Université de Liège - Centre de l'Oxygène, Recherche et Développement (CORD)

L'oxygène singulet et la vie : partie A- Généralités

C Deby

A.1. Introduction historique
Nous  avons vu dans le tome I de l'Initiation au métabolisme de l’oxygène (chapitre XI) que l'oxygène singulet est un état excité de l'oxygène fondamental. A l'inverse de celui-ci, tous les électrons de sa couronne externe (outer shell) sont pairés.
Jusqu'en 1964, l'oxygène singulet, ¹Δ_g, n'avait présenté d'intérêt que pour les astrophysiciens. Les recherches spectroscopiques de cette forme d'oxygène excité, découverte en 1924 et qui se forme dans la haute  atmosphère au cours des aurores boréales (fig. 1), avaient commencé en 1931. L'astrophysicien et prix Nobel Herzberg découvrit en 1934, dans le spectre solaire infra-rouge, une raie à 12900 angströms qu'il attribua à un état excité de l'oxygène correspondant à l'oxygène singulet¹.

Fig.1: Luminescence rouge au cours d'une aurore boréale.

En 1927, un chimiste français, Mallet, avait montré que l'anion OCl^- réagit avec le peroxyde d'hydrogène en provoquant un dégagement d'oxygène; cette réaction s'accompagne d'une très faible luminescence rouge foncé. L'équation suivante fut proposée :

(I)

Mais l'expérience de Mallet, pour permettre l'observation à l'oeil nu de la luminescence, exige des concentrations de réactifs élevées². La figure 2 montre l'appareillage : un flux de chlore barbotte dans du peroxyde d'hydrogène 8 M (perhydrol) et l'observation se fait à l'obscurité.

L'équation (I) s'écrit alors :

(II)

Plus tard, on suggéra que la chimiluminescence rouge sombre accompagnant la réaction de Mallet témoigne d'un état d'excitation des molécules réagissantes qui se désexcitent par émission lumineuse³.
En 1963 et 1964, Khan et Kasha reproduisirent l'expérience de Mallet et en étudièrent la luminescence au spectroscope. Ils montrèrent des similitudes spectroscopiques entre ce phénomène et les caractéristiques de l'oxygène singulet observé en haute atmosphère^4,5. Ils identifièrent ainsi ¹Δ_g pour la première fois dans un système chimique qui était celui de la réaction découverte par Mallet en 1927. L'équation (II) devait s'écrire :

(III)

Divers travaux, menés entre 1964 et 1966, établirent que ¹Δ_g peut se produire durant des réactions chimiques diverses et que cette espèce apparaît en milieu aqueux de manière très fugace. "La chemiluminescence qui survient au cours de réactions d'oxydation de molécules organiques est associée à l'excitation d'états métastables de l'oxygène moléculaire, en systèmes peroxydés"⁶.

Entre 1968 et 1970, Foote attira l'attention sur l'importance de ¹Δ_g en biologie et découvrit un "quencheur" naturel de celui-ci, le carotène beta^7,8. En 1970, le rôle de l'oxygène singulet ¹Δ_g dans la carcinogenèse et le vieillissement et sa toxicité manifeste furent soulignés au cours d'une conférence internationale qui lui fut consacrée. Durant cette session, il fut montré que, vis-à-vis des acides gras non saturés, l'oxygène singulet est plus de mille fois plus actif pour former des peroxydes que l'oxygène fondamental⁹. Kasha et Khan déclarèrent: "L'oxygène singulet, qui a été négligé parce que n'ayant d'intérêt que pour les astrophysiciens, doit être maintenant considéré comme un intermédiaire universel possible dans les processus physiques, chimiques et biologiques impliquant l'oxygène moléculaire"¹⁰. La paternité de l'oxygène singulet dans les systèmes biologiques fut attribuée à une dismutation de l'anion superoxyde, grande vedette en ces années 1970¹¹ (Voir plus loin en B.2.1.1 l'évolution de ce concept).

A.2. Rappel sur les formes de O₂

Fig. 3 : Hybridation de deux atomes d'oxygène O pour former O₂. Les électrons 1S ne sont pas représentés.

L'oxygène existe, à l'état singulet, sous 2 formes métastables dont l'une, ¹Σ_g⁺, a une durée de vie beaucoup plus brève que l'autre, ¹Δ_g (fig.4). Le futur Prix Nobel Mulliken¹² prédit l'existence de ces deux formes qui furent effectivement observées l'année suivante par Ellis et Kneser¹³.

