Liebe Blogleser,
viele mögen sie nicht: die Redoxreaktionen. Doch egal ob Sie Biologie oder Chemie als Abiturprüfungsfach bzw. Leistungskurs gewählt haben, ohne den Austausch von Elektronen geht es in beiden Fächern nicht…Redox, also das gleichzeitige Ablaufen von Oxidation und Reduktion bestimmen Energiegewinnung inner- und außerhalb der Zelle.
Ein wichtiges Abiturthema!

Oxidation – was war das?

In vielen Fällen sind es Begriffe, die uns das Verständnis erleichtern sollen. So ist die Oxidation immer die Abgabe von Elektronen, die Reduktion die Aufnahme derselben. Wie kann man sich dies nun gut merken. Oxidiert wir derjenige Reaktionspartner, welcher Elektronen abgibt.
Mit dem Auge der Chemie betrachtet sind Themen wie

  • Oxidationszahlen
  • Galvanisches Element
  • Redoxpotential
  • Nernstsche Gleichung etc.

wichtig.
Der Biologie kennt Oxidationsvorgänge aus dem zentralen Stoffewechsel, v.a. aber aus der Lichtreaktion der Fotosynthese und der Endoxidation (Zellatmung).

Woher kommt der Begriff Oxidation?

Der Begriff Oxidation (oder auch Oxydation) kommt von der ursprünglichen Defintion dieser Reaktionsart als Reaktion mit Sauerstoff – Oxygenium. Im Laufe der Jahre wurde aber deutlich, dass nicht der Sauerstoff alleine diese Art von Reaktionsverlauf erzeugen kann. Die Reaktion mit Sauerstoff wurde zu „eng“ für die Reaktionsprozesse, die Definition wurde auf Wasserstoff-Atome ausgeweitet. Diese Definition der Redoxreaktionen erklärt alle Vorgänge im Zellstoffwechsel ganz gut. Allerdings deckt auch dies nur ein Teil der Redoxprozesse ab.
Die aktuell gültige Definition beruht auf der Kenntnis des Borschen Atommodells und definiert Redoxreaktionen als Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen.
Nach Wikipedia:

Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt. Die formale Oxidationszahl wird bei dieser Elektronenabgabe erhöht! Ein zweiter Stoff nimmt die Elektronen auf und wird dadurch reduziert. Oxidation und Reduktion sind immer verbunden. Gemeinsam beschreibt man diesen Vorgang von Reduktion und Oxidation als Redoxreaktion.

Redoxreaktionen: die Nummer 1 in der Zelle!

Betrachtet man die Häufigkeit der unterschiedlichen Biochemischen Reaktionstypen in der Zelle, so stellt man fest, dass die Redoxreaktionen bei weitem überwiegen.
Immer wenn sogenannte Redoxäquivalente wie NADH/NADH+H+ und FAD+/FADH2 auftauchen werden Elektronen übergeben. Die beteiligten Enzyme nutzen NADH/NADH+H+ oder FAD+/FADH2 als Elektronendonator oder –akzeptor. Was immer gerade benötigt wird.
 

Pyruvat (Ketongruppe) wird reduziert zu Laktat (Alkoholgruppe).

Pyruvat wird reduziert. Wir betrachten die Ketongruppe! Pyruvat nimmt Elektronen auf (Donor NADH+H+) und wird dadurch zu Laktat. Redoxäquivalent ist NADH+H+/NAD+


Als Beispiel dient NADH+H+ als Elektronendonator bei der Reduktion des Pyruvats zur Milchsäure oder zum Ethanol (alkoholische Gärung).
NAD+ dient als Elektronenakzeptor in der Reaktion von GAP (Glycerinaldehyd-3-Phosphat) zu 1,3-Bisphosphoglyerat. Hier wird das Aldehyd zur Säure oxidiert! Elektronen werden dabei auf NAD+ übertragen.

Warum taucht immer das H+ auf?

In der Stoffwechselphysiologie oder in der Biochemie finden sich nie Elektronen „alleine“ wie Sie dies aus der Chemie gewohnt sind. Hier (Chemie) werden die übertragenen Elektronen als E oder e dargestellt. In der Biologie hingegen tauchen Redoxäquivalente auf.
Am Beispiel des NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid) ist dies in der unten Abbildung nochmals deutlich gemacht:
Statt Elektronen betrachten wir nun ein H2-Molekül. Dies kann in H- und H+ gespalten werden. Das Proton (H+) kennen Sie in der Regel. Das Hydantion (H-) ist im Schulbetrieb weniger gängig. Es stellt die beiden übertragenen Elektronen dar.

Redoxreaktionen im Stoffwechsel

Elektronenaufnahme am Nicotinamidring

Fotosynthese und Zellatmung sind Abiturthema!

In der Endoxidation (Zellatmung) tauchen Kaskaden von Elektronenakzeptoren bzw. –donatoren auf. In der sogenannten Atmungskette werden alle im Prozess des katabolen Stoffwechsels gewonnen NADH+H+– und FADH2-Moleküle  oxidiert. Sie geben dabei 2 Elektronen als auch ein Proton an Akzeptoren in der inneren Mitochondrienmembran ab. So werden die Redoxäquivalente wieder regeneriert und für weitere Oxidationsreaktionen einsetzbar und mit Hilfe des Systems aus Atmungskette und ATP-Synthase kann schlussendlich die universell einsetzbare chemische Form der Energie ATP gewonnen werden.
Gerade die Fotosynthese aber auch die Zellatmung sind Themen, die in allen Bundesländern für die Abiturprüfung relevant sind. Gerade in Niedersachsen gab es kein Prüfungsjahr, in dem Fotosynthese oder Zellatmung nicht in irgendeinem Aspekt (Evolution, Stoffwechselphysiologie, Ökologie) behandelt wurde. Ausnahme-Bundesland in Sachen Stoffwechsel ist übrigens NRW. Hier wird der Stoffwechsel in den Jahrgangsstufen 11 und 12 nicht unterrichtet und ist nicht in den abiturrelevanten Prüfungsthemen vorgesehen.
Abitur-Intensivkurse und -Repetitorien decken diese Fragestellungen komplett ab!

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