Redoxreaktionen und Elektronenüberträger

Oxidation und Reduktion

Eine Redoxreaktion ist eine Reaktion, bei der Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übertragen werden. Dabei laufen immer zwei Vorgänge gleichzeitig ab.

Elektronen können nicht frei in der Lösung bleiben. Gibt ein Stoff Elektronen ab, muss ein anderer sie aufnehmen. Deshalb sind Oxidation und Reduktion immer gekoppelt: Es gibt keine Oxidation ohne Reduktion.

• Der Stoff, der Elektronen abgibt, wird oxidiert. Er wirkt als Reduktionsmittel, denn er reduziert den Partner.

• Der Stoff, der Elektronen aufnimmt, wird reduziert. Er wirkt als Oxidationsmittel.

In der Biologie werden Elektronen oft zusammen mit Wasserstoff übertragen (Elektron + Proton). Deshalb gilt als Faustregel für organische Stoffe: Aufnahme von Wasserstoff = Reduktion, Abgabe von Wasserstoff = Oxidation. Auch Sauerstoffaufnahme bedeutet meist Oxidation. Die Energie, die bei Redoxreaktionen im Abbau frei wird, speichert die Zelle im ATP-ADP-System: Bei der Spaltung ATP + H₂O → ADP + P_i wird Energie frei, die Bildung von ATP aus ADP + P_i benötigt dagegen Energie. Der Abbau (Katabolismus) setzt Energie frei und bildet ATP, der Aufbau (Anabolismus) verbraucht ATP.

Beispiel: Zellatmung als Redoxreaktion

Die vereinfachte Gleichung lautet $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$.

Elektronenüberträger: NAD⁺ und NADP⁺

Die Elektronen der Glucose gehen in der Zelle nicht direkt auf Sauerstoff über. Zwischen Glucose und Sauerstoff arbeiten Elektronenüberträger (Coenzyme), die Elektronen aufnehmen, transportieren und wieder abgeben.

• NAD⁺/NADH wirkt vor allem im Abbau (Katabolismus), z. B. in Glykolyse und Zellatmung. Es sammelt Elektronen aus der Glucose.

• NADP⁺/NADPH wirkt vor allem im Aufbau (Anabolismus), z. B. in der Fotosynthese. NADPH liefert Elektronen zur Reduktion von $\text{CO}_2$.

Die Coenzyme werden nicht verbraucht, sondern ständig zwischen beiden Formen hin- und hergeschaltet, wie ein Pendelbus für Elektronen.

Beispiel: Milchsäuregärung

Bei Sauerstoffmangel, etwa im Muskel beim Sprint, läuft die Glykolyse weiter. Sie braucht aber ständig NAD⁺ als Oxidationsmittel. Ist es aufgebraucht, stoppt sie, denn ohne NAD⁺ kann die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat nicht weiterlaufen.

Fotosynthese: NADP⁺ als Überträger

In der Lichtreaktion stammen die Elektronen aus dem Wasser, das gespalten wird (dabei entsteht $\text{O}_2$). Mit Lichtenergie gelangen sie auf NADP⁺, das zu NADPH + H⁺ reduziert wird. In der Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) gibt NADPH die Elektronen ab und reduziert $\text{CO}_2$ zu Kohlenhydraten. NADPH ist damit ein Reduktionsmittel des Aufbaus, NADH eines des Abbaus.

Die Atmungskette

NADH liefert seine Elektronen an die Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran. Sie besteht aus mehreren Proteinkomplexen und Überträgern. Die Elektronen werden von Komplex zu Komplex weitergegeben, jeder Partner hat ein höheres (positiveres) Redoxpotenzial, zieht die Elektronen also stärker an. Am Ende steht Sauerstoff als letzter Elektronenakzeptor: Er nimmt Elektronen und Protonen auf und wird zu Wasser reduziert.

Der Vorteil der Stufen: Würde die gesamte Energie in einem Schritt frei, ginge sie fast vollständig als Wärme verloren. In kleinen Portionen kann ein Teil in ATP gespeichert werden.

Experiment: Hemmstoffe in Mitochondrien

Eine Hemmung wird durch Messung der Sauerstoffaufnahme isolierter Mitochondrien untersucht. Succinat gibt seine Elektronen an Komplex II ab, der sie hinter Komplex I in die Kette einspeist. Ein Hemmstoff von Komplex I (z. B. Rotenon) blockiert daher nur den Weg über NADH: NADH wird nicht mehr zu NAD⁺ oxidiert, die Elektronen des NADH erreichen den Sauerstoff nicht mehr, der Sauerstoffverbrauch sinkt bei NADH-Substrat auf nahezu null. Mit Succinat bleibt der Sauerstoffverbrauch daher auch nach Rotenon-Zugabe erhalten. Da bei Succinat Komplex I nicht beteiligt ist, werden insgesamt weniger Protonen gepumpt als bei NADH, die ATP-Ausbeute pro Substrat ist geringer.

Zellatmung und Fotosynthese im Vergleich

Beide Prozesse sind Redoxprozesse, sie verlaufen aber gegenläufig.

Im Wattenmeer bilden Kieselalgen und Seegras durch Fotosynthese energiereiche organische Stoffe und Sauerstoff. Wattwürmer, Muscheln und Möwen oxidieren diese Stoffe in der Zellatmung und setzen $\text{CO}_2$ und Wasser frei. So hängen Stoff- und Energiefluss zusammen: Die Stoffe kreisen, die Energie wird dagegen als Licht aufgenommen und als Wärme abgegeben.

Zurück zum Anfang: Ben kann Glucose bei 37 °C nutzen, weil die Elektronen über NAD⁺/NADH und die Atmungskette stufenweise zum Sauerstoff geführt werden und dabei ATP entsteht, statt die Energie auf einmal als Wärme freizusetzen.

Auf einen Blick

• Oxidation = Elektronenabgabe, Reduktion = Elektronenaufnahme. Beide sind immer gekoppelt (Redoxreaktion).

• Das Reduktionsmittel wird oxidiert, das Oxidationsmittel wird reduziert.

• NAD⁺/NADH überträgt Elektronen im Abbau, NADP⁺/NADPH im Aufbau (Fotosynthese).

• In der Atmungskette fließen Elektronen über Komplexe mit steigendem Redoxpotenzial zum Sauerstoff. Die schrittweise frei werdende Energie baut einen Protonengradienten auf, die ATP-Synthase bildet ATP.

• Zellatmung (Oxidation, katabol) und Fotosynthese (Reduktion, anabol) sind gegenläufige Redoxprozesse.