In diesem Video wird es um Redoxreaktionen gehen. Redoxreaktionen insbesondere für Biologinnen und Biologen, damit ihr im Bio-Unterricht gut... zurechtkommt.
Wenn ihr das genauer wissen wollt, dann könnt ihr euch meine anderen Videos zu Redoxreaktionen anschauen. Das Video wird ein bisschen länger, weil ich hier gleich mehrere Aspekte betrachten werde. Wenn ihr zu einem bestimmten Aspekt euch etwas anhören wollt, dann springt einfach an die entsprechende Stelle. Schauen wir uns einmal an, was sind Redoxreaktionen prinzipiell. Ihr wisst sicherlich, dass man eine Verbrennungsreaktion als Redoxreaktion betrachten kann.
Also eine Oxidation ist eine Verbrennung an der Luft. Und hier wisst ihr sicherlich auch, dass so eine Verbrennung an der Luft eigentlich eine Reaktion mit Sauerstoff ist. Das heißt, eine Oxidation ist eine Reaktion mit Sauerstoff.
Und wenn ein Sauerstoff wieder abgibt bei einer chemischen Reaktion, dann nennen wir das Reduktion. Nun haben Chemiker im Laufe der Zeit festgestellt, dass der Kern dieser Reaktion eigentlich eine Elektronenübertragungsreaktion ist und haben deswegen die Definition ein bisschen erweitert und gesagt, Eine Abgabe von Elektronen ist eine Oxidation und eine Aufnahme. Aufnahme von Elektronen ist eine Reduktion.
Ja, und jetzt geht es los mit der Begriffsverwirrung. Wenn ihr dazu ein bisschen mehr wissen wollt, auch dazu habe ich ein entsprechendes Video gemacht, dass man durch diese Begrifflichkeit durchsteigt. Wenn ihr aber einfach damit leben könnt, dass es diese Definition gibt, dann könnt ihr dieses Video einfach weiterschauen.
Also eine Oxidation ist dann eine Abgabe von Elektronen. Reduktion ist eine Aufnahme von Elektronen. Und man könnte das noch ein bisschen erweitern, um die Oxidation zu sagen.
Das brauchen wir alle. Allerdings hier in diesem konkreten Fall nicht unbedingt. Das macht die Sache ein bisschen leichter. Aber uns soll in diesem Video diese Definition ausreichen. Gucken wir uns mal ein allgemeines Beispiel an.
Stellen wir uns vor, wir haben einen Stoff A+. Und dieser Stoff A+, nimmt ein Elektron auf, wird also reduziert zum Stoff A. Das ist also eine Reduktion, Aufnahme von Elektronen. dann kann dieser Stoff eben zu A reduziert werden oder eben A. kann auch das Elektron wieder abgeben und zu A plus oxidiert werden.
Das heißt, durch die Abgabe von Elektronen wird A wieder zu A plus oxidiert. Gucken wir uns ein bisschen ein konkreteres Beispiel an. Nehmen wir mal Zink. Zink wird oxidiert. Zink gibt also zwei Elektronen ab und wird zu Zink 2 plus Ion.
Das ist eine Oxidation und jetzt könnten diese beiden Elektronen von einem Sauerstoffatom aufgenommen werden. Sauerstoff wird. Fall reduziert, weil es die Elektronen aufnimmt. Und die beiden bilden sozusagen ein Redoxpaar zusammen. Ist das eine Redoxreaktion?
Diese Reaktion kann ich auch umkehren. Ich kann also Zink diese beiden Elektronen wieder aufnehmen lassen und Sauerstoff wieder abgeben lassen. Dann würde jetzt Sauerstoff oxidiert werden und Zink würde reduziert werden. Solche Reaktionen sind immer mit Energieumsatz verbunden.
Das heißt, diese Reaktion würde typischerweise Energie abgeben. Das heißt, Zink und Sauerstoff haben quasi chemische Energie gespeichert, die sie bei der Redoxreaktion abgeben können. Und wenn ich das Ganze umdrehe, dann muss ich die Energie wieder aufwenden.
So etwas kennt ihr aus eurem Alltag, aus Batterien oder aus Akkus. Das heißt, eine Redoxreaktion in diesem Akku würde dazu führen, dass Energie, gespeicherte Energie nach außen abgegeben wird. Und wenn ihr von außen Energie, zum Beispiel in Form von elektrischer Energie wieder zuführt, dann könnt ihr diese Reaktion Redoxreaktion umdrehen und diese Energie ist jetzt wieder gespeichert in der Batterie. Diesen Gedanken, den werden wir dann gleich noch einmal brauchen. Das heißt, jetzt haben wir die Grundlagen des Redoxbegriffs soweit geklärt.
