가. 활성산소의 개념
활성산소(Free radical : 유해산소)란 최외곽의 전자궤도에 한개 또는 그 이상의 짝을 이루지 못한 전자(부대전자 : unpaired electron)를 가진 원자 또는 분자를 말하며, 독립적으로 존재할 수 있는 화학물질로써, 여기서 부대전자란 하나의 원자궤도 또는 분자궤도에 단 하나의 전자가 점유 하는 것을 말한다. 또한, 프리라디칼과 이 들로 인하여 파생된 산소화합물을 포함하여 이르는 말로 이 모두를 통칭하여 활성산소 종(Reactive Oxygen Species)라고 하며, ROS는 전자의 짝을 구성하기 위하여 주위로부터 전자를 뺏어 오려는 성질이 강하여 불안정하며 높은 반응성을 가지고 있다.
Free radical의 형성은 라디칼을 갖고 있지 않은 물질이
전자를 잃어버림으로써 형성 되기도 하고(X → e + X +),
전자를 얻음으로써 발생 되기도 한다(Y + e → Y ).

(1) 활성산소의 전자 궤도
활성산소는 그림. 1에서 보듯이 우리가 숨을 쉬는데 필요한 3중항산소는 부대전자를 2개를 가지고 있으며, 스핀은 서로 반대방향(↑↓)으로 되어야 높은 활성을 가질 수 있으나, 3중항산소는 같은 방향의 스핀(↑) (↑)을 가지고 있어 반응성이 아주 낮다(Halliwell 등, 1999).
3중항산소는 πx 및 πy 궤도에 각각 2개의 전자가 다른 방향으로 들어가 있고, πx* 및 πy* 궤도에 최외각의 전자가 평행 형태로 존재하기 때문에 안정화되어 있고 에너지가 낮다. 부대전자를 가지는 산소는 상자성을 가지며, 짝을 이루고 있는 전자는 역평행의 전자상을 하고 있기 때문에 자성을 가지지 않는다. 스핀의 역전의 필요성은 산소의 반응 장벽으로 존재한다. 이러한 산소의 반응 장벽은 스핀제한(spin restriction)이며, 산소의 비반응성을 설명하기 좋다. 이 스핀 제한의 유효성은 기저상태의 산소와 활성화된 일중항산소와 비교함으로써 얻어지는데, 일중항 산소는 기저상태의 산소가 스핀 역전을 일으킨 결과이기 때문에 상자성이 없다.
산소의 경우에는 2개의 부대전자가 같은 방향으로 있을 경우에 스핀양자수는 1/2과 1/2로써 1.0이 된다. 이처럼 스핀양자수가 “0”일 경우 1중항, “1/2”일 경우 2중항, “1”일 경우에는 3중항으로 부른다. 보통의 분자는 1 중항이며, 프리라디칼은 2 중항, 평행 형태의 프리라디칼의 산소는 기저상태로 삼중항 상태라고 한다. 일중항산소는 O2(Δg)형과 O2(Σg)로 나눌 수 있으며, 각각 22.4Kcal 및 37.7Kcal의 여기(勵起) 에너지를 가지고 있다. 이 에너지들은 광감작(光感作)반응이나 염료(acridine orange, methylene blue, rose bengal, toluidine blue)으로 반응시켜면 여기상태가 된다. 에너지가 높아지면, π* 2p에 있던 (↑)(↑)형태의 spin이 ( ) ( )의 형태로 되어 spin양자수가 “0”가 되어 1중항 상태로 된다(22.4Kcal). 또한 (↑)(↓)형태로의 1중항 상태(스핀양자수 0)로 될 수 있으나, 이렇게 되려면 아주 높은 에너지(37.7Kcal)를 요구하기 때문에 생체 중에는 거의 생성되지 않는다. 생체에서는 한 궤도에 2개의 전자가 동거하는 O2(Δg)형이 활동한다. O2(Σg)형의 일중항산소는 물 속에서 생존기간이 아주 짧으며, O2(Δg)형의 일중항산소는 오랜 기간 존재한다. 여기 에너지는 주위의 산소분자로 전해지고, 이 산소는 일중항산소로 변하며 광감작(phosensitizer)분자는 기저 상태로 돌아간다.

