Einführung in die Biochemie Gärung anaerober Abbau

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1 Gärungen sind ATP liefernde Energiestoffwechsel, die ohne Sauerstoff als xidationsmittel ablaufen. Ein Grund zur Nutzung der Gärung kann ein plötzlich anstehender Bedarf an rasch verfügbarerer Energie sein, wie in den Muskeln bei intensiver körperlicher Betätigung. Gärungsprozesse können schneller auf hohe Energieumsätze beschleunigt werden, weil kein Sauerstoff herangeholt und präpariert werden muss. Alle benötigten Stoffe stehen zur Verfügung. Freier Sauerstoff ist ein Zellgift! Bis zur Stufe der Brenztraubensäure (Glykolyse) verlaufen alle Gärungen einheitlich. Danach unterscheidet man mehrere Varianten, von denen die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung für den Menschen wichtig sind. 13

2 Gärung ist die Form der Dissimilation, die unter anaeroben Bedingungen abläuft. Energiereiche organische Stoffe werden zu energieärmeren organischen Stoffen abgebaut. Gärungsart Ausgangsstoff Produkt Nutzung Alkoholische Gärung Glucose Ethanol, Kohlenstoffdioxid Wein und Bier brauen, Backen Milchsäuregärung Glucose Milchsäure (Lactat) Käsereifung Essigsäuregärung Ethanol Essigsäure Speiseessigherstellu ng Fäulnis Eiweiß Schwefelwasserstoff Ammoniak Zersetzung von Tier und Pflanzenresten Verwesung Eiweiß Kohlenstoffdioxid, Wasser, Ammoniak Humusbildung 14

3 Milchsäuregärung Die Milchsäuregärung läuft unter anderen anaeroben Bedingungen in der Muskelzelle ab. Dabei wird Pyruvat enzymatisch unter Verbrauch von NADH zu Milchsäure bzw. Lactat abgebaut. Pyruvat (reduzierte Form der Brenztraubensäure) - NADH + H + NAD + H H - Lactat Milchsäure 6 H ADP + 2 P 2 -HH-H + 2 ATP Auch bei der Milchsäuregärung ergibt sich der Energiegewinn aus der Bildung von 2 mol ATP, die bei der Glykolyse gebildet werden. 15

4 Milchsäuregärung Die Skelettmuskulatur verwendet diesen Stoffwechselweg, wenn die Muskeln nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden können. Dabei droht eine Übersäuerung von Blut und Muskulatur. Milchsäure wird deswegen auf verschiedene Arten vom Körper wieder abgebaut. Kann der Abbau nicht mit dem Aufbau mithalten, kommt es zum Muskelkater. Bei Milchsäurebakterien ist die Milchsäure das Endprodukt ihres Stoffwechsels. Wir nutzen die Bakterien z. B. zur Herstellung von Joghurt, Käse und Buttermilch oder auch zur Herstellung von Sauerkraut. Das Sauerwerden der Produkte trägt zur Konservierung bei, da es die Fäulnis verhindert. 16

5 Alkoholische Gärung Einführung in die Biochemie Bei der alkoholische Gärung wird das bei der Glycolyse gebildete Pyruvat unter anaeroben Bedingungen decarboxyliert. Es entsteht Ethanal, der enzymatisch weiter zu Ethanol reduziert wird. Dabei wird NADH + H + zu NAD + oxidiert. NADH + H + H H + 2 NAD + - H Pyruvatdecarboxylasdehydrogenase H Alkohol- H Pyruvat Ethanal Ethanol Durch die schnell ablaufende Gärungsreaktion wird das Pyruvat abgebaut und NAD + wieder regeneriert. 17

6 Alkoholische Gärung Der Energiegewinn beschränkt sich auf 2 mol ATP, die bei der Glykolyse der Kohlenhydrate anfallen. 6 H ADP + 2 P H 5 H + 2 ATP Die alkoholische Gärung ist ein Stoffwechselprozess, der von Hefezellen zur Energiegewinnung genutzt wird. Hefe besitzt die dazu notwendigen Enzyme Pyruvatcarboxylase und Alkoholdehydrogenase 18

7 Alkoholische Gärung Beispiel Bierherstellung Einführung in die Biochemie Quellung und Keimung der Gerstenkörner Stärke wird durch Enzyme zu Zucker Malz Hefepilze/Hefeenzyme steuern die Vergärung von Zucker zu Ethanol Glucose Hefeenzyme Ethanol H 12 6 Hefeenzyme 2 2 H 5 H