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Gärung: Energie ohne Sauerstoff verstehen
Gärung ermöglicht Zellen, auch ohne Sauerstoff weiterhin etwas ATP zu bilden. Ihr entscheidender Nutzen: Sie regeneriert $NAD^+$, damit die Glykolyse nicht zum Stillstand kommt.
Auf dieser Seite lernst du, warum Gärung nötig sein kann, wie Milchsäure- und alkoholische Gärung ablaufen und wie du beide Wege von der Zellatmung unterscheidest.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum Zellen Gärung brauchen
Zellen benötigen Energie für Bewegung, Wachstum, Stofftransport und viele weitere Vorgänge. Einen Teil dieser Energie übertragen sie mithilfe von ATP, dem Adenosintriphosphat.
Gärung
Gärung ist ein enzymatisch gesteuerter Stoffwechselweg ohne Sauerstoff. Sie folgt auf die Glykolyse, läuft im Cytosol ab und ermöglicht die weitere Bildung von ATP aus Glucose.
Bei der Gärung wird Glucose nur unvollständig abgebaut. Deshalb bleiben die Endprodukte Lactat oder Ethanol energiereich. Pro Glucose entstehen lediglich die 2 ATP der Glykolyse; der anschließende Gärungsschritt liefert kein weiteres ATP.
Die Gärung erzeugt nach der Glykolyse kein zusätzliches ATP. Sie hält die ATP-Bildung am Laufen, indem sie $NAD^+$ zurückgewinnt.
Glykolyse und NAD⁺ bilden den gemeinsamen Anfang
Sowohl die Milchsäure- als auch die alkoholische Gärung beginnen mit der Glykolyse. Dabei wird ein Glucosemolekül im Cytosol in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt.
Vereinfacht gilt:
Glucose → 2 Pyruvat + 2 ATP
Während dieses Vorgangs nimmt das Coenzym $NAD^+$ Elektronen und Wasserstoff auf. Es wird dabei zu $NADH + H^+$ reduziert.
Coenzym
Ein Coenzym ist ein Hilfsstoff für Enzyme. $NAD^+$ transportiert bei Stoffwechselreaktionen Elektronen und Wasserstoff.
Ohne Sauerstoff kann die Atmungskette das entstandene $NADH$ nicht ausreichend zurückverwandeln. Dann würde $NAD^+$ knapp und die Glykolyse käme zum Erliegen. Bei der Gärung gibt $NADH$ seine aufgenommenen Elektronen und seinen Wasserstoff an ein Zwischenprodukt ab. Dadurch entsteht erneut $NAD^+$.
Stelle dir eine Zelle mit zehn verfügbaren $NAD^+$-Teilchen vor. Würden diese in der Glykolyse nach und nach zu $NADH$ reduziert und nicht regeneriert, fehlte bald $NAD^+$. Durch den Gärungsschritt wird es wieder verfügbar und kann erneut an der Glykolyse teilnehmen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der Glykolyse wird zu Pyruvat abgebaut. Dabei entstehen netto ATP pro Glucose. Der anschließende Gärungsschritt regeneriert .
Milchsäuregärung bildet Lactat
Bei der Milchsäuregärung überträgt $NADH + H^+$ Elektronen und Wasserstoff direkt auf Pyruvat. Dabei entstehen Lactat und wiederverwendbares $NAD^+$.
Der Gärungsschritt lautet vereinfacht:
2 Pyruvat + $2\,NADH + 2\,H^+$ → 2 Lactat + 2 $NAD^+$
Das Enzym Lactatdehydrogenase beschleunigt diese Reaktion. Es wird kein Kohlenstoffdioxid abgespalten.
Lactat ist das Anion der Milchsäure. Im biologischen Zusammenhang ist deshalb die Bezeichnung Lactat meist genauer als Milchsäure.
Milchsäurebakterien nutzen diesen Weg beispielsweise bei der Herstellung von Joghurt, Käse, Sauermilchprodukten und Sauerkraut. Auch Muskelzellen können bei hoher Belastung und unzureichender Sauerstoffversorgung Lactat bilden.
Ein Milchsäurebakterium gewinnt zunächst durch Glykolyse 2 ATP aus einer Glucose. Danach reduziert es die zwei entstandenen Pyruvatmoleküle zu Lactat. So gewinnt es $NAD^+$ zurück und kann weitere Glucose abbauen.
