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Anaerobe Zellatmung

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Biologie

Bei der anaeroben Zellatmung handelt es sich um einen Stoffwechselweg, bei dem Energie gewonnen wird. Die anaerobe Zellatmung läuft ohne Sauerstoff ab. Organismen, die anaerobe Zellatmung zur Energiegewinnung nutzen, werden Anaerobier genannt. Man unterscheidet zwischen fakultativen Anaerobiern, obligaten Anaerobiern und aerotolerant Anaerobiern. Meistens handelt es sich bei diesem Mikroorganismen um Bakterien.

Zu der anaeroben Zellatmung gehören die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung.

Unter der anaeroben Zellatmung werden alle Stoffwechselwege zusammengefasst, die zur Energiegewinnung keinen Sauerstoff benötigen. Anaerobier sind Organismen, die über anaerobe Stoffwechselwege, d.h. unter Ausschluss von Sauerstoff, Energie gewinnen.

Fakultative Anaerobier

Fakultativ anaerobe Organismen benötigen nicht zwingend Sauerstoff, um Energie zu gewinnen. Sie können aber in Gegenwart von Sauerstoff ebenfalls existieren. Solche Organismen haben deswegen alternative Stoffwechselwege. Sobald Sauerstoff aber vorhanden ist, findet der aerobe Stoffwechselweg statt. Stoffwechselwege mit Sauerstoff sind nämlich deutlich effektiver und es kann mehr Energie in Form in ATP gespeichert werden.

Viele Hefen sind fakultativ anaerob.

Obligate Anaerobier

Obligate Anaerobier benötigen für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff. Die Anwesenheit von Sauerstoff würde sogar einige Prozesse hemmen oder die Organismen sogar abtöten. Daher brauchen sie einen Lebensraum mit sauerstoffarmen bis sauerstofffreie (anoxische) Bedingungen.

Obligate Anaerobier, für die Sauerstoff giftig ist, sind beispielsweise Buttersäurebakterien und Methanbakterien.

Aerotolerante Anaerobier

Aerotolerante Anaerobier sind eine Organismengruppe, die in Anwesenheit von Sauerstoff überleben können, ihn aber für ihren Stoffwechsel nicht benötigen. Sie können Sauerstoff also wortwörtlich tolerieren, da sie Schutzmechanismen gegen reaktive Sauerstoffmoleküle besitzen. Daher werden sie im Gegensatz zu obligaten Anaerobiern nicht geschädigt. Allerdings können aerotolerante Anaerobier Sauerstoff nicht in ihren Stoffwechsel einbinden.

Milchsäurebakterien sind ein gutes Beispiel für aerotolerante Anaerobier, denn sie können nur den Gärungsstoffwechselweg durchführen.

Milchsäuregärung

Die Milchsäuregärung findet beispielsweise in Muskelzellen statt, wenn bei einer hohen Belastung wenig oder kein Sauerstoff in den Zellen vorhanden ist. Aber auch Milchsäurebakterien betreiben Milchsäuregärung, um Energie zu gewinnen.

Ausgangsstoff der Milchsäuregärung ist Pyruvat (Brenztraubensäure). Dabei ist Pyruvat das energiereiche Endprodukt der Glykolyse und ein wichtiger Ausgangsstoff für verschiedene Stoffwechselwege.

Pyruvat ist über den Glucose-Alanin-Zyklus an der Bildung von Aminosäuren beteiligt.

In der Glykolyse wird 1 Mol Glucose in mehreren Reaktionsschritten zu 2 Mol Pyruvat abgebaut. Pyruvat ist ein -Körper, besitzt also 3 Kohlenstoffatome. Zur Erinnerung: Glucose hat 6 Kohlenstoffatome. Pyruvat ist ein wichtiges Stoffwechselprodukt, weil es entweder aerob oder anaerob abgebaut werden kann.

Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat zu Lactat umgewandelt. Lactat ist das Anion der Milchsäure und besteht auch aus 3 Kohlenstoffatomen. Genau genommen wird bei der Milchsäuregärung Pyruvat lediglich zu Lactat umgebaut. Im Prinzip werden 2 Wasserstoffatome an Pyruvat angehängt, wodurch Lactat entsteht. Lactat unterscheidet sich also nur in 2 Wasserstoffatomen zu Pyrvuat.

Beim Menschen ist Lactat ein Stoffwechselprodukt, das produziert wird, wenn kein Sauerstoff in den Muskeln verfügbar ist. Du kennst doch sicherlich das berühmte Brennen in den Muskeln, oder? Der Grund dafür ist der Anstau von Lactat in den Muskeln.