일중항산소는 20℃에서 histidine과 6x107/m/sec로 반응하지만, 기저상태의 산소는 이 온도에서는 전혀 반응하지 않는다. 일중항산소의 형태는 스핀 제한과는 무관함으로써 기저상태의 산소보다는 아주 반응을 잘한다. 만약에, 공기 중의 산소가 O2(Δg)형처럼 반응을 잘하면, 사실, 어떤 유기물질의 축적과는 전혀 다르겠지만, 우리의 생명은 유지하기 힘들 것이다. 스핀제한은 기저상태의 산소와 O2(Δg) 일중항 산소의 반응성의 차이를 잘 설명할 수 있다.

나. 활성산소의 생성
(1) 균등 개열(homolytic fission)(Halliwell, 2006)
1개 이상의 부대전자의 존재는 이 물질이 자장에 이끌리는 성질(상자성)을 가지고 있으며, 또한 자주 활성화되며, 보유하고 있는 1개의 전자가 각각의 원자에 나누어져 균등개열(homolytic fission)로 공유결합이 절단되는 경우에 프리라디칼이 생성되기 쉽다. 공유결합의 해리에 필요한 에너지는 열, 전자파 조사, 그 외 다른 방법을 들 수 있다. 특히, 많은 공유결합은 고온에서 해리되며, C C, C H, C O의 결합은 450 600℃정도의 고온에서 해리된다.
A와 B를 공유결합에서 결합하고 있는 2개의 원자라고하면 ( 는 전자쌍를 표시), 균등개열은 다음과 같이 표시 될 수 있다.

A ː B → Ax + Bx

Ax는 일반적으로 A 로 표시하며, A 라디칼, Bx는 B 라디칼(B )로 나타낸다. 물 분자의 공유결합의 균등개열은 수소라디칼(H )과 하이드록시라디칼(HO : 은 산소의 부대전자를 나타냄 )로 생성되어 진다.

H － OH → H + OH

(2) 불균등 개열(heterolytic fission)
또한, 균등 개열(homolytic fission)과는 다른 개열로써 공유결합이 절단되는 경우에는 하나의 원자가 두 전자를 모두를 받아들여 불균등 개열(heterolytic fission)을 일으킨다.

과잉의 전자로 인하여 A는 ( ) 전하를 띠고, B는 (+) 전하를 갖게 된다. 물 분자가 불균등 개열을 일으키면
H － OH → H+ + OH

수소 이온(H+)과 수산화물 이온 (OH )가 생성되며, 일반적으로 25℃, 1L 당 H+와 ·OH 는 약 10 7mole 함유하고 있다.
물은 짝을 지은 전자, 혹은, 전자가 전혀 없는 H+ 이온으로 나누어지거나, 부대전자를 가지는 라디칼로 나누어 질 수 있다.