A.3. Modes de formation de ¹Δ_g in vitro

 A.3.1. Par réactions photo-sensibilisées: on utilise des colorants sensibilisateurs qui, sous l'action d'une lumière visible, sont amenés de l'état fondamental à un état excité (voir fig. 14 A et 14 B); ils se désexcitent en présence d'O₂ qui capte l'excès énergétique et passe à l'état singulet (fig.5 ). L'excitation consiste en un saut d'un électron faisant partie d'une paire dans une orbitale de basse énergie vers une orbitale vide de haute énergie. Le spin de cet électron peut garder son orientation, la molécule restant singulet, ou subir une inversion : la molécule devient un triplet .

Pour être efficace, le sensibilisateur doit pouvoir rester longtemps à l'état excité. Ce n'est pas le cas s'il reste singulet: il retombe rapidement sur son orbitale de départ. Par contre, s'il devient triplet, le retour sera quantiquement interdit (loi de conservation de spin) et l'échange d'énergie entre le triplet et ³O₂ aura plus de chance de se produire. Parmi les porphyrines, c'est surtout la protoporphyrine IX [PP(IX)] qui capte aisément les rayonnements lumineux de basse énergie en passant à l'état triplet¹⁵. Pour Dalton et McAuliffe, les réactions suivantes auraient lieu :
  a) PP(IX)  + hν  → PP(IX)*

  b) PP(IX)* + ³O₂  → PP(IX)  + ¹Δ_g
Elles se produiraient de manière certaine dans les milieux biologiques contenant de la protoporphyrine IX et exposés à la lumière¹⁵.
On a employé notamment: la tétraphénylporphyrine (fig. 6), le rose Bengale (fig. 7), le bleu de méthylène (fig. 8), l'éosine, la fluorescéine, la bilirubine¹⁶, la violanthrone (fig. 9), la phtalocyanine (fig. 10), etc …¹⁷. La bilirubine serait la substance la plus photo-active dans l'environnement lipidique naturel¹⁷. Pour l'obtention de taux élevés de ¹Δ_g, les irradiations sont produites par des "flash" laser ("giant pulses")¹⁸ ou par des radiofréquences¹⁹.

 
Fig. 6 : Tétraphénylporphyrine     Fig. 7 : Rose Bengale

Fig. 8 : Bleu de méthylène 

Fig. 9 : Violanthrone

Fig. 10 : Phtalocyanine

 A.3.2. Par conversion thermique : à première vue, cette conversion n'apparaît pas aisée puisqu'un facteur d'entropie important doit intervenir dans le passage de l'état à 2 électrons à spins parallèles vers l'état à 2 électrons pairés. Ce passage se produit facilement lors du chauffage à l'obscurité d'un mélange oxygène triplet/acétylène, avec formation d'un complexe triplet doué de propriétés catalytiques²⁰.
D'usage plus aisé est la décomposition par chauffage d'endoperoxydes aromatiques  (fig. 11 et 12)²¹.

            Fig. 11: Production de ¹Δ_g à partir d'un endoperoxyde: schéma général.

Fig. 12 : Production de ¹Δ_g à partir d'un endoperoxyde anthracénique.

 A.3.3. Par réactions chimiques :

   A.3.3.a. Réaction de Mallet (équation III)

   A.3.3.b. Par décomposition du perchromate de K²²:

       4CrO₈^3- + 2H₂O → 4CrO₄^2- + 7¹Δ_g + 4OH^-  (IV)

   A.3.3.c. A partir du 1-phospho-2,8,9-trioxaadamantane ozonide^23,24   

   A.3.3.d. Au cours de la dismutation de l'anion superoxyde
En 1987, le prix Nobel Corey affirma avoir mis en évidence, par spectroscopie à 1260 nm, la formation de ¹Δ_g par introduction d'eau dans une suspension de KO₂ en solvants aprotiques²⁵. Khan et Kasha²⁶, en produisant de l'anion superoxyde par réaction de H₂O₂ avec le superoxyde de K dissous par un éther-couronne en milieu aprotique, ont montré l'apparition d'une chimioluminescence centrée sur 1268 nm, caractéristique de ¹Δ_g.
Ces travaux ont toutefois été contestés en 2000 par Martinez et al.²⁷ qui ont argué de  l'impossibilité thermodynamique de la réaction O₂^- + H₂O₂  : celle-ci a en effet une énergie de Gibbs positive et, de plus, la vitesse de dismutation de O₂^- est beaucoup plus grande que ne serait celle produisant ¹Δ_g. La controverse n'est certainement pas finie (voir B.2.1.1: la controverse sur la formation de ¹Δ_g à partir de O₂^-, in vivo).

