Gärung. Definition, Funktion und die verschiedenen Arten

Die Gärung

1.)Einleitung

2.)Hauptteil
a)Was ist Gärung?
b)Bedeutung von Gärung!
c)Wie funktioniert sie?
d)Endprodukte
e)Verschiedene Arten von Gärung:
- alkoholische Gärung
- Milchsäure Gärung
- propionsäure Gärung
- Buttersäure Gärung
- Essigsäure Gärung
- Vergärung von Eiweißstoffen
f)Vergleich von Gärung und Zellatmung

3.)Schluß

Die Gärung am Beispiel der Weingärung

Die Gärung

1.) Die Einleitung

Sieht sich ein Säugetier einer plötzlichen Gefahr gegenüber, so flieht es unter Einsatz aller verfügbaren Körperreserven. Die intensive Muskelarbeit führt jedoch schnell zu Sauerstoffmangel. Eine weitere Flucht wäre unmöglich, wenn der Organismus nicht andere Möglichkeiten der ATP- Produktion hätte. Alle Wirbeltiere sind in der Lage, ATP zu bilden, ohne dass Sauerstoff zur Verfügung steht. Diese Form der Dissimilation nennt man Gärung.

2.)Der Hauptteil

a) Was ist Gärung?

Gärung ist eine Form der Dissimilation, bei der energiereiche organische Stoffe schrittweise durch Enzyme zu energieärmeren Stoffen abgebaut werden, die Endprodukte sind noch energiehaltig.

b) Bedeutung von Gärung !

Eine Reihe von Gärungsprodukten spielt für die menschliche Ernährung eine Rolle, Fäulnis und Verwesung sind im Stoffkreislauf der Natur von Bedeutung.

c)Wie funktioniert sie ???

Die Gärung kommt völlig ohne Sauerstoff aus. Der coenzymgebundene Wasserstoff wird hier auf Moleküle übertragen, die beim Glucose- Abbau entstehen. Die Anhäufung dieser organischen Verbindungen, die mangels Sauerstoff nicht weiter abgebaut werden können, ist das charakteristische Merkmal dieser Stoffwechselwege.

d)Endprodukte

Entstehen bei der Gärung mehrere organische Endprodukte nebeneinander, so handelt es sich um eine heterofermentative GÄrung, entsteht im wesentlichen nur ein solches Produkt, wird die Gärung als homofermentativ bezeichnet.

e)Verschiedene Arten von Gärung

alkoholische Gärung

In der alkoholischen Gärung wird das Pyruvat in zwei Schritten zu Ethanol (Äthylalkohol) umgesetzt. In der ersten Reaktion wird aus dem Pyruvat Kohlendioxid abgespalten, so dass Acetaldehyd entsteht, eine Verbindung mit zwei Kohlenstoffatomen. Im zweiten Schritt wird der Acetaldehyd dann vom NADH zu Ethanol reduziert, wodurch das für die Glycolyse erforderliche NAD+ wieder hergestellt. Die alkoholische Gärung durch Hefepilze dient zum Bierbrauen und zur Branntweinherstellung. Auch viele Bakterien führen unter anaeroben (ohne Luft leben) Bedingungen die alkoholische Gärung durch.

Hefe können bei Anwesenheit von Sauerstoff auch atmen, d.h. Die sind fakultative Anaerobier. Obligate Anaerobier (wie z.B. Der Tetanusbazillus oder Schwefelbakterien) können nur unter sauerstofffreien Bedingungen leben.

Chemische Formel: C6H12O6 -> 2CH3 CH3 CH2OH 2CO2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Milchsäure Gärung

Bei der Milchsäure Gärung wird das Pyruvat von NADH unmittelbar zu Lactat reduziert, ohne dass Sauerstoff als Abfallprodukt entsteht (Lactat ist das Anion der Milchsäure). Die Milchsäuregärung durch bestimmte Pilze und Bakterien dient in der Lebensmittelindustrie zur Käse- und Joghurtherstellung. Bei anderen wirtschaftlich bedeutsamen Gärungsvorgängen produzieren Mikroorganismen zum Beispiel Methanol oder Aceton.

Menschliche Muskelzellen erzeugen ATP durch Milchsäuregärung, wenn der Sauerstoff knapp ist. Eine solche aerobiose tritt beispielsweise bei körperlicher Arbeit auf, wenn die Sauerstoffversorgung der Muskeln durch das Blut nicht mehr mit dem ATP- Verbrauch Schritt halten kann. Unter solchen Bedingungen stellen die Zellen sich von der aeroben Zellatmung auf Gärung um. Das Lactat, das sich als Produkt ansammelt, kann Muskelerschöpfung und Muskelkater verursachen (letzterer beruht auch noch auf mikroskopischen Muskelrissen), aber es wird allmählich -besonders in der Erholungsphase- vom Blut abtransportiert und zur Leber befördert. Die Leberzellen setzen das Lactat wieder zu Pyruvat um.

Chemische Formel: C6H12O6 -> 2CH3 CHOH COOH

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Buttersäure Gärung

Bei der Buttersäuregärung werden durch Buttersäurebakterien (überwiegend der Gattung Clostridium) Hexosen in Buttersäure umgewandelt. Die Buttersäuregärung hat praktische Bedeutung bei der Gewinnung von Buttersäure, durch die Vergärung von Kalziumlactat und bei der Flachsröste. Bei der Herstellung von Silage und bei der Naßfäule von Kartoffeln kann sie ungewollt auftreten.