Alkoholische Gärung bildet Ethanol und Kohlenstoffdioxid
Bei der alkoholischen Gärung wird Pyruvat in zwei Schritten umgewandelt. Vor allem Hefen nutzen diesen Weg.
- Das Enzym Pyruvatdecarboxylase spaltet von jedem Pyruvat Kohlenstoffdioxid ab. Dabei entsteht Acetaldehyd, auch Ethanal genannt.
- Das Enzym Alkoholdehydrogenase überträgt Elektronen und Wasserstoff von $NADH + H^+$ auf Acetaldehyd. Es entstehen Ethanol und $NAD^+$.
Die vereinfachten Schritte lauten:
2 Pyruvat → 2 Acetaldehyd + 2 $CO_2$
2 Acetaldehyd + $2\,NADH + 2\,H^+$ → 2 Ethanol + 2 $NAD^+$
Als Gesamtübersicht ohne Zwischenschritte:
$C_6H_{12}O_6$ → 2 $C_2H_5OH$ + 2 $CO_2$
Die 2 ATP entstehen auch hier in der vorhergehenden Glykolyse.
Im Brotteig vergärt Hefe Zucker. Das entstehende Kohlenstoffdioxid bildet Gasblasen und vergrößert das Teigvolumen. Bei der Herstellung von Bier und Wein ist dagegen auch das entstehende Ethanol ein gewünschtes Produkt.
Gärungswege und Zellatmung unterscheiden
Milchsäure- und alkoholische Gärung erfüllen dieselbe Grundaufgabe, enden aber mit unterschiedlichen Stoffen.
| Merkmal | Milchsäuregärung | Alkoholische Gärung |
|---|---|---|
| Endprodukt | Lactat | Ethanol |
| Kohlenstoffdioxid | wird nicht abgespalten | wird abgespalten |
| typisches Beispiel | Milchsäurebakterien, Muskelzellen | Hefen |
| Regeneration | $NADH$ wird zu $NAD^+$ | $NADH$ wird zu $NAD^+$ |
| ATP pro Glucose | 2 aus der Glykolyse | 2 aus der Glykolyse |
Auch Gärung und Zellatmung beginnen mit der Glykolyse. Danach unterscheiden sie sich deutlich:
| Merkmal | Gärung | Zellatmung |
|---|---|---|
| Sauerstoffbedarf | ohne Sauerstoff möglich | aerobe Schritte benötigen Sauerstoff |
| Ort | Cytosol | Glykolyse im Cytosol, weitere Schritte in Mitochondrien |
| Glucoseabbau | unvollständig | vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser |
| ATP-Ausbeute | 2 ATP pro Glucose | wesentlich höher |
| verbleibende Energie | viel Energie in Lactat oder Ethanol | deutlich mehr Energie nutzbar gemacht |
Für die Zellatmung werden je nach Bilanzierungsweise unterschiedliche genaue ATP-Zahlen angegeben. Für den Vergleich reicht die sichere Aussage: Zellatmung liefert wesentlich mehr ATP als Gärung.
Da Enzyme die Gärung steuern, beeinflussen äußere Bedingungen ihren Ablauf. Mit steigender Temperatur können Reaktionen zunächst schneller werden. Bei zu hoher Temperatur verändert sich jedoch die räumliche Struktur der Enzyme. Diese Denaturierung vermindert oder beendet ihre Funktion. Auch der pH-Wert beeinflusst die Enzymaktivität.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Gärung
- läuft ohne Sauerstoff im Cytosol ab
- beginnt mit Glykolyse und liefert 2 ATP
- regeneriert NAD⁺ aus NADH
- bildet bei Milchsäuregärung Lactat
- bildet bei alkoholischer Gärung Ethanol und Kohlenstoffdioxid
- baut Glucose unvollständig ab
- hängt von der Aktivität beteiligter Enzyme ab
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du den folgenden Zusammenhang erklären kannst: Sauerstoffmangel verhindert die normale NAD⁺-Regeneration durch die Atmungskette; Gärung regeneriert NAD⁺ auf anderem Weg; dadurch kann die Glykolyse weiterhin 2 ATP pro Glucose liefern.