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二酸素（ O₂）2 )酸素は生物の代謝において重要な役割を果たしますシアノバクテリア、緑藻、植物における光合成光分解（光駆動による酸化と分解）によって生物圏好気呼吸における酸化的リン酸化の、酸素は水に還元され、生物学的な水-酸素酸化還元サイクルが閉じられます。
自然界では、酸素発生型光合成の際に光によって水が分解されることで遊離酸素が生成されます。シアノバクテリアは、嫌気性の地球を今日の酸素が豊富な世界へと変え始めました。[ 1 ]海洋環境は地球上の酸素生成の大部分を担っています。[ 2 ]残りは陸上植物によって生成されますが、例えば熱帯雨林で生成される酸素のほぼすべては、そこに生息する生物によって消費されます。[ 3 ]
光合成の簡略化された全体式は次のとおりです。[ 4 ]
（または単純に二酸化炭素＋水＋日光→グルコース＋酸素）
光合成における光分解による酸素発生は、光依存的な水の酸化によって起こり、以下の簡略化された化学反応式で表すことができます。2H₂O → 4e⁻ + 4H⁺ + O₂
この反応はシアノバクテリアのチラコイド膜、藻類および植物の葉緑体で起こり、4光子のエネルギーを必要とします。水分子から抽出された電子は、光依存性励起とプラストキノンへの一連の酸化還元反応の後、電子伝達系に取り込まれた光化学系IIのP680色素の電子不足の高エネルギー状態P680+に移動します。[ 5 ]そのため、光化学系IIは水-プラストキノン酸化還元酵素とも呼ばれています。[ 6 ] 水分子から分離されたプロトンはチラコイド内腔に放出され、チラコイド膜を横切るプロトン勾配の生成に寄与します。このプロトン勾配は光リン酸化によるATP合成の駆動力であり、光合成中の光エネルギーの吸収と水の光分解を化学エネルギーの生成に結びつけます。[ 5 ]水分子の酸化後に残ったO 2は大気中に放出される。
水の酸化は、チラコイド膜の内腔側に付着している酸素発生複合体（OEC）または水分解複合体として知られるマンガン含有酵素複合体によって触媒される。マンガンは重要な補因子であり、カルシウムと塩化物も反応に必要である。[ 5 ]
脊椎動物における酸素摂取は、以下の過程によって行われる。
肺に吸入された酸素は、肺胞を通って血液の血清に拡散し、そこで吸入ガスの分圧に直接関係して一部が残り、残りは赤血球に結合します。赤血球は、配位子としてO 2を含む配位化合物である二酸素複合体に結合し、[ 7 ]より高い酸素負荷能力を提供します。血液中では、ヘモグロビンのヘム基が酸素が存在する場合に酸素と結合し、ヘモグロビンの色を青みがかった赤から鮮やかな赤に変化させます。[ 8 ] [ 9 ]脊椎動物は血液中のヘモグロビンを使用して肺から組織に酸素を輸送しますが、他の動物はヘモシアニン（軟体動物と一部の節足動物）またはヘメリトリン（クモとロブスター）を使用します。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] 1リットルの血液は200ccの酸素ガスを溶解することができ、これは水が溶解できる量よりもはるかに多い。[ 10 ]
酸素を必要とする体組織に血液によって運ばれた後、O 2はヘム基からモノオキシゲナーゼに渡されます。モノオキシゲナーゼは鉄原子を持つ活性部位を持つ酵素です。[ 10 ]モノオキシゲナーゼは体内の多くの酸化反応に酸素を使用します。血漿中に懸濁している酸素はヘンリーの法則に従って組織に均等化されます。老廃物である二酸化炭素は細胞から血液中に放出され、そこで重炭酸イオンに変換されるか、ヘモグロビンと結合して肺に運ばれます。血液は肺に戻り、このプロセスが繰り返されます。[ 13 ]
分子状酸素（O₂ ）は、すべての好気性生物の細胞呼吸に不可欠です。酸素はミトコンドリア内で電子受容体として利用され、酸化的リン酸化の過程でアデノシン三リン酸（ATP）の形で化学エネルギーを生成します。好気呼吸の反応は、基本的に光合成の逆反応ですが、 ATP分子に蓄えられる大量の化学エネルギーが放出される点が異なります（グルコース1分子とO₂分子6分子から最大38分子のATPが生成されます）。この反応を簡略化した式は以下のとおりです。
活性酸素種は、少なくとも 1 つの酸素原子と 1 つ以上の不対電子を含む分子です。活性酸素種 (ROS) は、細胞の好気呼吸の副産物です。重要な例としては、ヒドロキシルラジカル(HO·)、スーパーオキシドアニオンラジカル (O2-)、過酸化水素( H 2 O 2 )、ヒドロペルオキシルラジカル、 一酸化窒素(NO) 、一重項酸素などの酸素フリーラジカルがあります。[ 14 ] [ 10 ]体はスーパーオキシドジスムターゼを使用してスーパーオキシドラジカルを過酸化水素に還元します。グルタチオンペルオキシダーゼおよび同様の酵素は、H 2 O 2を水と酸素に変換します。[ 10 ]
しかし、高等生物の免疫系の一部は、侵入する微生物を破壊するために過酸化物、スーパーオキシド、一重項酸素を生成します。最近、一重項酸素が生物学的に生成されるオゾンの供給源であることがわかりました。この反応は、トリオキシダン（HOOOH）としても知られる珍しい化合物である三酸化二水素（一重項酸素と水の抗体触媒生成物）を介して進行します。この化合物は、オゾンと過酸化物に不均化し、2つの強力な抗菌剤を提供します。免疫応答において抗菌剤として「意図的に」使用されていることを考えると、これらの活性酸化剤すべてに対する体の防御範囲は、それほど驚くべきことではありません。[ 15 ]活性酸素種は、病原体の攻撃に対する植物の過敏性反応においても重要な役割を果たしています。 [ 5 ]