   A.3.3.e. Réaction du peroxynitrite avec H₂O₂

  Ce sujet a été l'objet d'âpres discussions depuis la publication par Di Mascio et al. en 1994²⁸ de l'équation :
            ONOO^- + H₂O₂ → ¹Δ_g + ^-OH + HNO₂  (pH>7,5)  (V)

Dans ces conditions, le peroxynitrite devrait libérer une énergie supérieure aux 22 kCal requises  pour exciter O₂ et en faire de l'oxygène singulet.
Les auteurs montrèrent que la réaction de H₂O₂ avec le peroxynitrite, dans un milieu de pH>7, produit un pic de chimiluminescence à 1270 nm, amplifié par la présence de D₂O et "quenché" par l'azide de Na. Ces phénomènes impliquaient une grande probabilité de formation de ¹Δ_g (voir B.1). 
Mais des travaux rigoureux furent menés sous la direction de Koppenol auxquels participèrent Di Mascio et al²⁸. Se basant sur des calculs thermodynamiques et quantiques, cette nouvelle équipe démontra l'impossibilité énergétique d'une transformation de ONOO^- en ¹Δ_g et Di Mascio reconnut s'être trompé.

Néanmoins, Khan²⁹ avait observé que l'acidification de ONOO^- (obtenu par réaction de O₂^- + NO^•) produit également une émission infra-rouge à 1270 nm, impliquant elle aussi la formation de ¹Δ_g. Mais dans ce cas également, c'est l'existence dans le milieu de préparation de H₂O₂, provenant de la dismutation spontanée de O₂^-, qui nous ramène à l'équation de Di Mascio proposée en 1994, et aux mêmes critiques formulées à son égard²⁷. Sans désemparer, en 2000, Khan et al.³⁰ proposèrent que la décomposition de ONOO^-  en tampon phosphate neutre, produit ¹Δ_g et l'anion nitroxyle NO^- (fig.13). A nouveau, les travaux de Martinez et al.²⁷ expliquèrent les résultats obtenus par Khan et al. par une contamination par H₂O₂ du peroxynitrite utilisé, niant ainsi l'hypothèse de Khan, par retour aux cas évoqués ci-dessus.

   A.3.3.f. Génération par l'ozone: proposée par Chow³¹, par Murray et al.³² et par Kanofsky³³.
Kanofsky a montré que diverses fonctions organiques réagissent avec O₃ pour produire ¹Δ_g.  Il s'agit surtout de thiols :

 (VI)

Outre la méthionine, la cystéine et le glutathion peuvent participer à cette réaction. L'acide ascorbique réagit avec l'ozone pour créer 0.61 mole  de ¹Δ_g par mole d'O₃³³

    A.3.3.g. Décomposition des peroxydes organiques : envisagée surtout in vivo; voir B.2.1.3

         Fig. 13 : D'après Khan et al.³⁰ : évolution au cours de l'abaissement du pH, phénomène contesté par Martinez et al.²⁷

A.4. Chimiluminescence (CL) de l'oxygène singulet

 A.4.1. Rappel de notions fondamentales sur les luminescences
            (inspirées de P.Suppan, 1994, réf. 34)

Les émissions de luminescence correspondent à des transitions avec perte d’énergie. Dans une molécule excitée, un électron de basse énergie "saute" sur une orbitale de plus haute énergie, absorbant l'excès d’énergie. Après un temps, l'électron revient sur son orbitale de départ, en émettant un photon hν : restitution au milieu de l'excès d'énergie fourni à la molécule.
On distingue deux types de luminescence, selon le temps  avec lequel le phénomène disparaît : la fluorescence et la phosphorescence.

    A.4.1.a. La fluorescence : l'excès d'énergie correspond à l'absorption d'un photon incident hν_i (fig 14A). En moins de 10^-8 sec, la molécule retourne à l'état fondamental, avec émission d'un photon de fluorescence  hν_f de direction perpendiculaire au rayonnement d'excitation. La briéveté s'explique par le fait que le spin de l'électron mobilisé est resté inchangé.