Wir wissen, dass es eine Elektronenübertragungsreaktion ist, dass Redoxreaktionen umgekehrt werden können und dass Redoxreaktionen mit Energieumsatz verbunden sind. Kommen wir nun zu einem anderen Begriff, mit dem ihr es in Bezug auf Redoxreaktionen häufig zu tun habt, dem Redoxpotenzial. Bei der Reaktion zwischen Zink und Sauerstoff konnten wir sagen, in welche Richtung die Elektronen sich bewegen, nämlich vom Zink nach Sauerstoff. Wie können wir das allgemein machen?
Wie können wir eine allgemeine Aussage darüber treffen, in welche Richtung Elektronen sich bewegen? Dazu hilft uns das Redoxpotential. Wir nehmen dann zwei Stoffe und geben die in einer bestimmten Anordnung zusammen und verbinden sie miteinander leitend, sodass sich die Elektronen theoretisch bewegen könnten von dem einen zum anderen Stoff.
und dann messen wir wir die Spannung zwischen diesen beiden Stoffen, diesen sogenannten Halbzellen, in denen sich die Stoffe befinden. Und die Spannung ist jetzt ein Maß dafür, in welche Richtung die Elektro- quasi drücken, wenn man das so sagen möchte. Das heißt, ich könnte jetzt hier zwei Stoffe jeweils in Halbzellen geben und die miteinander leitend verbinden und die Spannung messen.
Und dann könnte ich sagen, in welche Richtung bewegen sich die Elektronen in diesem System. Jetzt hat man sich überlegt, dass es sinnvoll ist, sozusagen ein Bezugssystem zu haben. Das heißt, man möchte sozusagen einen Wert haben, mit dem man das Ganze vergleichen kann.
Und hier hat man sehr willkürlich eigentlich Wasserstoff als Vergleichswert genommen, denn eine Spannung kann... kann ich immer nur zwischen zwei Punkten messen und nicht einen allein. Also eine Halbzelle allein hat erstmal noch keine Spannung. Man nimmt jetzt also diese Wasserstoff-Halbzelle und kann sie gegen eine andere Halbzelle messen. Und das ist sozusagen unser Vergleichswert.
Wasserstoffhalbzelle ist 0 und alle anderen haben dann ein Redoxpotenzial in Bezug auf diese Wasserstoffhalbzelle. Das ist historisch bedingt, warum man die genommen hat, diesen Nullpunkt. Und jetzt kann ich Stoffe damit vergleichen und immer dann, wenn die Spannung positiv ist, dann gehen die Elektronen vom Wasserstoff weg hin zu dem anderen Stoff.
Das heißt, er hat das positivere Redoxpotenzial und je positiver, desto stärker drängen sie zu dem anderen Stoff. und je negativer die gemessene Spannung, desto höher ist das Bestreben, Elektronen an Wasserstoff abzugeben. Und Wasserstoff ist hier halt diese Mitte. Das Redoxpotential ist somit ein Wert, mit dem ich sagen kann, in welche Richtung eine Redoxreaktion abläuft und das positive und negative, also das positive und negative Werte gibt, das hängt mit diesem Messverfahren zusammen.
Gucken wir uns das ein bisschen konkreter an. Ihr kennt bestimmte solche Abbildungen. Jetzt hätten wir hier einen Stoff A, der zu A plus...
oxidiert werden kann. Beispiele kennt ihr wie zum Beispiel NADH oder den primären Akzeptor bei der Photosynthese. Das heißt, A wird jetzt zu A plus oxidiert und gibt dabei einen Elektron ab an einen Stoff B, der damit reduziert wird zu B minus.
B- wiederum kann sein Elektron an einen Stoff C- abgeben und damit wird B- wieder zu B oxidiert und C- wird zu B oxidiert. zu C reduziert und in dieser Reihe von A nach B nach C wird das Redoxpotential immer positiver. Und jetzt könnte ich mir am Ende noch einen Stoff E vorstellen, der wieder reduziert wird zu E- und C dadurch oxidiert wird zu C+. Und so wandern die Elektronen entlang dieser Redoxkette in Richtung des immer positiver werdenden Redoxpotentials.
