Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung ist ein wichtiger Stoffwechselprozess, der vorwiegend bei Hefen stattfindet. Der Name verrät dir wahrscheinlich auch schon, dass dieser Prozess auch bei der Bierbrauerei genutzt wird. Gärungen laufen generell immer ohne Sauerstoff ab.

Gärungen

In der Stoffwechselbiologie sind Gärungen Prozesse, bei denen organisches Material unter Energiegewinnung enzymatisch abgebaut wird. Wichtig zu wissen ist, dass bei Gärungen kein Sauerstoff vorhanden bzw. beteiligt ist!

Gärungen laufen also immer unter anaeroben Bedingungen ab und tragen allgemein zur Energiegewinnung von Organismen bei. Meistens sind es anaerobe Mikroorganismen, die aus Gärungen Energie gewinnen.

Ablauf der alkoholischen Gärung

Alkoholische Gärungen laufen nur in Anwesenheit von Hefeenzymen ab. Glucose wird zuerst in der Glykolyse zu 2 Molekülen Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut. Dabei werden 2 Moleküle ATP (Adenosintriphosphat) gebildet. 2 Moleküle funktionieren hierbei als Coenzyme und werden zu reduziert. Bei diesem Prozess handelt es sich um die Glykolyse.

Im Anschluss werden 2 Mol Pyruvat zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid decarboxyliert. Dabei wird Energie frei, was in Form von 2 Mol ATP gespeichert wird. Bei der Carboxylierung wird Kohlenstoffdioxid von Pyruvat abgespalten.

Reaktionsgleichung der Glykolyse und der alkoholischen Gärung

Hier wird die Reaktionsgleichung der Glykoylse in diesem Abschnitt mit der Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung zusammengefasst:

Ausgangsstoff ist hier also Glucose. Glucose wird während der Glykolyse und anschließend durch die alkoholische Gärung zu Ethanol abgebaut.

Glucose + 2 ADP + P reagieren mit Hefeenzymen zu Ethanol + 2 Kohlenstoffdioxid + 2 ATP.

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Die alkoholische Gärung besteht aus drei Schritten:

1. Glykolyse
2. Carboxylierung von Pyruvat
3. Reduktion von Acetaldehyd

In den nächsten Kapiteln kannst du die alkoholische Gärung Schritt für Schritt im Detail lesen. Du kannst dich dabei immer an Abbildung 1 orientieren.

Abbildung 1: Schema der alkoholischen Gärung
Quelle: pharmawiki.ch

1. Glykolyse

Glucose (-Körper) wird schrittweise zu zwei Molekülen Pyruvat (-Körper) abgebaut. Dabei wird zuerst Energie aufgewendet, dann aber auch wieder Energie gewonnen und in Form von ATP gespeichert. Insgesamt entstehen pro Mol Glucose 2 Mol ATP. Außerdem wird dabei das Coenzym zu reduziert.

Glucose + 2 ADP + P + 2 reagiert zu 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 + 2 Wasser

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Abbildung 2: Schema der GlykolyseQuelle: lernhelfer.de

In Abbildung 2 sieht es zuerst so aus, als würden 4 ATP bei der Glykolyse entstehen. Wenn du aber genauer hinschaust, werden 2 ATP verbraucht und in ADP + P umgewandelt. Daher kommen wir auf eine Energiebilanz von 2 gewonnen ATP-Molekülen.

2. Decarboxylierung von Pyruvat

Von Pyruvat wird eine Carboxylgruppe ($-COOH$) in Form von abgespalten. 2 Mol Pyruvat werden dabei zu 2 Mol Acetaldehyd (Ethanal) abgebaut. Das Enzym, das Pyruvat decarboxyliert heißt Pyruvatdecarboxylase. Thiaminpyrophosphat (TPP) ist bei dieser Reaktion das Coenzym.

Abbildung 3: Decarboxylierung von PyruvatQuelle: spektrum.de

Pyruvat reagiert mit Wasserstoffionen zu Acetaldehyd und Kohlenstoffdioxid.

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3. Reduktion von Acetaldehyd

Im Anschluss werden 2 Mol Acetaldehyd durch die Alkoholdehydrogenase mithilfe von zu 2 Mol Ethanol reduziert. oxidiert dabei zu . Diese Reaktion ist reversibel, kann also auch in die andere Richtung ablaufen. Ob die Reaktion in die entgegengesetzte Richtung abläuft, hängt von den Konzentrationsverhältnissen von Acetaldehyd und Ethanol ab. In Abbildung 4 findest du die Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol dargestellt.

Abbildung 4: Reduktion von AcetaldehydQuelle: spektrum.de

Acetaldehyd reagiert mit zu Ethanol und .

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Grund der alkoholischen Gärung

Organismen können durch die alkoholische Gärung auch ohne Sauerstoff Energie gewinnen. Dadurch wird die Glykolyse am Laufen gehalten. Die alkoholische Gärung ist zwar nicht so effektiv wie die aerobe Zellatmung, trotzdem werden pro Molekül Glucose 2 ATP gewonnen.

Während der alkoholischen Gärung allein wird kein ATP gebildet. Nur im vorherigen Schritt, der Glykolyse, wird tatsächlich Energie gewonnen.

Doch warum stoppt die Reaktionsfolge nicht nach der Glykolyse, wenn nur bei dieser Reaktionsfolge ATP entsteht? Die alkoholische Gärung hat primär den Zweck den Cofaktor NAD⁺ zu regenerieren, damit die Glykolyse weiterhin ablaufen kann. ${\mathrm{NAD}}^{+}$ wird nämlich von den Enzymen in der Glykolyse benötigt.

Alkoholische Gärung – Hefeenzyme

Wie du bereits gelernt hast, kann die alkoholische Gärung nur mithilfe von Hefeenzymen stattfinden. Wie bei jeder Reaktion, die durch Enzyme katalysiert wird, ist sie temperaturabhängig. Bei einer Temperatur bis zu 40 °C arbeiten Enzyme am effektivsten. Ist die Temperatur viel niedriger als 40 °C, wird weniger Substrat umgesetzt. Ist die Temperatur zu hoch, denaturieren die Enzyme.

Reaktionsort und Relevanz der alkoholischen Gärung

Die alkoholische Gärung läuft im Cytosol von Hefen (Hefepilzen) oder auch bei manchen Bakterien mithilfe von Hefeenzymen ab. Hefezellen sind eukaryotische Einzeller. Hefezellen ernähren sich von Glucose. Menschen nutzen den Prozess der alkoholischen Gärung schon seit langer Zeit, um Bier, Wein oder auch Backwaren herzustellen.

Nebenprodukte der alkoholischen Gärung

Bei der alkoholischen Gärung entstehen neben Ethanol auch andere Alkohole als Nebenprodukte, z. B. Methanol und Pentanol. Sie definieren den Begriff der Fuselalkohole. Allerdings werden diese Alkohole während des Herstellungsprozesses von alkoholhaltigen Getränken abgetrennt und entsorgt.