Bei der Umwandlung zu Lactat wird zu oxidiert. ist ein Coenzym in reduzierter oder oxidierter Form. Pyruvat wird gleichzeitig zu Lactat reduziert. Es handelt sich hierbei also um eine Redoxreaktion. wird regeneriert, um wieder bei der Glykolyse eingesetzt zu werden. Es dient als Elektronen- und Wasserstoffakzeptor.

Coenzyme helfen bei der Katalyse von Reaktionen und werden dabei in ihrer chemischen Struktur verändert. Deswegen müssen sie aber auch wieder regeneriert werden. Sie bilden sich nach der Reaktion nicht von allein zurück. Coenzyme unterschieden sich also von Enzymen, die ihre Struktur bei der Katalyse einer Reaktion nicht verändern.

In Redoxreaktionen laufen Oxidation und Reduktion gleichzeitig ab. Dabei werden Elektronen übertragen. Der oxidierte Stoff gibt Elektronen an den reduzierten Stoff ab. Dadurch erhöht sich die Oxidationszahl des oxidierten Stoffes. Das mag jetzt paradox klingen, aber durch die Aufnahme von Elektronen durch den reduzierten Stoff verringert sich seine Oxidationszahl.

In Abbildung 1 ist eine kurze Übersicht über die Milchsäuregärung (inkl. der Glykolyse) abgebildet.

anaerobe Zellatmung Milchsäuregärung StudySmarterAbbildung 1: MilchsäuregärungQuelle: wikipedia.org

Reaktionsgleichung der Milchsäuregärung (inkl. Glykolyse)

Glucose wird durch die Glykolyse und Milchsäuregärung zu Laktat abgebaut. Dabei entstehen 2 ATP.

anaerobe Zellatmung Milchsäuregärung Reaktionsgleichung  StudySmarter

Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung findet vor allem in Hefezellen statt. Hierbei wird Pyruvat aus dem Abbau von Glucose zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Der Mensch benutzt diesen Prozess schon seit langem für die Herstellung von alkoholischen Getränken wie Bier oder bei der Herstellung von Brot.

Auch hierbei beginnt der Abbau von Glucose zuerst zu Pyruvat in der Glykolyse. Dabei wird kein Sauerstoff benötigt. In weiteren Reaktionen der aeroben Zellatmung würde aber Sauerstoff zur Oxidation gebraucht werden. Da bei der Gärung kein Sauerstoff vorhanden ist, wird Pyruvat stattdessen durch alternative Wege abgebaut. Bei der alkoholischen Gärung wird Pyruvat dann zu Ethanol (Trinkalkohol) abgebaut.

Bei der alkoholischen Gärung wird Pyruvat zuerst zu Acetaldehyd (Ethanal), einem -Körper, decarboxyliert, indem Kohlenstoffdioxid abgespalten wird. Anschließend wird Acetaldehyd von der Alkoholdehydrogenase mithilfe von zu Ethanol umgewandelt. Hierbei wird wieder zu oxidiert und für die Glykolyse zur Verfügung gestellt.

Die beteiligten Enzyme an der alkoholischen Gärung sind zum einen die Pyruvatdecarboxylase und die Alkoholdehydrogenase. Die Pyruvatdecarboxylase katalysiert die Abspaltung einer Carboxylgruppe (-COOH) von Pyruvat. Die Alkoholdehydrogenase katalysiert das Anhängen von 2 Wasserstoffatomen an Acetaldehyd, sodass Ethanol entsteht.

Unter einer Decarboxylierung versteht man die Abspaltung einer Carboxylgruppe (-COOH) von einem organischen Molekül.

In Abbildung 2 ist die alkoholische Gärung schematisch abgebildet, damit du anhand der Strukturformeln nachvollziehen kannst, wie die Moleküle abgebaut bzw. umgewandelt werden.

anaerobe Zellatmung alkoholische Gärung StudySmarterAbbildung 2: Alkoholische GärungQuelle: wikipedia.org

Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung (inkl. Glykolyse)

Glucose wird durch die Glykolyse und alkoholische Gärung zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Dabei können 2 Mol ATP gewonnen werden.

anaerobe Zellatmung alkoholische Gärung Reaktionsgleichung StudySmarter

Vergleich anaerobe und aerobe Zellatmung

Im Folgenden stellen wir die anaerobe der aeroben Zellatmung gegenüber und arbeiten Gemeinsamkeiten und Unterschiede heraus.

Gemeinsamkeiten der anaeroben und aeroben Zellatmung

  • Die Glykolyse findet bei beiden Prozessen, aerober und anaerober Zellatmung, statt. Glucose wird in mehreren Schritten zu Pyruvat abgebaut. Die dabei freiwerdende Energie wird in Elektronenakzeptor-Molekülen und ATP gespeichert. Bei der anaeroben Zellatmung ist kein Sauerstoff in der Umgebung vorhanden. Die Prozesse laufen also ohne Sauerstoff ab. Statt der oxidativen Decarboxylierung zu Acetyl-CoA folgen bei der anaeroben Zellatmung nun entweder die alkoholische Gärung oder die Milchsäuregärung.
  • Die Gemeinsamkeit beider Gärungsprozesse ist unter anderem, dass kein ATP während der Gärungen generiert wird.

