Oxidation

Die Oxidation ist der Prozess bei dem ein Molekül ein Elektron abgibt. Sie ist im Alltag an vielen Stellen zu beobachten. Verrostet beispielsweise eine Eisentonne, so Oxidiert das Eisen mit Sauerstoff, oder Verbrennt ein Stück holz, oxidiert die Zellulose mit der Hilfe von Hitze. Oxidation ist auch in unserem Körper wichtiger. Viele Stoffwechselprozesse in unseren Zellen nutzen den Sauerstoff den wir einatmen um Stoffe zu oxidieren und Energie zu gewinnen. Die Oxidation ist aus diesem Grund für uns Menschen lebensnotwendig.

Was ist Oxidation?

Der Begriff Oxidation, hergeleitet aus dem Französischem Wort oxyder, beschreibt wie schon erwähnt den Prozess in dem ein Molekül, ein Atom oder ein Ion ein Elektron abgibt. Bei diesem chemischen Prozess, der Trennung des Elektrons wird Energie freigesetzt, es entstehen neue Verbindungen und das Molekül gewinnt eine leicht positive Ladung. Wie dies genauer passiert, kann man am Alltagsbesipiel der Holzverbrennung gut erkennen. Damit man Holz verbrennen kann braucht man im Normalfall:

  • Brennbares Holz
  • Sauerstoff
  • Wärme

Das Holz besteht aus Kohlenstoffverbindungen, der Holzzellulose, die brennbar sind. Der Kohlenstoff in der Zellulose wird durch die Wärme der Zündung freigesetzt und gibt Elektronen ab die von Sauerstoff aufgenommen werden. Es bilden sich mit einem Kohlenstoffmolekül und zwei Sauerstoffmolekülen Kohlenstoffdioxid, der ebenfalls freigesetzten Wasserstoff bildet zusammen mit Sauerstoff Wasser. Die Wärme die durch die Oxidation des Kohlenstoffs freigesetzt wird löst dann aus anderen Zellulosemolekülen Kohlenstoff und es kommt, solange Sauerstoff vorhanden ist, zu einer Kettenreaktion.

Obwohl der Begriff Oxidation die Einwirkung von Sauerstoff andeutet, kann die Reaktion auch ohne Sauerstoff stattfinden. So wird die Reaktion von Natrium und Chlor zu Natriumchlorid auch als Oxidation beschrieben, das das Natrium Molekül an das Chlormolekül ein Elektron abgibt.

 

Der Gegenspieler der Oxidation, die Aufnahme eines freien Elektrons von einem Molekül, heißt Reduktion. In unseren Beispielen, der Verbrennung von Holz und der Bildung von Natriumchlorid, sind jeweils der Sauerstoff und das Chlor die Stoffe die Reduziert werden.

 

Welches Molekül oxidiert und welches reduziert wird hängt bei solchen Reaktionen davon ab, wie hoch die sogenannte Oxidationszahl eines Elements in der Verbindung ist. In unserem ersten Beispiel hat Kohlenstoff eine Oxidationszahl von +4, gibt also insgesamt vier Elektronen ab, während Sauerstoff eine Oxidationszahl von -2 hat. Es werden also zwei Sauerstoffmoleküle gebraucht um alle vom Kohlenstoff freigesetzten Elektronen „aufzufangen“. Bei der Formung von Natriumchlorid hat Natrium eine Oxidationszahl von +1 und Chlor eine von -1. Die Oxidationszahl ist jedoch nicht für jedes Element konstant, ändert sich also je nach dem mit welchem Element eine Reaktion eingegangen wird. Der gesamte Prozess der Oxidation und Reduktion wird im Begriff Redoxreaktion zusammengefasst.

 


Geschichte und Anwendung

Im 18. Jahrhundert war es Antoine de Lavoiser, ein Französischer Wissenschaftler, der den Begriff Oxidation prägte. In seinen Versuchen mit verschiedenen Metallen, stellte er fest, dass die Metalle nach einer Reaktion mit Luft mehr wogen als davor und beobachtete dadurch einen oxidativen Prozess. Die Reaktion eines Stoffes mit Luft nannte er treffend Oxidation. Später würde de Lavoiser unter anderem auch entdecken, dass Wasser die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff ist.

 

Nachdem die Wissenschaft von Oxidation ein besseres Verständnis hatte, wurde sie im 19. Jahrhundert vom Wissenschaftler Gotthard Hofstädter verwendet um Fettsäuren herzustellen, die wiederum wichtiger Bestandteil von Seifen waren. Hiermit trug die Oxidation maßgeblich an einer hygienischen Revolution bei, die die moderne Medizin ermöglicht hat. Auch in der Technik wird Oxidation angewendet. Lange wurde in der Transistorherstellung das LOCOS-Verfahren verwendet um Teile von Halbleitern unter Einfluss thermischer Energie zu verbinden. Das Verfahren war im 20. Jahrhundert das Gewöhnliche und hat Fortschritte im Bereich der Computertechnik lange vorangetrieben.