            Fig. 14A : La fluorescence.

     Fig. 14B : La phosphorescence: diagramme de Jablonski simplifié.

   A.4.1.b. La phosphorescence : le spin de l'électron éjecté de son orbitale de faible énergie bascule et la molécule devient un triplet (fig 14B). Le retour à l'état initial est très fortement ralenti (règle d'interdiction de spin). Un état métastable est créé, caractérisé par un niveau d'énergie intermédiaire. Les molécules triplets retourneront à l'état primitif par émission lente et relativement faible de photons. La phosphorescence peut durer plusieurs heures après l'excitation.

 A.4.2. Luminescence  de l'oxygène singulet
Il s'agit de phosphorescence.
Il faut d'abord rappeler que la plus grande partie des molécules de ¹Δ_g se  désexcitent sans CL (quenching par solvant) : décroissance "radiationless"³⁵ (fig.15). 

Fig. 15 : Devenir de l'oxygène singulet.

Il existe deux types de phosphorescence (CL) pour ¹Δ_g³⁶.

   A.4.2.a. CL monomolaire : elle correspond à la décroissance d'énergie d'une molécule de ¹Δ_g et le photon émis a une longueur d'onde λ= 1270 nm (fig.16).

    Fig. 16 : Longueur d'onde d'émission de l'oxygène singulet (d'après Khan, 1984, réf 37).

Ce phénomène est de très faible amplitude, car cette voie de décroissance est quantiquement interdite (réf 29 et fig. 14B) et ne se produit qu'avec une fréquence (nombre de molécules décroissantes par unité de temps) très faible.  Seule une faible fraction de ¹Δ_g (10-3 à 10-6M) est soumise à ce type de décroissance radiative. Mais cette émission à 1270 nanomètres est caractéristique de la présence de ¹Δ_g et sa détection permet d'affirmer la présence de ¹Δ_g. La perte d'énergie résulte de collisions de ¹Δ_g avec des molécules de solvant³⁶.

           
    A.4.2.b. CL bimolaire : elle résulte de la décroissance d'oxygène singulet dimolaire (1,2) (fig.15).
La collision entre deux molécules d'oxygène singulet forme une sorte de "dimère" dont les molécules se désexcitent avec émission de 2 radiations (fig. 17).
   ¹Δ_g + ¹Δ_g →  [¹Δ_g-¹Δ_g]*  →   ³O₂ + ³O₂  + hν (λ= 630 et 703 nm)  (VII).

  

 Fig. 17 : Luminescence "dimolaire" de l'oxygène singulet (d'après Seliger,1964, réf. 38).

  
La luminescence "dimolaire" de ¹Δ_g s'observe dans la production de cette espèce par photosensibilisateurs³⁶; elle est augmentée par le DABCO (voir B.1.3.c.)^39,40. Mais ce type de CL n'est pas forcément dû à l'oxygène singulet (voir A.4.3 et B.1.) et ne constitue pas une caractéristique spécifique.

 A.4.3. CL parasite :  l'énergie de désactivation de ¹Δ_g  est transmise à un "quencheur" (voir A.5.1) qui après activation, revient à l'état fondamental en émettant une radiation qui lui est propre. Mallet (1928) a le premier constaté cette amplification de la luminescence, durant la réaction qui porte son nom, en utilisant divers réactifs cycliques : anthracène, acridine, quinine, ou esculine. La luminescence est intense et située dans le bleu ou le violet. Plus tard, on utilisa le luminol⁴¹ ou la violanthrone. Ces émissions ne sont jamais une preuve de formation d'oxygène singulet, mais d'une libération d'énergie qui excite ces molécules⁴².

A.5. Propriétés chimiques de l'oxygène singulet

Le fait le plus remarquable est que l'oxygène, en devenant un singulet, perd son inertie vis-à-vis des molécules organiques, des singulets pour la plupart.
L'interdiction quantique des réactions singulet vs triplet n'est plus applicable. Ainsi, le rendement de la réaction de ³O₂ avec l'acide linoléique est 8,9.10¹M^-1sec^-1. Dans le cas de ¹Δ_g, il devient 1,3.10⁵M^-1sec^-1, soit environ 1500 fois plus abondant.
La chimie de l'oxygène singulet s'est fortement développée depuis les travaux de base des années soixante, tels ceux de Foote et al. et ceux de Khan et Kasha. Nous ne décrirons ici que les réactions susceptibles de se produire en milieux biologiques. Pour plus de considérations purement chimiques, nous suggérons au lecteur de consulter les références 43-48.

