Redox- und pH-Verschiebungen

Welchen Sinn macht es, sich mit der Redox- oder der pH-Situation in unserem Körper zu beschäftigen? Weil sich hier Einblicke in den besonderen Stoffwechsel bestimmter Gewebe bzw. Organe bieten können, die evtl. therapeutisch genutzt werden könnten.

Zitat James Watson (Entdecker der DNA-Struktur zusammen mit Crick), am Beispiel Tumorgewebe, aus seinem in 2013 veröffentlichten Papier "Oxidants, antioxidants and the current incurability of metastatic cancers": "We must focus much, much more on the wide range of metabolic and oxidative vulnerabilities that arise as consequences of the uncontrolled growth and proliferation capacities of cancer cells." ("Wir müssen uns viel viel mehr auf das grosse Spektrum von Stoffwechsel- und oxidativen Veränderungen konzentrieren, die als Folge des unkontrollierten Wachstums und der Fortpflanzungs-Fähigkeiten von Krebszellen entstehen.")

Worum geht es?

"Die Redox- und pH-Verschiebungen bezeichnen Elektronen- bzw. Protonen-Transferreaktionen in biologischen oder chemischen Systemen." So fängt ein sehr guter komprimierter Artikel an, den Univ.Doz. Dr. John Ionescu dankenswerterweise zur Verfügung gestellt hat:

"Die klinisch-therapeutische Relevanz der Redox- und pH-Verschiebungen im Tumorgewebe"

Es gibt mitterweile auch einen Ausschnitt eines gleichnamigen Vortrages von Dr. Ionescu aus Oktober 2014 auf youtube.

Was heisst "Redox"?

Der Begriff Redox ist eine Zusammenführung der Begriffe Reduktion und Oxidation. Reduktion verstanden als die Aufnahme und Oxidation als die Abgabe von Elektronen eines Atoms. Da nur immer beides zusammen vorkommt, spricht man von Redox-Reaktionen.

Oxidation / Reduktion

Ursprünglich wurde der Begriff Oxidation nur mit dem Element Sauerstoff verbunden, dann aber verallgemeinert als Abgabe von Elektronen. Oxidation und Reduktion bezeichnen also Elektronenab- bwz. zuflüsse, als Redox zusammengefasst.

Redoxreaktionen sind dann die chemischen Reaktionen eines Reaktionspartners, der Elektronen auf einen anderen übertragt. Neben unzähligen Redox-Reaktionen von kleineren Molekülen gibt es im Organismus auch die grosse Enzym-Klasse der Oxidoreduktasen für den Elektronentransfer, Oxidasen, Reduktasen und Dehydrogenasen.

Es gilt: Auf Basis der Eigenschaften der Elemente bestimmen die Elektronen, welche Verbindungen die Elemente eingehen. Redox-Prozesse sind mit die fundamentalsten Reaktionen in der Chemie. Auch alles Leben hängt mit denjenigen Elementen, die das Leben benötigt, von chemischen Oxidations- und Reduktions-Reaktionen ab.

Es empfiehlt sich daher, die für lebende Organismen wichtigsten Elemente mit ihrer Elektronen-Konfiguration genauer anzusehen, hier zunächst der Masse-Anteil der Elemente im menschlichen Körper:

Schaut man in das Periodensystem der Elemente, so sind von den vielen systematisierten Elementen nur wenige von primärem Interesse für biochemische Prozesse:

Anzahl Elektronen in der äussersten besetzten Schale

Um deren Wirkung bei den grundlegenden (bio-)chemischen Vorgängen wie z.B. Redox-Reaktionen verstehen zu können, ist ein Blick auf die Elektronenverteilung vonnöten (das u.a. Plakat nach Campbell, 8te Auflage, S.49), hier insbesondere auf die Anzahl Elektronen in der äussersten besetzten Elektronenschale (in die erste Schale "passen" 2 Elektronen, in die zweite 8 Elektronen, in die dritte 18 Elektronen, allerdings wird diese Schale bei den Elementen der 3ten Periode nur bis zu 8 Elektronen aufgefüllt, während von den (hier nicht gezeigten) Elementen der 4ten Periode eine vierte Schale angelegt und die dritte auf 18 Elektronen aufgefüllt wird):

Video: Magische Moleküle

Es gibt eine sehr schöne Dokumentation "Wissen aktuell: Magische Moleküle", in der sehr anschaulich entlang des Periodensystems die Bedeutung der Elektronen-Übertragungen gezeigt wird.

