Lebt der Samen noch?
AFB I–IISaatgutprüfer müssen schnell wissen, ob Samen noch keimfähig sind. Beim Tetrazolium-Test werden Samen längs halbiert und für zwei Stunden in eine farblose Lösung von Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) gelegt. In lebenden Zellen übertragen Dehydrogenasen Elektronen und Protonen aus Stoffwechselreaktionen über NADH + H+ auf TTC. Dabei entsteht das rote, wasserunlösliche Formazan, das in den Zellen verbleibt. Ein klassischer Keimtest dauert dagegen etwa 14 Tage.
| Samenprobe | Embryonen rot gefärbt in % | Keimrate nach 14 Tagen in % |
|---|---|---|
| frisch geerntet | 96 | 94 |
| 2 Jahre gelagert | 81 | 78 |
| 10 Jahre gelagert | 23 | 20 |
| 10 min in kochendem Wasser | 0 | 0 |
- Nennen Sie die Definitionen von Oxidation und Reduktion.
- Erklären Sie die Rotfärbung lebender Embryonen als Redoxreaktion.
- Werten Sie die Ergebnisse in M1 aus.
- Beurteilen Sie, ob der Tetrazolium-Test den Keimtest ersetzen kann.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Oxidation ist die Abgabe von Elektronen (Oxidationszahl steigt), Reduktion die Aufnahme von Elektronen (Oxidationszahl sinkt). Beide laufen stets gekoppelt als Redoxreaktion ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In lebenden Zellen oxidieren Dehydrogenasen Substrate des Stoffwechsels (z. B. Zwischenprodukte des Glucoseabbaus): Sie spalten Elektronen und Protonen ab und übertragen sie auf NAD+, das zu NADH + H+ reduziert wird. NADH + H+ gibt die Elektronen an TTC weiter und wird wieder zu NAD+ oxidiert. TTC nimmt die Elektronen auf, wird also zum roten Formazan reduziert — es wirkt als künstlicher Elektronenakzeptor. Die Rotfärbung zeigt damit an, dass funktionsfähige Enzyme und Stoffwechsel vorhanden sind.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Mit zunehmender Lagerdauer sinkt der Anteil rot gefärbter Embryonen (96 → 81 → 23 %), ebenso die Keimrate (94 → 78 → 20 %). Gekochte Samen färben sich nicht und keimen nicht: Die Enzyme sind denaturiert, es findet kein Stoffwechsel statt. Beide Messgrößen stimmen gut überein; der Tetrazolium-Wert liegt stets 2–3 Prozentpunkte über der Keimrate. Offenbar zeigen einige Samen noch Enzymaktivität, keimen aber nicht mehr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für den Test spricht: Er liefert in wenigen Stunden ein Ergebnis, das nach M1 gut mit der Keimrate übereinstimmt, und erkennt tote Samen sicher. Dagegen spricht: Er weist nur Dehydrogenase-Aktivität nach, nicht die Keimung selbst. Geschädigte Samen mit Restaktivität werden als lebend gewertet (leichte Überschätzung in M1); die Bewertung von Teilfärbungen ist subjektiv. Fazit: Als schneller Vortest ist er gut geeignet; für verbindliche Angaben, z. B. auf Saatgutpackungen, sollte ergänzend ein Keimtest durchgeführt werden.
Elektronen auf der Treppe
AFB II–IIIIn der Atmungskette werden die Elektronen von NADH + H+ nicht direkt auf Sauerstoff übertragen, sondern über mehrere Redoxsysteme in der inneren Mitochondrienmembran weitergereicht. Je negativer das Standardpotenzial E°′ eines Redoxsystems ist, desto leichter gibt seine reduzierte Form Elektronen ab. Im Reagenzglas reagieren Wasserstoff und Sauerstoff dagegen in einem einzigen Schritt explosionsartig (Knallgasreaktion).
| Redoxsystem | E°′ in V |
|---|---|
| NAD⁺ / NADH + H⁺ | −0,32 |
| Ubichinon / Ubichinol | +0,05 |
| Cytochrom c (Fe³⁺ / Fe²⁺) | +0,25 |
| ½ O₂ / H₂O | +0,82 |
- Stellen Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung für die Oxidation von NADH + H+ durch Sauerstoff auf.
- Begründen Sie mithilfe von M2 die Reihenfolge, in der die Elektronen die Redoxsysteme durchlaufen.
- Berechnen Sie mit M2 die freie Enthalpie \(\Delta G^{\circ\prime}\) für die Oxidation von 1 mol NADH durch Sauerstoff (\(\Delta G = -z \cdot F \cdot \Delta E\), \(F = 96\,485\,\mathrm{C\,mol^{-1}}\)) und den Anteil davon, der mit ≈ 2,5 ATP je NADH festgelegt wird.
- Diskutieren Sie, welche Vorteile die schrittweise Elektronenübertragung gegenüber einer direkten Reaktion mit Sauerstoff hat.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Oxidation: NADH → NAD+ + H+ + 2 e−. Reduktion: ½ O₂ + 2 H+ + 2 e− → H₂O. Gesamt: NADH + H+ + ½ O₂ → NAD+ + H₂O.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Elektronen gehen freiwillig vom Redoxsystem mit dem negativeren zum System mit dem positiveren Standardpotenzial über; jeder Schritt ist exergonisch. Nach M2 ergibt sich die Reihenfolge NAD+/NADH (−0,32 V) → Ubichinon (+0,05 V) → Cytochrom c (+0,25 V) → O₂/H₂O (+0,82 V). Sauerstoff mit dem positivsten Potenzial ist der Endakzeptor. Eine umgekehrte Reihenfolge wäre endergonisch und liefe nicht ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta E = +0{,}82\,\mathrm{V} - (-0{,}32\,\mathrm{V}) = 1{,}14\,\mathrm{V}\); \(\Delta G^{\circ\prime} = -2 \cdot 96\,485\,\mathrm{C\,mol^{-1}} \cdot 1{,}14\,\mathrm{V} \approx -220\,000\,\mathrm{J\,mol^{-1}} = -220\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). In ATP festgelegt: \(2{,}5 \cdot 30{,}5 = 76{,}25\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), Anteil \(76{,}25 : 220 \approx 0{,}35 = 35\,\%\). Der Rest wird als Wärme frei.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bei direkter Reaktion würde die gesamte Energie auf einmal frei — wie bei der Knallgasreaktion fast vollständig als Wärme, die Zellstrukturen schädigen könnte und nicht nutzbar wäre. Die schrittweise Übertragung teilt die Energiedifferenz in kleinere Portionen; an mehreren Stellen wird sie zum Pumpen von Protonen genutzt, deren Gradient die ATP-Synthese antreibt. Nachteilig sind der hohe Aufwand an Proteinen und Membranfläche sowie Nebenreaktionen, bei denen reaktive Sauerstoffspezies entstehen können. Insgesamt überwiegen die Vorteile: Nur die kontrollierte, schrittweise Oxidation erlaubt einen Wirkungsgrad von rund einem Drittel statt nahezu reiner Wärmeabgabe.