Oxidoreduktasen umfassen eine große Enzymklasse, die den Elektronentransfer von einem Elektronendonator (Reduktionsmittel) auf ein Elektronenakzeptormolekül (Oxidationsmittel) katalysiert und dabei in der Regel Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP) oder Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) als Cofaktoren nutzt. Da zahlreiche chemische und biochemische Umwandlungen Oxidations-/Reduktionsprozesse beinhalten, ist es seit Langem ein zentrales Ziel der Biotechnologie, praxistaugliche biokatalytische Anwendungen von Oxidoreduktasen zu entwickeln. In den vergangenen Jahren wurden wesentliche Durchbrüche bei der Entwicklung oxidoreduktasebasierter Diagnostiktests und verbesserter Biosensoren sowie bei der Konzeption innovativer Systeme zur Regeneration essenzieller Coenzyme erzielt. Auch die Forschung zur Konstruktion von Bioreaktoren für den biologischen Abbau von Schadstoffen und die Biomasseverarbeitung sowie die Entwicklung oxidoreduktasebasierter Ansätze zur Synthese von Polymeren und funktionalisierten organischen Substraten hat große Fortschritte gemacht. Systematische Namen von Oxidoreduktasen haben die Form „Donator:Akzeptor-Oxidoreduktase“; in den meisten Fällen ist jedoch „Donator-Dehydrogenase“ deutlich gebräuchlicher. Trivialnamen erscheinen mitunter auch als „Akzeptor-Reduktase“, z. B. NAD⁺-Reduktase. „Donator-Oxidase“ ist ein Sonderfall, wenn O₂ als Akzeptor dient.

Klassifizierung

Oxidoreduktasen können entweder Oxidasen oder Dehydrogenasen sein. Oxidasen sind in der Regel beteiligt, wenn molekularer Sauerstoff als Akzeptor für Wasserstoff oder Elektronen fungiert. Dehydrogenasen hingegen oxidieren ein Substrat durch Übertragung von Wasserstoff auf einen Akzeptor, der entweder NAD/NADP oder ein Flavinenzym ist. Peroxidasen, Hydroxylasen, Oxygenasen und Reduktasen gehören ebenfalls zu den Oxidoreduktasen. Peroxidasen sind in Peroxisomen lokalisiert und können die Reduktion von Wasserstoffperoxid katalysieren. Hydroxylasen übertragen Hydroxylgruppen auf ihre Substrate. Oxygenasen können Sauerstoff aus molekularem Sauerstoff in organische Substrate einbauen. In den meisten Fällen können Reduktasen ähnlich wie Oxidasen wirken, katalysieren jedoch Reduktionen.

Oxidoreduktasen werden in der EC-Nummernklassifikation der Enzyme als EC 1 geführt und können weiter in 22 Unterklassen eingeteilt werden.

Reaktionen

Die katalysierten Reaktionen ähneln der in Abbildung 1 dargestellten Reaktion, wobei A das Reduktionsmittel und B das Oxidationsmittel ist. In biochemischen Reaktionen sind Redoxreaktionen mitunter schwieriger zu erkennen, wie z. B. bei dieser 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 sowohl im aeroben als auch im anaeroben Stoffwechsel eine wesentliche Rolle. Sie finden sich in biologischen Prozessen wie Glykolyse, TCA-Zyklus, oxidativer Phosphorylierung und Aminosäurestoffwechsel. In der Glykolyse beschleunigt das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase die Reduktion von NAD⁺ zu NADH. Die Reoxidation des gebildeten NADH zu NAD⁺ erfolgt jedoch im Rahmen der oxidativen Phosphorylierung, um den Redoxstatus der Zelle aufrechtzuerhalten. Weitere NADH-Moleküle werden im TCA-Zyklus gebildet. Das Glykolyseprodukt Pyruvat tritt in Form von Acetyl-CoA in den TCA-Zyklus ein. Während der anaeroben Glykolyse wird die Oxidation von NADH durch die Reduktion von Pyruvat zu Laktat erreicht, das anschließend in Muskel- und Leberzellen wieder zu Pyruvat oxidiert wird. Darüber hinaus wird Pyruvat im TCA-Zyklus weiter oxidiert. Alle zwanzig Aminosäuren – mit Ausnahme von Leucin und Lysin – können zu Intermediaten des TCA-Zyklus abgebaut werden, wodurch die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren in Oxalacetat und anschließend in Pyruvat überführt werden können. Der gluconeogene Stoffwechselweg kann das gebildete Pyruvat anschließend nutzen.

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Oxidoreduktasen