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Alkoholische Gärung

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Biologie

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.


Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose unter anaeroben Bedingungen, d. h. ohne Anwesenheit von Sauerstoff, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Hefen nutzen diesen Prozess zur Energiegewinnung.



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. 


Decarboxylierung ist eine chemische Reaktion, bei der ein Molekül Kohlenstoffdioxid abgespalten wird. Das bedeutet, dass ein C-Atom und zwei Sauerstoffatome aus der Verbindung abgespalten werden.


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.


(alkoholische Gärung Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung StudySmarter)


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.


alkohlische Gärung Schema der alkoholischen Gärung StudySmarterAbbildung 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.


Pyruvat ist auch unter dem Synonym Brenztraubensäure bekannt.


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


(alkoholische Gärung Reaktionsgleichung der Glykolyse StudySmarter)


alkoholische Gärung Schema der Glykolyse StudySmarterAbbildung 2: Schema der Glykolyse
Quelle: 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 () 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.


alkoholische Gärung Decarboxylierung von Pyruvat StudySmarterAbbildung 3: Decarboxylierung von Pyruvat
Quelle: spektrum.de


Pyruvat reagiert mit Wasserstoffionen zu Acetaldehyd und Kohlenstoffdioxid.


(alkoholische Gärung Reaktionsgleichung der Carboxylierung von Pyruvat StudySmarter)


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.


Ein Szenario, bei dem Ethanol zu Acetaldehyd umgebaut wird, ist der Abbau bzw. die Entgiftung von Alkohol in der Leber beim Menschen. Acetaldehyd ist giftig und führt unter anderem zu dem berühmten "Kater". Acetaldehyd wird dann durch die Acetaldehyddehydrogenase zu Essigsäure abgebaut.


alkoholische Gärung Reduktion von Acetaldehyd StudySmarterAbbildung 4: Reduktion von Acetaldehyd
Quelle: spektrum.de


Acetaldehyd reagiert mit  zu Ethanol und .


(alkoholische Gärung Reaktionsgleichung der Reduktion von Acetaldehyd StudySmarter)


Du fragst dich bestimmt, warum Acetaldehyd reduziert wird, obwohl doch zwei Wasserstoffatome dazu kommen? Reduzieren bedeutet in der Chemie, dass der Stoff Elektronen aufnimmt. Was sich aber bei der Elektronenaufnahme reduziert, ist die Oxidationszahl des Stoffes.



Zweck 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.  wird nämlich von den Enzymen in der Glykolyse benötigt.



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. 


Denaturieren ist die Änderung der Enzymstruktur. Enzyme können das Substrat dann nicht mehr binden und umsetzen. Wenn die Temperatur nur geringfügig höher ist, kann die Denaturierung wieder rückgängig gemacht werden, d. h. sie ist reversibel. In den meisten Fällen ist die Denaturierung aber irreversibel und das Enzym ist zerstört.



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. 



Alkoholische Gärung - Das Wichtigste


  • Die alkoholische Gärung läuft bei Hefezellen (und manchen Bakterien) im Cytosol ab. Der Prozess findet nur mithilfe von Hefeenzymen statt.
  • Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid unter anaeroben Bedingungen abgebaut.
  • Die Reaktionen können in 3 Teilschritte unterteilt werden: Glykolyse, Carboxylierung von Pyruvat und Reduktion von Acetaldehyd.
  • Die Pyruvatdecarboxylase katalysiert die Reaktion von Pyruvat zu Acetaldehyd (Ethanal) unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid.
  • Das Enzym Alkoholdehydrogenase reduziert mithilfe von  Acetaldehyd zu Ethanol.
  • Bei der vorgeschalteten Glykolyse werden 2 ATP gewonnen. Bei der alkoholischen Gärung wird  zu  regeneriert, sodass die Glykolyse weiterhin ablaufen kann.


Häufig gestellte Fragen zum Thema Alkoholische Gärung

Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose unter anaeroben Bedingungen, d.h. ohne Anwesenheit von Sauerstoff, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut.

Die alkoholische Gärung läuft im Cytosol von Hefezellen (Hefepilzen) oder auch bei manchen Bakterien mithilfe von Hefeenzymen ab.

Die alkoholische Gärung beim Bierbrauen kann 6- 10 Wochen dauern. Wenn der Alkoholgehalt bei ca. 15% ist, hören Hefezellen auf, Glucose zu Ethanol umzusetzen.

Alkohlische Gärung entsteht, wenn kein Sauerstoff für die Energiegewinnung bei Hefezellen oder manchen Bakterien vorhanden ist. Dann wird zwar weniger effektiv Energie gewonnen, allerdings wird die Glykolyse am Laufen gehalten.

Finales Alkoholische Gärung Quiz

Frage

Erkläre kurz, was bei der alkoholische Gärung passiert.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose unter anaeroben Bedingungen, d.h. ohne Anwesenheit von Sauerstoff, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut.

Frage anzeigen

Frage

Was weißt du über Gärungen im Allgemeinen? Gib 3 wichtige Merkmale an.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Organisches Material wird enzymatisch abgebaut
  • Es ist kein Sauerstoff beteiligt.
  • Gärungen tragen zur Energiegewinnung von Organismen bei.
Frage anzeigen

Frage

Wie viel ATP wird bei der alkoholischen Gärung synthetisiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der alkoholischen Gärung allein wird kein ATP generiert, allerdings werden bei der davorgeschalteten Glykolyse 2 ATP gebildet.

Frage anzeigen

Frage

Bitte erkläre den Zweck der alkoholischen Gärung.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Auch ohne Sauerstoff Energie gewinnen
  • Cofaktors NAD+ regenerieren
  • Glykolyse wird am Laufen halten 
Frage anzeigen

Frage

Wo läuft die alkoholische Gärung ab?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Im Cytosol von Hefen (Hefepilzen)
Frage anzeigen

Frage

Gibt es auch Nebenprodukte bei der alkoholischen Gärung? Nenne kurz 2 Beispiel-Nebenprodukte.

Antwort anzeigen

Antwort

Fuselalkohole wie

  • Methanol 
  • und Pentanol
Frage anzeigen

Frage

In welche Teilschritte wird die alkoholische Gärung unterteilt?

Antwort anzeigen

Antwort

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

Frage

Erkläre kurz was unter einer Reduktion in der Chemie verstanden wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Reduzieren bedeutet in der Chemie, dass der Stoff Elektronen aufnimmt. Was sich aber bei der Elektronenaufnahme reduziert, ist die Oxidationszahl des Stoffes.

Frage anzeigen

Frage

Wofür ist der Prozess der alkoholischen Gärung für uns Menschen nützlich?

Antwort anzeigen

Antwort

Menschen nutzen den Prozess der alkoholischen Gärung schon seit langer Zeit, um Bier, Wein oder auch Backwaren herzustellen.

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