 


Funktion & Aufgabe im Menschen

Bei der Oxidation passieren zwei für unseren Körper sehr relevante Dinge. Bei der Trennung eines Elektrons von einem Molekül wird Energie freigesetzt. Vor allem unsere Mitochondrien nutzen das aus um unsere Zellen mit Energie zu versorgen. Des weiteren können durch Oxidation neue Molekül gebildet werden, wodurch also sonst schädliche Stoffe neutralisiert werden können. Oxidation ist notwendig damit Prozesse wie die Synthese von Proteinen oder der Verarbeitung von Zucker ablaufen können.

 

Wie wichtig Oxidation im Körper ist, kann man anhand der Atmungskette, bei welcher aus Zucker und Sauerstoff Kohlendioxid und Wasser entstehen, erkennen. Oxidation spielt in der Atmungskette in den folgenden Schritten eine Rolle:

  • oxidative Decarboxylierung
    Hier wird mit Hilfe von Oxidation von einer Carbonsäure Kohlenstoffdioxid abgespalten und es entsteht NADH, welches später im Stoffwechsel benötigt wird.
  • Zitratzyklus
    Im Zitratzyklus kommt Oxidation an mehreren Stellen zum Einsatz, unter anderem um Amino- und Carbonsäuren für andere Enzyme verwendbar zu machen.
  • Endoxidation
    In der Endoxidation entsteht ein Großteil der Energie die aus der Zellatmung gewonnen wird. Dieser Prozess, der in den Membranen der Mitochondrien stattfindet, verwendet vier Enzymkomplexe, die alle Oxidation oder Reduktion verschiedener Moleküle durchführen, um Energie zu gewinnen.

Doch nicht nur in der Zellatmung wird Oxidation verwendet. Auch bei dem Umbau von Fettsäuren für unseren Stoffwechsel oder dem Abbau von Blutalkohol kommt Oxidation zum nutzen. Tatsächlich werden fast alle Kohlenstoffverbindungen, die wir zu uns nehmen, egal welche Form sie annehmen, zu irgendeinem Zeitpunkt von unserem Körper oxidiert. Es entstehen bei Oxidation jedoch auch Nebenprodukte wie Freie Radikale.

Freie Radikale sind Moleküle die nach dem Prozess der Oxidation im Körper noch ein freies Elektron haben, wodurch sie sehr schnell mit anderen Moleküle reagieren. Für den Menschen können freie Radikale ungesund seien, denn die dna innerhalb der Zellen kann von freien Radikalen beschädigt werden. Wenn sich diese Zelle dann teilen will, kann es zu einer fehlerhaften Kopie kommen. Freie Radikale entstehen immer da wo Oxidation stattfindet und das heißt, dass mehr Oxidation durch Zellenstoffwechsel nicht unbedingt gut für unsere Zellen ist. Zellen stellen, um sich vor diesen Radikalen zu schützen, Antioxidantien her, die vorwiegend in zwei Formen auftreten:

  • Radikalfänger
    Diese Antioxidantien hemmen das Reaktionspotential der Radikale um zu verhindern, dass diese in eine Reaktionskette gelangen
  • Reduktionsmittel
    Da Radikale oft wenige freie Elektronen haben, können sie durch ein Reduktionsmittel gebunden werden und ein neues, weniger gefährliches Molekül entsteht.

Es kann jedoch, bei viel Stoffwechsel oder der Einnahme von bestimmten Substanzen zu einem Überschuss an Radikalen kommen. Wenn zu viele Radikale entstehen, oder dem Körper nicht genügend Antioxidantien zu Verfügung stehen, steigt der oxidative Stress, der, falls er über längere Zeit angehoben ist, zu gesundheitlichen Schäden führen kann.


Krankheit & Beschwerden Beta-Oxidationsdefekte

Dieser Sammelbegriff schließt einige genetische Erkrankungen und Mutationen ein, die die Verarbeitung und Fettsäuren erschweren oder unmöglich machen. Obwohl der Körper alternative Stoffwechselwege für Fettsäuren wie die Alpha- oder die Omega-Oxidation hat, hat ein Beta-Oxidationsdefekt schwere Folgen für den Betroffenen. Da Fett vom Körper nur schlecht als Energiequelle genutzt werden kann kommt es, vor allem bei falscher Ernährung oder bei Kaloriendefizit zu den Symptomen:

Bei einigen Arten von Beta-Oxidationsdefekten werden Fettsäuren nur teilweise oder fehlerhaft verarbeitet und eine erhöhte Konzentration von Fettmetaboliten, die für den Körper giftig sein können, resultiert. Als genetische Erkrankungen können Beta-Oxidationsdefekte nicht geheilt, deren Symptome aber behandelt werden. Eine Diät die zum Großteil aus Kohlenhydraten und Eiweiß besteht ist Pflicht um die Symptome und Auswirkungen zu mindern.