Elektronenakzeptoren sind Verbindungen oder Atome, die Elektronen aufnehmen.

Unterschiede der anaeroben und aeroben Zellatmung

  • Bei der anaeroben Zellatmung ist kein Sauerstoff vorhanden, während bei der aeroben Zellatmung Sauerstoff vorhanden ist und als Elektronenakzeptor dient.
  • Bei der alkoholischen Gärung, die bei Hefen stattfindet, wird aus Pyruvat Ethanol und Kohlenstoffdioxid synthetisiert.
  • Bei der Milchsäuregärung, die beispielsweise in menschlichen Muskelzellen stattfinden kann, wird aus Pyruvat Laktat gebildet.
  • Ein weiterer Unterschied zwischen der aeroben und anaeroben Zellatmung ist außerdem, dass bei Anwesenheit von Sauerstoff viel mehr ATP generiert werden kann, ca. 32 ATP. Bei der anaeroben Zellatmung werden nur die 2 ATP-Moleküle aus der Glykolyse synthetisiert.
  • wird bei der anaeroben Zellatmung für die Glykolyse regeneriert, während bei der aeroben Zellatmung als Elektronentransporter fungiert und in der Atmungskette schließlich zur Synthese von ATP genutzt wird.

Fazit des Vergleichs

Der größter Unterschied, der die anaerobe Zellatmung von aeroben abgrenzt, ist, dass kein Sauerstoff vorhanden ist und deutlich weniger ATP produziert wird. Beide Stoffwechselwege beinhalten aber die Glykolyse.

In der untenstehenden Tabelle kannst du die Gemeinsamkeiten und Unterschiede im direkten Vergleich nachvollziehen.

Tabelle 1: Vergleich der anaeroben und aeroben Zellatmung

MilchsäuregärungAlkoholische GärungAerobe Zellatmung
Ausgangsstoffe(Glucose →) Pyruvat(Glucose →) Pyruvat(Glucose →) Pyruvat
Sauerstoff✔Dient als Elektronen-Akzeptor
Glykolyse✔2 ATP✔2 ATP✔2 ATP
Wird für Glykolyse regeneriertWird für Glykolyse regeneriert als Elektronentransporter zur Synthese von ATP in der Atmungskette
ProdukteLaktatEthanol + Kohlenstoffdioxid + WasserKohlenstoffdioxid + Wasser
ATP✔30 ATP aus Citratzyklus und Atmungskette (+2 ATP aus Glykolyse)
ATP-Bilanz2 ATP (aus der Glykolyse)2 ATP (aus der Glykolyse)32 ATP

anaerobe Zellatmung - Das Wichtigste

  • Bei der anaeroben Zellatmung ist kein Sauerstoff vorhanden.
  • Der Prozess dient Hefen, anderen Mikroorganismen und Zellen zur Energiegewinnung.
  • Es wird in fakultative Anaerobier, obligate Anaerobier und aerotolerante Anaerobier unterschieden. Fakultative Anaerobier können auch Sauerstoff für ihren Stoffwechsel nutzen. Obligate Anaerobier benötigen sauerstofffreie Bedingungen. Aerotolerante Anaerobier können Sauerstoff zwar nicht nutzen, tolerieren aber seine Anwesenheit.
  • Zur anaeroben Zellatmung gehören die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung.
  • Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat aus der Glykolyse zu Laktat umgewandelt.
  • Während der alkoholischen Gärung wird Pyruvat zu Acetaldehyd (Ethanal) decarboxyliert. Acetaldehyd wird dann zu Ethanol umgewandelt.
  • Der größter Unterschied zwischen der anaeroben und aeroben Zellatmung ist, dass kein Sauerstoff vorhanden ist und deutlich weniger ATP produziert wird. Die größte Gemeinsamkeit ist, dass bei beiden Stoffwechselwegen die Glykolyse stattfindet.

Anaerobe Zellatmung

Die anaerobe Zellatmung ist ein Stoffwechselweg, bei dem kein Sauerstoff benötigt wird. Durch Gärungen kann Energie für den Organismus bzw. Mikroorganismen gewonnen werden.

Beispiel für die anaerobe Zellatmung sind die Milchsäuregärung bzw. die Entstehung von Laktat in Muskelzellen während hoher Belastung oder die alkoholische Gärung, die für das Bierbrauen von Menschen genutzt wird.

Die anaerobe Zellatmung findet im Cytosol von Bakterien bzw. im Cytoplasma von eukaryotischen Zellen statt.

