Redoxprozesse

1. Knallgasexplosion und Atmungskette - eine biologische Betrachtung von Redoxreaktionen: Warum ist Sauerstoff für uns lebensnotwendig ? Die Knallgasexplosion als Grundreaktion der wesentlichen energie­liefernden Reaktion in der aeroben Zelle NADH als molekulare „Speicherform“ für Wasserstoff Die Atmungskette als „schonende Variante“ der Knallgas- explosion Die Speicherung der gewonnenen Energie in Form von ATP Redoxprozesse Prof. SUSSITZ

2. Redoxreaktionen Ein Gemisch aus Wasserstoffgas und Sauerstoffgas ist bei Raumtemperatur stabil: Obwohl: - die Reaktion stark exergonisch bei Raumtemperatur ist, das heißt, die Reaktion kann spontan ablaufen. Der Grund liegt in der hohen Aktivierungsenergie dieser Reaktion: Sie führt dazu, dass die Reaktiongeschwindigkeit bei Raum- temperatur praktisch null ist. Eine Reaktion, welche thermodynamisch spontan abläuft, aber auf Grund der Aktivierungsenergie verhindert wird, nennt man meta-stabil ! Prof. SUSSITZ

3. Redoxreaktionen Es genügt aber ein Funke, und das Gemisch explodiert, wobei unter heftigster Wärmeentwicklung Wasser entsteht ("Knallgasexplosion"). Die zugrundeliegenden Halbreaktionen sind: Die Normalpotentialdifferenz - und sozusagen die Triebkraft für die Reaktion - ist gegeben durch Prof. SUSSITZ

4. Knallgasreaktion • Die freie Standardenthalpieänderung ist sehr hoch, nämlich: DG= - z . DE . F ( z = 2; F = 96500 C) • Die bei der Reaktion freiwerdende Reaktions-Enthalpie ist stark negativ. • Sie besitzt daher eine große Triebkraft. • Dies ist der Grund, dass das Gemisch so explosiv reagieren kann. Prof. SUSSITZ

5. Knallgasreaktion • In lebenden Zellen dient ebenfalls Sauerstoff zur Oxidation (Verbrennung) der Nährstoffe; sein hohes Oxidationspotential liefert die Triebkraft dazu und bietet so die Grundlage für alle Lebensvorgänge, die Energie erfordern. • Natürlich können in lebenden Zellen keine Knallgasexplosionen ablaufen. • Die biochemische Maschinerie gewährleistet in der Zelle eine schrittweise Übertragung der Elektronen auf den Sauerstoff. Prof. SUSSITZ

6. Knallgasreaktion • Wasserstoff, das eigentliche Reduktionsmittel in dieser Reaktion, liegt in der Zelle nicht in freiem gasförmigen Zustand vor, sondern in chemisch gebundener Form vor : Wasserstoff wird an ein Coenzym, das sogenannte Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD+) gebunden. • NAD+: oxidierte Form • NADH + H+: reduzierte Form Prof. SUSSITZ

7. Knallgasreaktion: CoEnzym NADH • Der wichtigste Teil dieses komplexen Moleküls ist der Nicotinsäure­Teil (korrekt: die Nicotinamid-Gruppe). • Dieser Molekülteil kann in der hier dargestellten oxidierten Form (NAD+) Wasserstoff aufnehmen • Die entstehende reduzierte Form des Coenzyms, NADH, ist der „Wasserstoff-Speicher“. Prof. SUSSITZ

8. Knallgasreaktion: Coenzym NADH Diese Reaktion von NAD+ zu NADH ist sehr leicht reversibel (umkehrbar) ! Daher eignet sich dieses Molekül ausgezeichnet als Überträgersubstanz von Elektronen von leicht oxidierbaren (= stark reduzierenden) Verbindungen auf stärkere Oxidationsmittel Die Reduktion des Nicotinamid-Teils des Coenzyms stellt eine Vereinfachung dar: Die Wasserstoffatome werden dem Substrat bei der biologischen Oxidation paarweise entzogen, also jeweils bei jedem Schritt 2 H+ + 2 e-. Prof. SUSSITZ

9. Aufbau chemisch gespeicherter Energie in der "Atmungskette" Prof. SUSSITZ

10. Knallgasreaktion in der Zelle • Die Energie wird in den Mitochondrien der Zelle nicht in einem Schritt frei, wie in der Knallgasreaktion vorhin beschrieben • Die Zelle führt die Oxidation in mehreren Einzel-schritten durch: • Die Elektronen werden kaskadenartig auf biologische Redoxsysteme übertragen • Diese Redoxsysteme in der inneren Mitochondrien-membran besitzen ein zunehmend positiveres Normalpotential • Schließlich wird der Sauerstoff selbst vom letzten Redoxsystem zu Wasser reduziert wird. Prof. SUSSITZ

11. Redoxpaare und Redoxpotential in der Atmungskette • Die folgende Abbildung zeigt die Erzeugung von Energie in der Atmungskette: • Ähnlich wie fallendes Wasser Turbinen antreibt und über einen Generator Energie in Form von Strom produziert, fallen die Elektronen von einem hohen Energieniveau (= negatives Potential) in Richtung eines tieferen Energieniveaus (= positives Potential). • In der Dissimilationskette der Nährstoffsubstrate werden Elektronen von einem Redoxpaar (= Paar aus reduzierter und oxidierter Form einer Substanz) zum nächsten übertragen, also von H2/2 H+ zu O2-/ ½ O2. Prof. SUSSITZ