So könnte ich mir so eine Redoxkette vorstellen. Und da jede einzelne dieser Reaktion immer mit Energieumsatz verbunden ist, könnte jetzt bei jeder einzelnen Reaktion Energie frei werden. Es könnte eine Energieumwandlung stattfinden und diese frei werdende Energie, die könnte zum Beispiel genutzt werden, um einen Protonengradienten aufzubauen, der dann wiederum genutzt wird, um ATP zu produzieren, in der Atmungskette zum Beispiel oder bei der Primärreaktion der Photosynthese. Dann hoffe ich, dass ihr den Begriff des Redoxpotentials und seine Anwendung soweit gecheckt habt. Dann wenden wir uns.
uns jetzt einem anderen wichtigen Redoxpaar zu, dem Aldehyd und der Säure. Ihr habt mit denen zu tun, zum Beispiel bei der Glucolyse oder im Calvin-Zyklus als Phosphoglycerin-Aldehyd oder Phosphoglycerin-Säure. Solche Redoxpaare gibt es aber auch bei der Oxidation von Alkoholen durch Alkohol-Dehydrogenase.
Was passiert dabei? Wir sehen, dass bei der Oxidation ein zusätzliches Sauerstoff hier eingefügt wird und daran erkennen wir unmittelbar, dass dass es sich um eine Oxidation handelt. Es werden aber auch zwei Elektronen frei. Das sehen wir nicht unmittelbar in dieser Reaktion.
Aber wenn ihr euch mit Oxidationszahlen auskennt und die jetzt hier anwenden würdet, dann würdet ihr sehen, dass hier zwei Elektronen frei werden. Und das ist besonders wichtig. Diese beiden Elektronen werden nämlich jetzt von einem weiteren sehr wichtigen Molekül aufgenommen, nämlich dem NAD+. Vielen Dank. Bei dem NAD+, müsst ihr nicht so eine große Sorge haben.
Ihr müsst die Strukturformel auf gar keinen Fall kennen. Interessant sind insbesondere zwei Bereiche in diesem NAD-Molekül oder analog bei der Photosynthese das NADP+. Der eine wichtige Bereich ist hier das Stickstoffatom, das positiv geladen ist. Das ist also eine Ionenverbindung. und die andere wichtige Region seht ihr hier oben, da ist ein Wasserstoffatom.
über eine Elektronenverbindung an diesen Kreis gebunden. Ich sage jetzt mal Kreis. Wenn jetzt dieses NAD plus zwei Elektronen aufnimmt, die dann an Protonen gebunden sind, also im Grunde zwei Wasserstoffatome aufnimmt, dann sehen wir, dass das eine Wasserstoffatom mit dem Elektron hier oben an den Ring auch zusätzlich gebunden wird und das andere Elektron gleicht die positive Ladung des Stickstoffatoms. aus und ein weiteres Wasserstoffproton wird sozusagen dazu geschrieben, um diese positive Ladung in der Gleichung dann auszugleichen und auf diese Weise nimmt jetzt sozusagen NAD plus zwei Wasserstoffatome auf.
und wird damit eben auch reduziert, weil es dabei ja auch zwei Elektronen aufnimmt. Und dieses NAD-Plus ist sozusagen ein Träger für Elektronen. Es kann diese Elektronen durch Reduktion aufnehmen, aber auch genauso wieder durch Oxidation abgeben.
Das kann man sich vorstellen wie so ein Elektronentaxi. Das heißt, es wird reduziert, nimmt Elektronen auf und kann sie an anderer Stelle auch wieder relativ leicht abgeben und wieder neu aufnehmen. Was hier neu ist, ist, dass dass eine Redoxreaktion in der Biologie auch verstanden werden kann als Aufnahme von Wasserstoffatomen, weil dort ja die Elektronen mit gebunden sind und damit ist es eine Reduktion.
In diesem Zusammenhang taucht auch oft der Begriff Reduktionsequivalent auf. Das ist eigentlich ein etwas älterer Begriff, der aber in der Biologie noch benutzt wird. Was ist ein Äquivalent? Das ist sowas wie ein Gegenwert, eine Entsprechung. Wir könnten das so übersetzen, dass NADH...
ist der Gegenwert von einer Portion Reduktionsteilchen. Das klingt ein bisschen ungelenk, etwas besser wäre, dass NADH ist eine Portion eines Stoffes, um einen anderen Stoff zu reduzieren, weil es eben diese Elektronen trägt. Und eine Portion, das verstehen wir in der Biologie genauso wie in der Chemie als einen Mol. Ganz streng genommen sind es zwei Portionen, aber das nehmen die Biologen nicht so eng, weil ja eben zwei Elektronen bzw. zwei Wasserstoffatome gebunden werden.
Okay, ich hoffe, dass diese vier Begriffe jetzt ein bisschen deutlicher geworden sind, dass du das gut verstehen kannst und in deinem Bio-Unterricht anwenden kannst. Und damit sage ich dann wie immer Tschüss.