Bei beiden Stoffwechselwegen der anaeroben Zellatmung läuft zuerst die Glykolyse ab. Danach wird Pyrvuat entweder zu Laktat abgebaut (Milchsäuregärung) oder zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (alkoholische Gärung).

Finales Anaerobe Zellatmung Quiz

Frage

Wo findet die Milchsäuregärung statt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Milchsäuregärung findet in der Matrix der Mitochondrien statt.


Frage anzeigen

Frage

Wie viel Energie entsteht bei der Milchsäuregärung?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Milchsäuregärung an sich entsteht kein ATP, allerdings werden bei der vorausgehenden Glykolyse 2 ATP gebildet.

Frage anzeigen

Frage

Wie heißt das Enzym, das die Milchsäuregärung katalysiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert heißt Lactatdehydrogenase.

Frage anzeigen

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.

Frage anzeigen

Frage

In welchen Geweben/Zellen findet die Milchsäuregärung statt?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Bei menschlichen Muskelzellen
  • Bei Bakterien, wie z.B. Milchsäurebakterien
Frage anzeigen

Frage

Wann findet die Milchsäuregärung statt?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei menschlichen Muskelzellen findet die Milchsäuregärung statt, wen nicht genügend Sauerstoff für die Energiebereitstellung vorhanden ist.

Bei Milchsäurebakterien zum Beispiel dient die Milchsäuregärung zur Energiegewinnung im Stoffwechsel.

Frage anzeigen

Frage

Welche Lebensmittel werden mit der Hilfe von Milchsäurebakterien produziert?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Sauermilchprodukte wie Kefir und Joghurt
  • Sauerkraut
Frage anzeigen

Frage

Warum ist die Milchsäuregärung wichtig für die Glykolyse? 

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Milchsäuregärung wird das Coenzym NAD+ wieder regeneriert, was für die Glykolyse unabdingbar ist. Die Milchsäuregärung ist also wichtig, damit die Glykolyse weiter ablaufen kann. Dadurch wird eine geringe Menge an Energie in Form von ATP stetig bereitgestellt.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Stoff ist ein Endprodukt der heterofermentativen Milchsäuregärung?

Antwort anzeigen

Antwort

Laktat

Frage anzeigen

Frage

Welcher Stoff ist ein Endprodukt der homofermentativen Milchsäuregärung?

Antwort anzeigen

Antwort

Ethanol

Frage anzeigen

Frage

Was ist die anaerobe Zellatmung?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Stoffwechselprozess ohne Sauerstoff
  • Milchsäuregärung bzw. alkoholische Gärung
Frage anzeigen

Frage

Was sind Anaerobier?

Antwort anzeigen

Antwort

Anaerobier sind Organismen, die über anaerobe Stoffwechselwege, d.h. unter Ausschluss von Sauerstoff, Energie gewinnen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz was fakultative Anaerobier ausmacht.


Antwort anzeigen

Antwort

  • benötigen nicht zwingend Sauerstoff, um Energie zu gewinnen
  • können aber in Gegenwart von Sauerstoff ebenfalls leben
  • können zwischen anaeroben und aeroben Stoffwechselweg wechseln
Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel für fakultative Anaerobier.

Antwort anzeigen

Antwort

Hefen sind typischerweise fakultativ anaerob.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz, was obligate Anaerobier ausmacht.

Antwort anzeigen

Antwort

  • benötigen für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff
  • Sauerstoff ist sogar schädlich für obligate Anaerobier
  • benötigen einen sauerstoffarmen Lebensraum
Frage anzeigen

Frage

Nenne bitte ein Beispiel für obligate Anaerobier.

Antwort anzeigen

Antwort

Methanbakterien sind obligate Anaerobier.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet "aerotolerante Anaerobier"?

Antwort anzeigen

Antwort

  • benötigen keinen Sauerstoff
  • tolerieren Sauerstoff in der Umgebung
  • können Sauerstoff aber nicht nutzen
Frage anzeigen

Frage

Gib bitte ein Beispiel für aerotolerante Anaerobier an.

Antwort anzeigen

Antwort

Milchsäurebakterien sind aerotolerante Anaerobier.

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Mol ATP entstehen bei der Milchsäuregärung (ohne Glykolyse)?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Milchsäuregärung allein entsteht kein ATP.

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Mol entstehen bei der alkoholischen Gärung (ohne Glykolyse)?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der alkoholischen Gärung allein entsteht kein ATP.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussagen sind richtig?

Antwort anzeigen

Antwort

Laktat ist der Ausgangsstoff der Milchsäuregärung.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussage ist falsch?

Antwort anzeigen

Antwort

NADH + H+ dient als Elektronenakzeptor bei der aeroben Zellatmung

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