Besonders 5 Minuten ab Minute 36 sind empfehlenswert, hier der Text dazu:

36:00 Woher kommt der Ausdruck „Edelgase“? „Die Edelgase sind edel, weil sie sich nicht mit anderen abgeben, sie reagieren mit keinem anderen Element. Es ist unmöglich, chemische Verbindungen mit ihnen herzustellen.“ ...
Die Edelgase reagieren nicht. Sie weigern sich heftig, sich mit anderen Elementen zu verbinden. Und das grenzt diese Spalte klar von allen anderen Elementen im Periodensystem ab. Warum sind Edelgase so unnahbar? Das liegt nicht an den Protonen, sondern an den Elektronen. Sie bestimmen, wie reaktionsfreudig ein Element ist.“ ...
37:25
Die Elektronen bestimmen, wo es lang geht. Sie haben ihren Platz in einer Art kreisförmiger Schale. Die erste Schale hat 2 Elektronen, die nächste 8, danach geht es bis auf 18. Ein Atom mit 8 Elektronen in der Aussen-Schale ist ein zufriedenes, also ein träges Atom. Und Edelgase haben von vorneherein komplett gefüllte Aussen-Schalen.
„Ist das die einzige Spalte, in der das so ist?“ „Ja, nur hier sind alle Schalen komplett gefüllt.“
Die Spalte direkt daneben sind die Halogene. Sie haben eine äussere Schale, die nur ein zusätzliches Elektron braucht. Und sie holen es sich woher sie nur können. Zu der Gruppe gehören Fluor und Brom, aber das berüchtigste ist Chlor. 17 Protonen, umgeben von 17 Elektronen, angeordnet in 3 Schalen, mit 2, 8 und 7 – eines zu wenig um voll zu sein. Dieses Extra-Elektron will das Chlor um jeden Preis haben, manchmal gewaltsam. ...
39:00
„In der anderen Richtung finden sich die Alkali-Metalle.“ Sie bilden die erste Spalte. Jedes besitzt volle Schalen, plus ein extra Elektron, das allein auf der äussersten Schale sitzt. Sie haben bekannte Namen wie Lithium, Natrium und Kalium. Sie alle wollen das einzelne Elektron loswerden, egal wie.
„Die in der ersten Spalte haben alle eins zu viel, die in der letzten haben alle eins zu wenig. Was passiert, wenn sie zusammenkommen?“

Sauerstoff

Das mit Abstand wichtigste Element im Körper, der Sauerstoff, nimmt auch im Periodensystem eine Sonderrolle ein: Bei 8 Protonen im Kern sind die 8 entsprechenden Elektronen, 2 auf der ersten und 6 auf der zweiten Elektronenschale, so angeordnet, dass das Element eine starke chemische Neigung hat, die zwei fehlenden Elektronen auf der zweiten Schale sich irgendwoher zu holen.

Oder umgekehrt ausgedrückt: Sauerstoff ist aufgrund der beiden fehlenden Elektronen auf der zweiten Elektronenschale der ideale Elektronen-Empfänger bzw. ein klassischer Elektronen-Räuber. Auch für sich selbst: Als molekularer Sauerstoff O2 teilen sich zwei Sauerstoffatome zwei Elektronenpaare und bilden eine Doppelbindung.

Dieser molekulare Sauerstoff ist es, den wir einatmen, in den Eisen-Käfigen der Hämgruppen im Hämoglobin fest binden und auf den Weg in den Körper schicken, wo das O2-Molekül erst im Komplex IV der Atmungsketten der Mitochondrien aufgespalten wird (auch hier ist ein Enzym aus der Klasse der Oxidoreduktasen am Werk, die Cytochrom-c-Oxidase - Vom Biochemiker Nicholson produzierte Animationen der Atmungskette (und anderer grundlegender biochemischer Abläufe) finden sich auf Seiten von sigma-aldrich, hier z.B. die Arbeit der ATP-Synthase, dem Komplex V der Atmungsketten.