12. Aufbau chemisch gespeicherter Energie in der "Atmungskette" Prof. SUSSITZ

13. Redoxpaare und Redoxpotential in der Atmungskette • Diese Elektronenübertragungen sind in der Richtung vom Redoxsystem H2/2 H+ zum Redoxsystem O2-/ ½ O2exergon . • Das Redoxsystem H2/2 H+ übt also in Richtung des Redoxsystems zu O2-/ ½ O2 einen “Elektronendruck“ aus (= Reduktionsmittel) • Das Redoxsystem O2-/ ½ O2 übt seinerseits auf das Redoxsystem H2/2 H+ einen “Elektronensog“ aus(= Oxidationsmittel). Prof. SUSSITZ

14. Redoxpaare in der Atmungskette • Ein Redoxsystem mit Elektronendruck hat die Tendenz Elektronen abzugeben und daher in eine höhere Oxidationsstufe überzugehen: • also H2 2 H+ + 2e- • Ein Redoxsystem mit Elektronensog hat die Tendenz Elektronen aufzunehmen und daher in eine tiefere Oxidationsstufe überzugehen: • also ½ O2 + 2e- O2- Prof. SUSSITZ

15. Redoxpotential in der Atmungskette • “Elektronendruck“ und “Elektronensog“ stellen physikalisch Größen dar, die als sogenanntes Redox-potential(Volt)gemessen werdenkönnen. • Dabei stellt wegen des negativen Ladungs-vorzeichens der Elektronen negatives Redoxpotential den Elektronendruck und positives Redoxpotential den Elektronensog dar. Prof. SUSSITZ

16. Redoxpotential in der Atmungskette • Das tatsächlich vorliegende Redoxpotential ist allerdings nicht nur abhängig von der Art des Redoxpaares, sondern zusätzlich abhängig • von der Konzentration der beteiligten Substanzen • vom pH-Wert • sowie von der Temperatur Prof. SUSSITZ

17. Speicherung der Nutzenergie in phosphorylierten Verbindungen • Die Einzelschritte liefern die Energie in einem Ausmaß, welches die Zelle nützen kann: Sie erzeugt damit eine chemische Speicherform von Energie, nämlich Adeno-sin-tri-phosphat: Prof. SUSSITZ

18. Speicherung der Nutzenergie in phosphorylierten Verbindungen z.B. ATP • Die aus der Atmungskette freigesetzte Energie wird zur ATP-Bildung verwendet. • Zur Bildung von 1 Mol ATP wird aber unter Standard-bedingungen nur ein Energiebetrag von etwa 30 kJ/Mol benötigt. • Daher ginge bei der direkten Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff der allergrößte Teil der freigesetzten Energie verloren. Prof. SUSSITZ

19. ATP-Bildung • Ökonomischerweise wird daher die Energiefrei-setzung der Knallgasreaktion in der Zelle in kleineren Stufen durchgeführt, wobei auf jeder dieser kleineren, aber hinreichend großen Stufen ATP gebildet wird. • Dieses Molekül kann bei Bedarf gespalten werden, wobei die in den energiereichen Bindungen des Moleküls gespeicherte chemische Energie frei wird und von der Zelle je nach ihrer spezifischen Aufgabe genutzt werden kann, etwa für Muskelarbeit. Prof. SUSSITZ

20. Glieder der Atmungskette • Die Atmungskette ist eine Redoxkette, die im Verlauf der Atmung die Elektronen schrittweise zum Sauerstoff überträgt. • Die einzelnen Redoxsysteme der Atmungskette übernehmen intermediär die Elektronen und leiten sie zum jeweils nächsten weiter. • Die „Glieder“ der Atmungskette sind die sogenannten Oxidoreduktasen. Diese bestehen aus Proteinen und Coenzymen, Dehydrogenasen, Flavoproteide, Coenzym Q, Cytochrome und einige Metallproteide. Prof. SUSSITZ

21. Glieder der Atmungskette • Dehydrogenasen haben die Funktion, das Substrat durch Dehydrogenierung, also durch Wasserstoff-entzug, zu oxidieren. • Das zugehörige Coenzym ist NAD+. NAD+ überträgt zwei Elektronen und ein Proton; das zweite Proton wird nicht mitübernommen: • NAD+ + 2 H+ + 2 e- NADH + H+ • NADH dient danach dem nächsten Glied der Atmungskette, einem Flavoproteid, als Substrat. Prof. SUSSITZ

22. Glieder der Atmungskette • Von den Dehydrogenasen und Flavoproteiden am Anfang der Atmungskette werden auch die beiden Protonen übertragen, die sich letztlich mit dem negativ geladenen Sauerstoff zu Wasser vereinigen. • Da Wasserstoff in der Zelle nicht frei vorkommt, läuft also in der Zelle insgesamt folgende Redoxreaktion ab: • NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O • Die Potentialdifferenz, die die Elektronen dabei durchlaufen, beträgt 1.14 V. • Pro Mol NADH werden 3 Mol ATP gebildet: ADP + Pi + H+ ATP + H2O. Prof. SUSSITZ

23. Pathophysiologie • Die Elektronenübergänge von NADH auf FAD und Ubichinon sind 2-Elektronenübergänge. • Die Elektronenübergänge von Ubichinol auf die Zytochrome und von den Zytochromen auf O2 erfolgen jedoch in 1-Elektronen-schritten. • Vorzeitige Aufnahme von 1 Elektron durch O2 führt zur Bildung des sogenannten Superoxidradikals (O2-). Prof. SUSSITZ

24. Pathophysiologie • Auch wenn antioxidative Enzyme (z.B. die sog. Superoxid-dismutase) diese Radikale entfernen, treten bei Übersättigung dieser Enzyme Zellschädigungen durch freie Radikale (reaktive Sauerstoff-spezies) auf. • Diese Zellschädigungen äußern sich in degenerativen Erkrankungen wie Atherosklerose, Krebs, Alzheimer, Diabetes mellitus u.s.w. Prof. SUSSITZ