(3) 산소와 그 유도체
천연에 존재하는 산소분자는 라디칼이 될 자격을 가지고 있으며, 산소분자는 각각 다른 π*의 반결합성궤도(anti bonding orbital)에 있는 2개의 부대전자를 갖는다. 이 2개의 전자는 같은 방향의 전자스핀(평행 스핀)을 갖고 있어 산소가 제일 안정된 상태, 즉 기저상태를 나타낸다.
여기서 산화 및 환원의 의미를 정리해 보자.
산화는 산소와 결합하거나, 원자 또는 분자로부터 전자를 잃어버리는 것을 말하며, 예를 들면 : ① C + O2 → CO2(탄소가 산화되어 이산화탄소가 되는 과정), ② Na → Na+ + e ,(Na 원자가 산화되어 Na 이온으로 되는 과정), ③ O2 → O2 +e (슈퍼옥시라디칼이 산화되어 산소로 되는 과정)을 들 수 있으며, 환원은 산소를 잃어버리거나, 수소와 결합하거나, 원자 또는 분자에 의한 전자의 획득을 말하며, 예를들면 : ① CO2 + C → 2CO(CO2가 환원되어 CO가 되며, C는 산화되어 CO로 는 과정), ② C + 2H2 → CH4(탄소가 환원되어 메탄으로 되는 과정), ③ Cl +e → Cl (Cl이 전자를 받아들여서 Cl 이온으로 되는 과정), ④ O2 +e → O2 (산소가 환원되어 슈퍼옥사이드라디칼(O2 )이 되는 과정)을 들 수 있다.
산소가 다른 원자 또는 분자로 부터 1쌍의 전자를 받아들여 그것을 산화시키려는 경우에는 이 전자들이 산소의 π* 궤도의 공석에 들어가기 때문에, 2개의 전자는 상호 역방향으로 들어가야만 한다(spin forbidden). 1개의 전자가 기저 상태의 산소분자에 부가되면 π*의 반결합성궤도에 들어가게 되고, 이를 슈퍼옥사이드라디칼(superoxide radical: O2 )이라한다. 1개의 부대전자를 가진 슈퍼옥사이드는 실제로 라디칼로서의 성질은 산소 바로 그것보다 약하다. 또한 1개의 전자가 더 부가되면 라디칼은 퍼옥사이드 이온(peroxide ion: O22 )을 생성한다. (O2 )와 (O22 )는 과잉의 전자가 반결합성궤도(anti bonding orbital)에 들어있기 때문에 산소 산소결합의 강도는 감소된다. 기저상태의 산소(O2)에서는 산소원자는 2개의 공유결합에 의하여 효과적으로 결합되어 있으나, (O2 )는 1.5결합(반결합성궤도에 1개의 과잉 전자가 있음) 이며, 그리고 (O22 )는 1개의 결합이 있을 뿐이다. 따라서, (O22 )의 산소 산소결합은 대단히 약하게 되고, H2O2는 용이하게 균등 분해되어 하이드록실라디칼(OH )을 형성한다.
(O22 )에 2개의 전자가 더 부가되면, 이 전자들은 σ* 2p 궤도에 들어가게 되어, 결합을 완전히 없애기 때문에 산소 산소결합은 전혀 이루어지지 않고 2개의 (O2 ) 물질이 생성된다. 생물계에서는 산소의 2전자 환원 산물은 과산화수소로 되고, 4전자환원 물질은 물이 된다.

또한, 3중항 산소가 외부로부터 에너지를 받으면 π* 궤도의 스핀이 방향을 바꾸어 전자를 받아 들일 수 있는 반응성이 높은 여기 상태의 산소가 생성되는데, 이를 일중항산소(singlet oxygen(1O2))라 하며, 1Δg 또는 1Σg으로 나타내며 독성이 강한 ROS에 속한다.
1Σg는 용액 중에서 수명이 아주 짧고, 1Δg에 의하여 즉시 실활되기 때문에 통상 반응에 관여하는 것은 1Δg이다. 모든 분자가 라디칼을 형성 할 수 있지만, 특히 산소 라디칼이 문제시되는 것은 호기성 생명체에서 산소의 이용은 필수불가결한 것이며, 세포내 전자전달계로부터 이탈된 전자가 산소에 전달되어 산소라디칼이 생성되기 때문이다.
이와 같은 활성산소들이 생체내에서 생성된다는 사실은 HO 를 측정하므로써 1954년 Conmoner에 의하여 최초로 보고되었다. 또한, 1969년 Fridovich에 의하여 체내에 효소 superoxide dismutase (SOD)가 발견되었는데, O2 를 제거하는 이 효소의 발견은 체내에서 O2 가 생성됨을 직접적으로 보여주는 확실한 증거라 하겠다.
그 후, 많은 연구들에 의하여 정상과정에서 뿐만 아니라, 염증 등의 병적 상태에서도 활성산소가 생성됨이 밝혀졌으며, 또한 여러 가지 항산화 효소와 항산화 인자들이 발견되어 생체 내에는 복잡한 항산화체계가 발달되어 있음이 밝혀졌다.