In dem Video "Magische Moleküle" wird sich sehr anschaulich mit dem Sauerstoff beschäftigt ab dieser Stelle:

"43:35

… eine wichtige Erkenntnis verschafft: Die Elektronen bestimmen, welche Verbindungen die Elemente eingehen. Das führt mich zu einem der berüchtigsten Elektronenjäger im Periodensystem, zu Sauerstoff, Symbol O. 8 Protonen, insgesamt 8 Elektronen, 2 auf der ersten, 6 auf der Aussen-Schale. 2 Elektronen fehlen ihm zur Vollbesetzung. Und die verfolgt er zielstrebiger als irgendein anderes Element im Periodensystem."

Redox-Reaktionen und Redox-Zustände

Redox-Reaktionen einzelner molekularer Reaktionspartner führen zu einem neuen Redox-Zustand, nicht nur dieser Stoffe, sondern auch der Umgebung, in der die Reaktion abgelaufen ist. Eine Oxidation, also der Raub bzw. die Abgabe von Elektronen erfolgt so fast immer unter Abgabe von Licht- u./o. Wärme-Energie.

In einer Zelle laufen nicht nur ständig immens viele Redox-Reaktionen ab, die gesamte Zelle hat im Ergebnis auch jeweils einen ganz bestimmten Redox-Zustand, der sich messen lässt. Es geht um das Mass bzw. die Bereitschaft zu oxidieren oder zu reduzieren, gemessen als Redox-Potential.

Redox-Zustände von (Krebs-)Zellen

Hickey und Roberts haben 2005 in ihrem auch ansonsten sehr zu empfehlenden Buch "Cancer: Nutrition and Survival" auf S.49 tabellarisch die unterschiedlichen Zell-Zustände entsprechend Oxidationsgrad dargestellt:

Auf der Suche nach den Eigenarten, die Krebszellen von nicht malignen Zellen unterscheiden, stellt sich auch bei der Redox-Situation die Frage: Ist hier therapeutisch anzusetzen?

Die These lautet: Ja, wenn die anti-oxidativen Äquivalente überwiegen, wie in Krebszellen, dann durch pro-oxidative Therapien! Und als Begründung dient die Annahme, dass Krebszellen im allgemeinen aufgrund ihrer höheren Proliferations-Tendenz einen höheren Oxidationsgrad als gesunde Zellen, die sich im Differenzierungs-Arbeitsmodus befinden, aufweisen, sodass ein kleiner pro-oxidativer Schub ausreicht, um sie in den Zelluntergang zu bringen, während gesunde Zellen diese Intervention verkraften.

Aus diesem Ansatz folgt aber auch, dass man mit anti-oxidativen Therapien bei Krebs vorsichtig sein sollte.

Aber umgekehrt, dies trifft zu bei vielen sonstigen Umwelterkrankungen: Wenn die Gewebe mit anti-oxidativen Äquivalenten unterversorgt sind, ist eine anti-oxidative Therapie sinnvoll.

Redox-Messungen

Redox-Messungen werden potentiometrisch in milli-Volt gemacht und heissen Eh. Dr. Ionescu schreibt dazu: "Die Messung der Redox-Potentiale in verschiedenen biologischen Proben kann potentiometrisch mit Hilfe entsprechender Elektroden in einer standardisierten Redox–Zelle (37°C, Argon-Atmosphäre) erfolgen. Das Messergebnis im Blut, Plasma oder Gewebe (Eh in mV) spiegelt in der Regel das Verhältnis zwischen reduziertem und oxidierten Glutathion (GSH / GSSG) wieder sowie den Sauerstoffpartialdruck (pO2)."

Dr. Ionescu fährt fort: "In der Tat korrelieren die Eh-Verschiebungen des GSH / GSSG Paares mit dem biologischen Status normaler Zellen: -220 mV (Redose / Proliferation), -200 mV (Differenzierung), -170 mV (Oxidose / Apoptose), während proliferierende Krebszellen eine permanente Redose aufweisen, verursacht durch eine erhöhte Akkumulation von reduziertem Glutathion, NADH, Cystein, Glukose."

Dies ist der springende Punkt: Wenn es stimmt, dass proliferierende Krebszellen jede Menge Reduktions-Äquivalente "gebunkert" haben, sind sie gegenüber pro-oxidativen Angriffen (Strahlen- oder Chemo-Therapie) relativ widerstandsfähig. Therapeutische Eingriffe, die erstmal diese Vorräte freier Elektronen abbauen und so den Redox-Status in Richtung niedriger Potentiale, also in Richtung Oxidose verschieben, wären die richtige Antwort.