Energiegewinnung ohne Atmungskette

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Energiegewinnung durch Gärung

Was ist Gärung?

Gärung ist ein biochemischer Prozess, bei dem Organismen in Abwesenheit von Sauerstoff (anaeroben Bedingungen) Energie gewinnen. Dabei wird ATP durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt, ohne die Nutzung eines externen Elektronenakzeptors wie Sauerstoff. Dies bedeutet, dass die Energieausbeute im Vergleich zu aeroben Stoffwechselwegen, die den Citratzyklus und die Atmungskette beinhalten, geringer ist.

Allgemeiner Ablauf der Gärung

Der Prozess der Gärung beginnt mit der Glykolyse, einer Serie von Reaktionen, die Glucose zu Pyruvat abbauen. Dabei werden:

  • 2 ATP Moleküle direkt durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt.
  • NAD+ wird zu NADH reduziert.

Unter anaeroben Bedingungen müssen Organismen einen Weg finden, das während der Glykolyse entstehende NADH zu reoxidieren, um NAD+ für die Glykolyse bereitzustellen. An diesem Punkt verzweigt sich der Weg in verschiedene Gärungsarten.

Arten der Gärung

Prozess Schritte Enzyme Energieausbeute.ATP
Glykolyse Glucose -> 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH verschiedene Glykolyse-Enzyme 2
Alkoholische Gärung 1 Pyruvat -> Acetaldehyd + CO₂, 2 Acetaldehyd -> Ethanol + NAD+ 1 Pyruvat-Decarboxylase (Thiamindiphosphat als Cofaktor), 2 Alkoholdehydrogenase 0
Milchsäuregärung Pyruvat -> Lactat + NAD+ Lactat-Dehydrogenase 0

Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung erfolgt primär in Hefen und einigen Bakterienarten.

  1. Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetaldehyd:
    • Pyruvat wird durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase in Acetaldehyd und CO₂ umgewandelt.
    • Thiamindiphosphat dient hierbei als Cofaktor.
  2. Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol:
    • Das Enzym Alkoholdehydrogenase katalysiert die Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol.
    • NADH wird hierbei zu NAD+ oxidiert.

\[\text{Pyruvat} \rightarrow \text{Acetaldehyd} \rightarrow \text{Ethanol} + \text{CO}_2\]

Milchsäuregärung

Die Milchsäuregärung ist besonders in bestimmten Mikroorganismen und in menschlichen Muskelzellen bei Sauerstoffmangel relevant.

  1. Reduktion von Pyruvat zu Lactat:
    • Pyruvat wird durch das Enzym Lactat-Dehydrogenase direkt zu Lactat reduziert.
    • Dabei wird NADH zu NAD+ oxidiert.

\[\text{Pyruvat} \rightarrow \text{Lactat}\]

Wichtige Aspekte der Gärung

NAD+ Regeneration

Die Regeneration von NAD+ ist essentiell, damit die Glykolyse weiterlaufen kann. Ohne diese Regeneration würde die Glykolyse stagnieren und kein weiteres ATP würde produziert.

Vergleich Energieausbeute

Die Gärung produziert nur 2 ATP pro Glucosemolekül, während aerobe Prozesse bis zu 38 ATP erzeugen können. Das IMPP fragt gerne nach dem Unterschied in der Energieeffizienz zwischen diesen beiden Wegen.

Beispiele aus der Praxis

Alkoholische Gärung

  • Bier- und Weinproduktion: Hefen fermentieren Zucker in Getreide oder Trauben zu Ethanol und CO₂.
  • Backen: CO₂, das bei der alkoholischen Gärung von Hefen freigesetzt wird, führt zum Aufgehen des Teigs.

Milchsäuregärung

  • Joghurtherstellung: Milchsäurebakterien fermentieren Milchzucker (Lactose) zu Milchsäure, was zur Dicklegung der Milch führt.
  • Muskelzellen: Bei intensivem Training, wenn die Sauerstoffversorgung nicht ausreicht, wird Glucose anaerob zu Lactat fermentiert, was zu Muskelkater führen kann.

Zusammenfassung der Gärungsprozesse

  • ATP-Gewinnung ohne Atmungskette: Alle Gärungsprozesse generieren ATP ausschließlich durch Substratkettenphosphorylierung.
  • Regeneration von NAD+: Kritisch zur Aufrechterhaltung der Glykolyse.
  • Unterschiedliche Endprodukte: Ethanol und CO₂ bei alkoholischer Gärung, Lactat bei Milchsäuregärung.

Durch die verschiedenen biochemischen Wege ermöglichen Gärungsprozesse den Energieerhalt auch unter extremen Bedingungen, in denen Sauerstoff nicht verfügbar ist.

Zusammenfassung

  • Gärung ist ein biochemischer Prozess, bei dem Energie ohne Sauerstoff gewonnen wird. ATP wird durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt, nicht durch oxidative Phosphorylierung.
  • Die Glykolyse ist der erste Schritt der Gärung und erzeugt 2 ATP und NADH; das NADH muss reoxidiert werden, damit die Glykolyse weitergehen kann.
  • In der alkoholischen Gärung wird Pyruvat zuerst zu Acetaldehyd und CO₂ und dann zu Ethanol reduziert. Dabei wird NADH zu NAD+ oxidiert.
  • Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat direkt zu Lactat reduziert, wobei ebenfalls NADH zu NAD+ oxidiert wird.
  • NAD+ Regeneration ist essentiell für die Fortführung der Glykolyse, da ohne diese die ATP-Produktion stoppt.
  • Die Energieausbeute der Gärung ist niedrig: nur 2 ATP pro Glucosemolekül, im Vergleich zu bis zu 38 ATP bei aeroben Prozessen.
  • Die alkoholische Gärung spielt eine wesentliche Rolle in der Bier- und Weinproduktion, während die Milchsäuregärung bei intensivem Training und in der Joghurtherstellung relevant ist.

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