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Lexikon der Biologie: Sauerstoff

Sauerstoff, Oxygenium, chemisches Zeichen O, nichtmetallisches, zweiwertiges chemisches Element (Atom [Abb.], Bioelemente [Tab.]), das als Bestandteil der Atmosphäre (mit 20,95 Vol.-%) als molekularer Sauerstoff (Disauerstoff, O2) bzw. als Ozon (Trisauerstoff, O3), des Wassers (H2O) und der meisten am Stoffwechsel (Farbtafel) der Zellen und Organismen beteiligten organischen chemischen Verbindungen (organisch) von zentraler biologischer Bedeutung ist (Aerobier). Reiner molekularer Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, unter –183 °C eine bläuliche Flüssigkeit; unter –219 °C bildet Sauerstoff hellblaue Kristalle. Er besteht aus den stabilen (d.h. nicht radioaktiven) Isotopen 16O, 17O und 18O mit den relativen natürlichen Häufigkeiten 99,76%, 0,04% und 0,20%. Sauerstoff ist chemisch sehr reaktiv und verbindet sich mit anderen Elementen meist unter Wärmeabgabe zu Oxiden. Der Verbindungsvorgang heißt Oxidation. Er kann bei rascher Freisetzung hoher Energiemengen als Verbrennung ablaufen, bei langsamem Verlauf als Rosten von Eisen, Anlaufen von Metallen oder Verwesung von Biomasse. Die Enzyme, die Sauerstoff umsetzende Reaktionen katalysieren, sind die Oxidasen bzw. Oxygenasen. Molekularer Sauerstoff der Luft wird bei der biologischen Oxidation (Atmung; Atmungskette [Abb.]; Sauerstofftransport) verbraucht und damit letztlich zu Wasser umgewandelt. Demgegenüber bildet sich molekularer Sauerstoff bei der Photosynthese durch Photolyse von Wasser (Sauerstoffkreislauf; Kohlenstoffkreislauf [Farbtafel]). Sauerstoff hat bei Säugern in Form des O2-Radikals (freie Radikale) Bedeutung als Entzündungs-Mediator. – Sauerstoff ist am Aufbau der Erdkruste zu 50,5% beteiligt und damit das auf der Erde am häufigsten vorkommende Element. Die Hauptmasse des Sauerstoffs ist gebunden an Wasserstoff im Wasser (H2O) enthalten. Außerdem kommt er in beträchtlichen Mengen in erz- und gesteinsbildenden (Gesteine) Oxiden und Salzen von Sauerstoffsäuren vor, so z.B. im Magnetit (Fe3O4), Kalkstein (CaCO3 ;Kalk) und anderen Calciumverbindungen (vor allem Sulfate) und in zahlreichen Silicaten. Trotz des hohen Sauerstoffverbrauchs durch verschiedenartigste Verbrennungsprozesse in Industrie und Haushalt, durch Atmung, Verwesung, Verwitterung und anderes ist durch die ständige Bildung von Sauerstoff bei der Photosynthese der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre weitgehend konstant. – Für den Ablauf insbesondere der Energie liefernden Reaktionen (Energiekonservierung) in biologischen Systemen, vor allem für die Atmung, ist die Anwesenheit von Sauerstoff unverzichtbar. Ein erwachsener Mensch verbraucht beim Atmen im Ruhezustand etwa 20 Liter Sauerstoff in der Stunde. Atemluft mit einem Sauerstoffgehalt unter 7% führt zu Bewußtlosigkeit, solche mit weniger als 3% zum Tod durch Ersticken. Reiner Sauerstoff hingegen kann, sofern der Druck 0,1 MPa nicht übersteigt, kurzzeitig ohne Schädigungen eingeatmet werden. – Sauerstoff ist Bestandteil fast aller Biomoleküle. Er bildet die reaktiven Zentren für metabolische Umwandlungen von Säuren, Aldehyden, Ketonen, Alkoholen und Ethern. Kohlenwasserstoffe sind erst dann biologisch abbaubar (Abbaubarkeit), wenn sie in Verbindungen überführt werden können, die eine Sauerstoffunktion tragen, z.B. durch Hydroxylierung. Sauerstoff ist auch Bestandteil des Hydroxylapatits der Knochen. Die für alle Organismen wichtigste Sauerstoffverbindung ist das Wasser. – Allgemein kommt Sauerstoff überall dort anstelle von Luft zur Anwendung, wo es bei Verbrennungsvorgängen auf die Erreichung möglichst hoher Temperaturen ankommt. Er dient weiterhin u.a. zur Füllung von Atemschutzgeräten, und mit Sauerstoff angereicherte Luft kommt in der Medizin zur Unterstützung der Atmung zur Anwendung. Bedeutung hat Sauerstoff auch in der biologischen Abwasserbehandlung (Kläranlage). Atemgastransport, Cavendish (H.), Crutzen (P.J.), Dalton (J.), Davy (H.), Dumas (J.B.A.), Hämoglobine, Hill (A.V.), Kohlendioxid, Lavoisier (A.L. de), Priestley (J.), reaktive Sauerstoffspezies, respiratorischer Quotient, Scheele (K.W.), Stas (J.S.), Stoffwechselintensität.

Lit.: Djerassi, C., Hoffmann, R.: Oxygen. Weinheim 2001.

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