Mitochendriopathien

Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle und nutzen bei mehreren Prozessen Oxidation. Mitochondriopathien sind Erberkrankungen die einen oder mehrere der mitochondrialen Prozesse stören. Hierzu gehören auch zum Beispiel Störungen in der Pyruvat-Oxidation, bei der ein Stoff hergestellt wird, der für die Verbrennung von Glucose gebraucht wird und Störungen der Atmungskette, in welcher mit Hilfe von Sauerstoff Wasser und Energie hergestellt wird. Symptome von dieser Art Erkrankung variieren stark, da verschiedene Teile des Stoffwechsel fehlerhaft sein können, doch am häufigsten beobachtet man in Patienten:

Wie Beta-Oxidationsdefekte sind auch Mitochondriopathien Gendefekte und können deshalb nicht behoben werden. Um Symptome zu lindern ist es hier nötig, je nach Stoffwechselstörung, die Diät anzupassen und mit allem Mitteln zu versuchen, den Stoffwechselbedarf so niedrig wie möglich zu halten.

Erkrankungen aus Oxidativem Stress

Ist der oxidative Stress im Körper durch freie Radikale für lange Zeit angehoben, so kann dies schwere Erkrankungen auslösen. Obwohl die Wissenschaft noch forscht, sind schon jetzt deutliche Verbindungen zwischen oxidativem Stress und unter Anderem Krebs, Parkinsons und Alzheimer zu erkennen. Freie Radikale sind dadurch, dass sie mitochondriale dna schädigen können auch für den Alterungsprozess mitverantwortlich, womit ein angehobener oxidativer Stress schneller zu Konzentrationsschwäche, Muskelschwäche und anderen degenerativen Erscheinungen führen kann.

 

Auch das Immunsystem kann durch erhöhten oxidativen Stress geschwächt werden und das Risiko auf Entzündung oder Infektion steigt. Leider gibt es keine Symptome die eindeutig auf hohen oxidativen Stress schließen lassen, doch er kann zu Kopfschmerzen, Müdigkeit, Konzentrationsschwäche, Erinnerungsverlust und vielen weiteren Beschwerden führen. Noch ist nicht vollständig klar, wie schwerwiegend oxidativer Stress unsere Gesundheit beeinflusst, doch die Auswirkungen sind weit gestreut und sind sehr ernst zu nehmen.

 


Fragen & Antworten zu Oxidation

 

Wann riskiere ist hohen oxidativen Stress?

Es gibt im modernen Alltag viele Ursachen für hohen oxidativen Stress. Ist man Raucher, so nimmt man durch jede Zigarette, die durch Oxidation verbrennt, eine sehr große Anzahl an freien Radikalen zu sich, oder trinkt man Alkohol, so hebt man damit auch oxidativen Stress. Doch selbst wenn man aktiv und Gesund lebt, kann man ungesunden oxidativen Stress haben, denn auch UV-Strahlung und Sport führen zur vermehrten Bildung von freien Radikalen. Oxidativen Stress zu mindern ist also für jeden ein relevantes und wichtiges Thema über das man sich Gedanken machen sollte.

Wie kann ich oxidativen Stress messen?

Hält man es für möglich, dass der oxidative Stress im Körper angehoben ist, so kann man dies mit einer Blutmessung überprüfen. Es wird hierbei die Blutkonzentration des Stoffwechselproduktes Malondialdehyd und Antioxidantien gemessen um zu sehen, ob genug Reduktionsmittel und Rakidalfänger im Körper vorhanden sind um den Bedarf zu decken. Solche Blutuntersuchungen werden in Krankenhäuser oder in Sportarztpraxen durchgeführt.

Wie kann ist meinen oxidativen Stress regulieren?

Hoher oxidativer Stress entsteht vor allem dann, wenn Zellen viel Stoffwechsel betreiben. Das heißt, dass eine erhöhte Kalorienzunahme und erhöhte Fettverbrennung durch Sport denn oxidativen Stress anheben können. Forschungen haben eine Verbindung zwischen kalorienreduzierter Ernährung und Langlebigkeit gefunden, also ist im Falle von Übergewicht zur Abnahme zu raten.
Ernährung kann auch dabei helfen, oxidativen Stress zu senken. Antioxidantien wie

sind hervorragende Radikalfänger oder Reduktionsmittel und lassen sich vor allem in Früchten und Gemüse finden. Diese sollten großzügig in einer gesunden Ernährung vorhanden sein. Es ist jedoch anzumerken, dass die Wirksamkeit spezieller Antioxidantienprodukte noch nicht nachgewiesen ist und ein extremer Überschuss an Antioxidantien sogar schädlich sein kann.


Unser Fazit zu Oxidation

Die Oxidation macht es in unserem Körper möglich aus einer Vielzahl von verschiedenen Kohlenstoffverbindungen Energie zu gewinnen und ist somit unabdingbar für unser Wohlbefinden und Überleben. Doch die Oxidation fordert von uns Menschen eine Gesunde Ernährung und Lebensstil, denn wie bei vielen Körperprozessen muss eine Balance gefunden werden, damit der Prozess nicht Schaden anrichtet. Wir hoffen diese Informationen waren hilfreich und wünschen gute Gesundheit!

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