvaporiner.
Hydrogenperoksid i immunsystemet
I immunsystemet brukes superoksid produsert fra enzymet NADPH oksidase som middel til å nedkjempe patogene bakterier og virus. Noen bakterier er katalasepositive, inneholder enzymet katalyse som beskyttelse mot immunsystemet. Eksempler er tuberkulosebakterien (Mycobacterium tuberculosis), legionellabakterien (Legionella pneumophila) og Caympylobacter jejuni. Bakter som gule stafylokokker og mykobakterier kan i tillegg lage karotenoider som forsvar mot det oksidative angrepet fra immunceller.
Enzymet NADPH oksidase er et enzym på utsiden av membraner som katalyserer dannelse av superoksid i reaksjonen:
2O2 + NADPH ⇔ 2O•2- + H+
NADPH oksidase finnes på utsiden av plasmamembranen, og i fagosomer i hvite blodceller (leukocytter, neutrofile) som fjerner mikroorganismer (sopp, bakterier). Superoksidet kan drepe mikroorganismer direkte eller via hydrogenperoksid katalysert av superoksid dismutaser.
NADPH oksidase finnes også i planter, og blir brukt til å bekjempe patogener, men også som signalmetabolitt. Enzmet blir aktivert under diverse stress.
Hydrogenperoksid og peroksidaser
I tillegg til katalase deltar peroksidaser i nedbrytning av hydrogenperoksid. Viktig i planter er askorbat peroksidase i glutation-askorbatsyklus, og glutation peroksidase i dyr, et enzym som inneholder selen og bruker glutation som alternativ til askorbat.
Katabolisme av puriner og hydrogenperoksid
Nitrogen i aminosyrer, puriner og pyridiner må fjernes fra metabolismen i kroppen hos dyr, siden ammonium er giftig (ammoniumtoksisitet). Et av nedbrytningsproduktet kan være blant annet urinsyre, katalysert av enzymet xanthin oksidase:
hypoxanthin + O2 + H2O ⇔ xanthin + H2O2
xanthin + O2 + H2O ⇔ urinsyre + H2O2
Xanthin oksidase inneholder molybdopterin som kofaktor.
Fenton- og Haber-Weiss-reaksjoner
Haber-Weissreaksjoner og Fentonreaksjoner er en kaskade med reaksjoner hvor fritt ubundet jern deltar.
Fentonreaksjoner en en reaksjon med hydrogenperoksid og ferrojern (Fe2+) hvor det også blir dannet meget reaktive hydroksylradikaler (OH•) og hydroperoksylradikal (HOO•)
Bombardierbiller
Bombardierbiller i slekten Brachinus, familien Carabidae, har atskilte lagere med hydrogenperoksid, hydrokinon og enzymer i bakkroppen , og som til forsvar kan sprøytes ut og gi en eksoterm reaksjon.
Troposfæreozon og hydrogenperoksid
Bakkenært ozon (O3) gir skader på planter. Vi undersøkte med spin-trapping og ESR om ozon kunne gi opphav til hydroksylradikaler (OH•) slik det var hevdet i litteraturen, men klarte ikke å reprodusere dette. Konklusjonen ble at ozon gir dannelse av hydrogenperoksid i lukkecellene, og som gir lukning av disse. Hydrogenperoksid kan i tillegg gi kjedereaksjoner via reaktive oksygenforbindelser.
Hydrogenperoksid mot lakselus i havbruksnæring
Hydrogenperoksid blir brukt som middel mot lakselus i oppdrettsnæring, men alle miljøeffekter er ikke klarlagt.
Bruk av hydrogenperoksid
Industrielt blir hydrogenperoksid laget i den BASF-patenterte antrakinonprosessen med antrakinon-palladium som katalysator, hvor hydrogen regerer med antrakinon og danner 2-alkylantrakinon, som deretter kan reager med O2 :
O2 + H2 → H2O2
Hydrogenperoksid er løst i vann i forskjellige konsetrasjoner beregnet på forskjellige bruk Konsument- og kosmetikkbruk (3%, 6% ), laboratoriebruk (30%) og industribruk 70% og 98%. Hydrogenperoksid er ustabil og dekomponerer til vann og oksygen
2H2O2 → O2 + 2H2O
Reaksjonen går raskere i lys, og hydrogenperoksidløsninger er derfor i lystette beholder. Nedbrytningen også i nærvær av transisjonsmetaller. En sur løsning med hydrogenperoksid virker sterkt oksiderende.
Natrium perkarbonat og natrium perborat kan bli brukt som blekemiddel i vaskepulver.
Hydrogenperoksid kan bli brukt i lysende "glødestikker".
Hydrogenperoksid inngår i rakettbrensel