  A.5.1. Désactivation de l'oxygène singulet (Quenching)

La décroissance de ¹Δ_g est la résultante d'une compétition entre trois catégories de phénomènes⁴⁸
  a) réaction chimique de l'oxygène singulet avec une molécule : voir ci-dessous,
  b) phénomènes de quenching physique "radiationless" : transfert d'énergie vers une molécule sans altérer la nature chimique de celle-ci,
  c)  désactivation radiative avec émission de photons.
           ¹O₂ → ³O₂  +  hν (1260 nm)  (VIII) : désexcitation spontanée
          (¹O₂)(¹O₂)  → 2 ³O₂  (IX) : résultat d'une collision entre 2 molécules de ¹O₂

Il est évident que lorsque sa vitesse de décroissance est trop rapide, l'oxygène singulet a une réactivité chimique diminuée, et inversément.
Un grand nombre de "quencheurs" de ¹Δ_g ont été synthétisés⁴⁹.

Nous allons examiner les mécanismes de quenching physique "radiationless" (sans émission de photon).

   A.5.1.a. Quenching physique par conversion e → v de l'énergie d'excitation électronique e de l'électron π* en énergie vibrationnelle v qui est transmise à la molécule quencheuse (le solvant par ex). Le retour de ¹Δ_g à l'état stable ³O₂ peut s'effectuer par transfert énergétique aux molécules du solvant^35,50.

                        ¹Δ_g + S →  ³O₂ + Sexcité  (élévation de la température) (X)

Ce processus dépend énormément du solvant : ce sont les solvants de fréquence vibrationnelle les plus élevées qui produisent la relaxation la plus rapide⁴⁶. Wilkinson et al.⁵¹ ont publié une volumineuse compilation des constantes de décroissance de ¹Δ_g selon les milieux solvants. L'eau H-OH a une forte énergie vibrationnelle qui rend la durée d'existence de ¹Δ_g très courte; l'eau deutérée D₂O a une énergie nettement plus faible, ce qui permet une durée de ¹Δ_g 10 fois plus longue (fig. 18).

Fig. 18 : Quelques durées d'existence de ¹Δ_g selon les solvants.

Ainsi s'explique l'usage de l'eau deutérée, D₂O, dans la recherche de ¹Δ_g dans un système (voir B.1.2.). On utilise aussi couramment le méthanol deutéré : CD₃OD.

   ^{A.5.1.b. Quenching physique par transfert de charge (CT)
1O2 et le quencheur se rapprochent par transfert d'un électron vers le pôle électrophile de la molécule d'oxygène, en formant un exciplexe de courte vie :}

 (XI)

A la fin de la réaction, l'agent quencheur se retrouve inchangé.

Ainsi agit le tétraméthyléthylène⁵² (fig. 19).

    
Fig. 19 : Catalyse du quenching de ¹Δ_g.

Il faut que l'énergie d'ionisation du composé quencheur soit suffisamment basse. C'est également le cas du DABCO (fig. 36 et 37) qui permet le réarrangement électronique dans la molécule de ³O₂ tout en retrouvant finalement sa nature première par retour de l'électron (voir ci-dessous : DABCO B.1.3.c.).

   A.5.1.c. Quenching par transfert de l'énergie électronique: EET (Electronic Energy Transfer)
C'est un processus rapide de désactivation, limité par la vitesse de diffusion. C'est le cas du carotène (voir plus loin: B.1.3.a.)⁸.

                        Carot  +  ¹O₂  →  ³Carot  + ³O₂ (XII)

Quant à la désactivation radiative, la plus intéressante, parce que la plus spécifique de ¹O₂, est celle qui permet l'émission d'un photon de λ = 1260 nm. Mais cette transition est interdite par la règle de conservation de spin. Elle se produit donc peu fréquemment, d'où la nécessité  de recourir à des procédés de détection lumineuse extrêmement sensibles (Voir B.1.1.).

