Elektronen wechseln den Besitzer
Beim Abbau von Glucose werden Elektronen Schritt für Schritt vom Nährstoff auf Sauerstoff übertragen.
- Oxidation: Abgabe von Elektronen — die Oxidationszahl steigt.
- Reduktion: Aufnahme von Elektronen — die Oxidationszahl sinkt.
- Redoxreaktion: Beide laufen immer gekoppelt ab: Der Elektronendonator (Reduktionsmittel) wird oxidiert, der Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) reduziert.
- In der Biologie: Oft werden Wasserstoffatome übertragen: H = e− + H+. Abgabe von H (Dehydrierung) ist eine Oxidation, Aufnahme von H (Hydrierung) eine Reduktion.
- Oxidationszahlen: Kohlenstoff hat in Glucose im Mittel 0, in CO₂ +IV. Sauerstoff hat in O₂ 0, in H₂O −II.
Kohlenstoff: 0 → +IV — Glucose gibt 24 Elektronen ab.
Sauerstoff: 0 → −II — dieselben 24 Elektronen werden aufgenommen.
Teilgleichungen addieren, Elektronen, H+ und 6 H₂O kürzen.
Zellatmung als Redoxreaktion: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O — Glucose wird oxidiert, Sauerstoff wird reduziert.
NAD+ — das Elektronen-Taxi
Die Elektronen aus Glucose wandern nicht direkt zum Sauerstoff, sondern werden von Coenzymen transportiert.
- NAD+: Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid nimmt 2 e− und 2 H+ auf: ein Hydrid-Ion wird gebunden, ein H+ bleibt frei → NADH + H+.
- FAD: Flavin-Adenin-Dinukleotid nimmt 2 e− und 2 H+ auf → FADH₂.
- Coenzyme: Sie binden nur kurz an Dehydrogenasen, werden nicht verbraucht und pendeln im Kreislauf — wie ATP/ADP.
- Reduktionsäquivalente: NADH + H+ und FADH₂ liefern ihre Elektronen in der Atmungskette ab; dabei entsteht wieder NAD+ bzw. FAD.
- Modellversuch: Der Farbstoff Methylenblau ersetzt den Sauerstoff als Elektronenakzeptor: oxidiert blau, reduziert farblos (Leukomethylenblau). Hefe mit Glucose entfärbt ihn unter Luftabschluss; Schütteln mit Luft färbt ihn wieder blau.
Reduktionsäquivalent: NAD+ + 2 e− + 2 H+ ⇌ NADH + H+
Vier Reagenzgläser mit Methylenblau. Wähle für jedes Glas eine Vorhersage (klicken — oder mit Tab, ←→↑↓ und Enter) und löse dann „Prüfen“ aus.
Halte fest: Methylenblau zeigt an, ob Elektronen übertragen werden: Hefeenzyme oxidieren Glucose und reduzieren den Farbstoff (farblos). Sauerstoff oxidiert ihn wieder (blau).
Allgemeine Hinweise
Merkhilfe
„OIL RIG“: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain (of electrons). Die Oxidationszahl steigt bei der Oxidation.
Oxidation ohne Sauerstoff
Oxidieren heißt Elektronen abgeben — nicht unbedingt mit O₂ reagieren. In der Glykolyse wird Glucose oxidiert, Akzeptor ist NAD+.
„NADH + H+“, nicht „NADH₂“
NAD+ bindet nur ein Hydrid-Ion (H−, also 2 e−); das zweite Proton bleibt frei in Lösung.