Oxidoreduktasen bestehen aus einer großen Klasse von Enzymen, die den Transfer von Elektronen von einem Elektronendonator (Reduktionsmittel) zu einem Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) katalysieren, wobei in der Regel Nicotinamid-Adenin-Dinukleotidphosphat (NADP) oder Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) als Cofaktoren verwendet werden. Da so viele chemische und biochemische Transformationen Oxidations-/Reduktionsprozesse umfassen, war es lange ein wichtiges Ziel in der Biotechnologie, praktische biokatalytische Anwendungen von Oxidoreduktasen zu entwickeln. In den letzten Jahren wurden bedeutende Durchbrüche bei der Entwicklung von oxidoreduktasebasierten diagnostischen Tests und verbesserten Biosensoren sowie beim Design innovativer Systeme zur Regeneration essentieller Coenzyme erzielt. Die Forschung zum Bau von Bioreaktoren für die Biodegradation von Schadstoffen und die Verarbeitung von Biomasse sowie die Entwicklung oxidoreduktasebasierter Ansätze zur Synthese von Polymeren und funktionalisierten organischen Substraten hat große Fortschritte gemacht. Die richtigen Namen von Oxidoreduktasen liegen in der Form "Donator:Akzeptor-Oxidoreduktase"; während in den meisten Fällen "Donator-Dehydrogenase" viel gebräuchlicher ist. Allgemeine Namen erscheinen auch manchmal als "Akzeptor-Reduktase", wie NAD⁺-Reduktase. "Donator-Oxidase" ist ein Sonderfall, wenn O₂ als Akzeptor dient.

Klassifikation

Oxidoreduktasen können entweder Oxidasen oder Dehydrogenasen sein. Oxidasen sind in der Regel beteiligt, wenn molekularer Sauerstoff als Akzeptor von Wasserstoff oder Elektronen fungiert. Dehydrogenasen hingegen arbeiten, indem sie ein Substrat oxidieren, indem sie Wasserstoff an einen Akzeptor übertragen, der entweder NAD/NADP oder ein Flavin-Enzym ist. Peroxidasen, Hydroxylasen, Oxygenasen und Reduktasen gehören ebenfalls zu den Oxidoreduktasen. Peroxidasen befinden sich in Peroxisomen und können die Reduktion von Wasserstoffperoxid katalysieren. Hydroxylasen geben Hydroxylgruppen an ihre Substrate ab. Oxygenasen können Sauerstoff aus molekularem Sauerstoff in organische Substrate einbauen. In den meisten Fällen können Reduktasen wie Oxidasen wirken, jedoch Reduktionen katalysieren.

Oxidoreduktasen sind in der EC-Nummer-Klassifikation der Enzyme als EC 1 eingeordnet und können weiter in 22 Unterklassen klassifiziert werden.

Reaktionen

Die katalysierten Reaktionen sind ähnlich der folgenden Reaktion in Abbildung 1, wobei A das Reduktionsmittel und B das Oxidationsmittel ist. In biochemischen Reaktionen sind die Redoxreaktionen manchmal schwieriger zu beobachten, wie diese Reaktion aus der Glykolyse: Pi + Glycerinaldehyd-3-phosphat + NAD⁺ → NADH + H⁺ + 1,3-Bisphosphoglycerat, wobei NAD⁺ das Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor) ist und Glycerinaldehyd-3-phosphat als Reduktionsmittel (Elektronendonator) fungiert.

Abbildung 1. Redoxreaktion.

Funktionen

Oxidoreduktase-Enzyme spielen eine bedeutende Rolle sowohl im aeroben als auch im anaeroben Stoffwechsel. Sie sind in biologischen Prozessen wie Glykolyse, TCA-Zyklus, oxidative Phosphorylierung und Aminosäurestoffwechsel zu finden. In der Glykolyse beschleunigt das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase die Reduktion von NAD⁺ zu NADH. Die Reoxidation des erzeugten NADH zu NAD⁺ erfolgt jedoch im oxidativen Phosphorylierungsweg, um den Redoxzustand der Zelle aufrechtzuerhalten. Zusätzliche NADH-Moleküle werden im TCA-Zyklus produziert. Das Glykolyseprodukt Pyruvat nimmt in Form von Acetyl-CoA am TCA-Zyklus teil. Während der anaeroben Glykolyse wird die Oxidation von NADH durch die Reduktion von Pyruvat zu Laktat erreicht, das dann in Muskel- und Leberzellen zu Pyruvat oxidiert wird. Darüber hinaus wird das Pyruvat im TCA-Zyklus weiter oxidiert. Alle zwanzig Aminosäuren, mit Ausnahme von Leucin und Lysin, können zu Zwischenprodukten im TCA-Zyklus abgebaut werden, was es ermöglicht, die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren in Oxalacetat und anschließend in Pyruvat umzuwandeln. Der gluconeogene Weg kann dann das gebildete Pyruvat nutzen.

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Oxidoreduktasen