   A.5.1.d. Conclusions sur la stabilité et la durée de vie de ¹Δ_g
De par sa très haute réactivité et de par le phénomène d"'auto-quenching" par collision, la durée de vie de ¹Δ_g est extrêmement brève et extrêmement dépendante de la nature du milieu où il est dissous (plus de six ordres de magnitude entre les vitesses extrêmes mesurées dans les divers solvants). Rappelons que ce sont les solvants de fréquence vibrationnelle les plus élevées qui permettront la disparition la plus rapide de ¹Δ_g.
Il y a donc compétition entre :
                       - la réactivité chimique de ¹Δ_g, régie par la vitesse de diffusion,
                                                            et
                       - la rapidité de décroissance.
Si la décroissance est ralentie, le rendement des réactions chimiques induites par ¹Δ_g sera évidemment augmenté (effet positif de l'eau deutérée sur les réactions de ¹Δ_g). L'existence de ¹Δ_g au sein des membranes cellulaires, aprotiques, est plus longue qu'en phase aqueuse.
Comme nous l'avons vu plus haut (A.5.1.a.), il existe des tables qui collationnent les durées de vie de l'oxygène singulet dans différents milieux solvants⁵¹.
La durée de vie τ de ¹Δ_g, en présence d'un quencher,  est  mesurable par l'application de l'équation de Stern-Volmer,
   
τ_o étant la durée de vie sans quencheur et C la concentration molaire.

 A.5.2. Propriétés chimiques biologiquement importantes de l'oxygène singulet

Les auteurs s'accordent pour considérer l'oxygène singulet comme un réactif électrophilique puissant, mais régio-et stéréo-spécifique⁴⁷.

    A.5.2.1. Généralités
L'oxygène singulet est capable d'oxyder, sans catalyse, diverses molécules biologiquement importantes. Quatre types de réactions intéressent les biochimistes et biologistes :
   1) les cycloadditions 4+2 (Diels-Alder)
   2) les ène réactions (réactions de Schenck)
   3) les cycloadditions 2 + 2
   4) les cycloadditions 1,4

Les schémas qui suivent sont inspirés par Foote et Clennan⁴⁷.

      A.5.2.1.a. Réactions selon Diels-Alder ou 4+2 cycloadditions
Ces réactions se produisent entre un composé électrophile et des cis-diènes conjugués donneurs d'électrons. Elles ne sont pas concertées : elles s'accomplissent par étapes (diradical, zwitterion, etc)⁵³. L'exemple classique est celui de la réaction de la fig. 20 entre l'éthylène (électrophile) et le butadiène (diène conjugué)⁴⁷.

         Fig. 20 : Exemple de réaction de Diels -Alder : un diène conjugué (butadiène) réagit avec un diénophile (éthylène). 

L'oxygène singulet a une distribution électronique voisine de celle de l'éthylène. Comme cette molécule, c'est un diénophile puissant qui participe aux réactions de Diels-Alder. En effet, ¹Δ_g peut s'écrire O=O, écriture qui met en valeur le déficit d'électrons de sa structure électronique⁵⁴, comme le montre la fig. 21. L'analogie éthylène vs ¹Δ_g  apparaît sur la fig. 22. Mais ¹Δ_g  est encore plus électrophile que l'éthylène⁵⁴.

          Fig. 21 : Manière d'écrire la formule de ¹Δ_g, mettant en évidence le déficit électronique.

       A.5.2.1.b. Réactions du type 2+2 (ou 1,2-cycloadditions)
Elles forment des dioxétanes instables⁵⁵. Ce sont des réactions non concertées (fig. 23 A et B).

Fig. 23A : Réaction 2+2 conduisant aux dioxétanes instables.

Ce type de réactions se produit notamment dans les réactions photochimiques⁵³. Les dioxétanes se décomposent en carbonyls triplets⁵⁶. Plus récemment, Timmins et al (1997) ont montré que la fragmentation de dioxétanes produisait de l'acétone triplet⁵⁷.

Fig. 23B : La décomposition du dioxétane produit 2 molécules d'acétone, dont l'une est triplet (astérisque rouge).

        A.5.2.1.c. Les ènes réactions (type : réaction de Schenk)
La fig. 24 donne le schéma général de ce type de réactions et la fig. 25 en est une application. Ce sont des réactions concertées.

Fig. 24 : Réaction "ène" de l'oxygène singulet avec un mono-ène.

Fig. 25 : L'attaque d'une structure allylique par ¹Δ_g produit un hydroperoxyde allylique sous forme de 2 isomères⁴⁷.

         A.5.2.1.d. Les 1,4-cycloadditions
Elles produisent des endoperoxydes (fig. 26).

    
Fig. 26 : L'oxygène singulet s'insère entre les carbones 1 et 4.

         A.5.2.1.e. Quelques cas particuliers
¹Δ_g réagit avec de nombreuses molécules importantes des cellules : bases nucléiques, lipides non saturés, amino-acides.

L'histidine : elle fut considérée durant les années 70 comme le piègeur spécifique de ¹Δ_g : une réaction d'oxydation inhibée par l'histidine était attribuée à cette forme d'O₂. Mais l'importance biologique de cet acide aminé est un argument pour justifier le concept attribuant des propriétés bio-destructrices à ¹Δ_g. L'attaque de l'histidine se fait via la formation d'un endoperoxyde (1,4-cycloaddition) (fig.27).

Fig. 27 : Réaction de l'histidine avec l'oxygène singulet (Ryang et Foote,1979, réf ??? )

Le tryptophane : cet acide aminé essentiel est attaqué via la formation d'un dioxétane (fig.28)⁵⁸. Il s'agit d'une 1,2-cycloaddition. Andersen et al.⁵⁸ ont montré que le tryptophane quenche la zone rouge du spectre de chimiluminesceence émis par les polynucléaires neutrophiles en phagocytose (B.2.2.3.).

Fig. 28 : Réaction du tryptophane avec l'oxygène singulet⁵⁹.

La guanosine : comme l'adénine, la cytosine, l'uracile et la thymine, cette base nucléique contient des cycles riches en électrons et réagit donc aisément avec le puissant agent électrophile qu'est l'oxygène singulet⁶⁰.
Cette molécule est impliquée, non seulement dans les acides nucléiques, mais dans nombre de réactions métaboliques. C'est la partie guanine de la guanosine qui est attaquée par ¹Δ_g(fig. 29)⁶¹.
Parmi les nucléosides, ¹Δ_g oxyde presqu'exclusivement les dérivés de la guanine⁶², produisant le biomarqueur de stress oxydant, la 8-oxo-7,8-dihydro-2’désoxyguanosine (en abrégé : 8oxodGuo).

 
Fig. 29 : Schéma de l'oxydation de la guanosine par ¹Δ_g, obtenu par excitation de l'oxygène par un photosensibilisant⁶³.

Le cholestérol : le cholestérol réagit avec l'oxygène singulet en formant un endoperoxyde qui se rompt et devient un hydroperoxyde (réaction de 1,4-cycloaddition). D'après Girotti⁶⁴, trois composés sont possibles (fig. 30) :
-  le 5α-OOH-cholestérol, le plus abondant,
-  le 6α-OOH-cholestérol,
-  le 6β-OOH-cholestérol.

 
Fig. 30 : Formation du 3ß-hydroxy-5α-cholest-6-ene-5-hydroperoxide (5α-OOH-cholestérol),
par réaction de ¹Δ_g avec le cholestérol via un stade endoperoxyde instable (selon Girotti, réf. 64).

L'acide ascorbique : la vitamine C est un des premiers quencheurs connus de l'oxygène singulet. De nombreux schémas de réaction sont possibles, comme celui de la fig. 31^65,66.        

Fig. 31 : L'acide ascorbique utilise l'énergie de ¹Δ_g pour se transformer en oxalate,
tandis que l'oxygène retourne à sa forme fondamentale. R : CH₂OH-CHOH-

 A.5.2.2. Lipoperoxydations induites par ¹Δ_g

Rawls et Van Santen⁶⁷ considèraient que l'oxygène singulet est 1500 fois plus efficace que ³O₂ au cours de la peroxydation des acides gras polyinsaturés. A cette époque, divers auteurs suggérèrent l'hypothèse d'un passage nécessaire de ³O₂ par ¹Δ_g au cours des lipoperoxydations⁶⁹.
L'intervention de l'oxygène singulet dans les lipoperoxydations induites par la xanthine-oxydase a été suggérée par Pederson et Aust⁷⁰ qui ont observé une inhibition de celles-ci par le DPBF. 
Nous avons plus haut que les "ene-reactions" génèrent des hydroperoxydes (fig. 24). L'addition de la molécule d'oxygène peut se faire à l'une ou l'autre extrémité d'une double liaison qui prend la configuration trans.

A.6. Piègeage et détection de l'oxygène singulet

Ces questions sont traitées dans la partie B de cette étude (L'Oxygène singulet in vivo), à l'article B.1 : méthodes d'étude.