Chemische Formel: C6H12O6 -> C3H7 CHOH +2CO2 + 2H2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Propionsäure Gärung

Die Propionsäuregärung, bei der Glukose (oder andere Substrate) in Propionsäure umgewandelt werden, erfolgt überwiegend durch Propionbakterien. Als Nebenprodukt entstehen Essigsäure und Kohlendioxid. Die Propionsäuregärung hat für das Reifen bestimmter Käsearten, z.B. Emmentaler Käse, Bedeutung. Technisch wird sie zur Gewinnung von Propionsäure genutzt.

Essigsäure Gärung

Die Essigsäuregärung ist eine im Vergleich zur Atmung unvollständige Oxidation, d.h. Der Abbau des Substrates erfolgt nicht bis zu den Endprodukten der Atmung (Kohlendioxid und Wasser), sondern nur bis zur Bildung eines unvollständig oxidierten Produktes, der Essigsäure.

Vergärung von Eiweißen

Wichtig ist die Vergärung von Eiweißstoffen, die als Fäulnis bezeichnet wird. Bei diesem für den Stoffkreislauf in der Natur außerordentlich wesentlichen Prozeß entstehen Ammoniak, Schwefelwasserstoff und andere Verbindungen.

f)VERGLEICH VON ZELLATMUNG UND GÄRUNG

Zellatmung und Gärung sind die grundlegenden Stoffwechselvorgänge für die Gewinnung der Energie, die die Organismen für die Lebensvorgänge (Wachstum, Bewegung,...)brauchen.

Bei beiden Vorgängen werden Glukose und andere organische Substrate mithilfe der Glycolyse zu Pyruvat oxidiert, wobei durch Substratkettenphosphorylierung netto zwei ATP- Moleküle entstehen. Und sowohl bei der Gärung als auch bei der Zellatmung ist NAD das Oxidationsmittel, das während der Glycolyse die Elektronen aus dem Substratmolekülen aufnimmt.

Ein entscheidener Unterschied betrifft jedoch den Mechanismus für die Rückgewinnung des NAD aus NADH, die zur Aufrechterhaltung der Glycolyse erforderlich ist. Bei der Gärung ist der endgültige Elektronenakzeptor ein organisches Molekül wie Pyruvat (Milchsäuregärung) oder Acetaldehyd (alkoholische Gärung). Bei der Zellatmung dagegen fließen die Elektronen letztlich zum Sauerstoff. Ein größerer Gewinn an ATP ergibt sich durch die Oxidation des Pyruvats im Citratzyklus, der nur bei der Zellatmung abläuft. Ohne Sauerstoff ist die im Pyruvat gespeicherte Energie für die Zelle nicht zugänglich. Deshalb wird bei der Zellatmung aus jedem Zuckermolekül sehr viel mehr Energie nutzbar gemacht als durch die Gärung.

Insgesamt liefert die Zellatmung 18mal soviel Energie wie die Gärung: 36 ATP- Moleküle im Vergleich zu den zwei ATP, die bei der Gärung durch die Substratkettenphosphorylierung entstehen.

Manche Lebewesen, zum Beispiel Hefen und viele Bakterien, können ihr ATP entweder durch Gärung oder durch Zellatmung gewinnen. Solche Organismen bezeichnet man als fakultative Anaerobier. Auch unsere

Muskeln verhalten sich fakultativ anaerob. Für sie alle gabelt sich der Stoffwechselweg beim Pyruvat in zwei katabole Reaktionsfolgen. Um die gleiche ATP- Menge herzustellen, würde ein fakultativer Anaerobier mit der Gärung viel mehr Glucose verbrauchen als mit der Zellatmung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.)Schluß

Die Gärung am Beispiel der Weingärung

Eine wichtige Methode der Alkoholherstellung besteht darin, den im Saft von Früchten enthaltenen Zucker oder die in den Getreide enthaltene Stärke mit Hilfe von Mikroorganismen zu „vergärung“. Dies ist wohl einer der ältesten Prozesse, den die Menschheit kennt und nutzt. So haben beispielsweise schon die alten Griechen Wein hergestellt und die Germanen aus dem Honig das alkoholhaltige Getränk Met bereitet. Wir wollen diesen chemischen Prozess am Beispiel der Weißweinherstellung erläutern.

Die Trauben werden zunächst durch eine Maschine geleitet, in der sie von den Stängeln befreit und leicht zerquetscht werden. Dann gibt man sie durch eine Presse. Den so gewonnenen Traubensaft füllt man in Fässer aus Holz, Beton, Edelstahl oder glasfaserverstärkten Kunststoffen. Hier setzt die Gärung ein. Sie wird durch Mikroorganismen, die so genannten Hefepilze, hervorgerufen. Diese sind bereits in der Schale der Traube enthalten. Vielfach fügt man dem Saft aber auch noch zusätzliche Hefekulturen bei. Bei der Vergärung wird der Zucker des Saftes in Alkohol und Kohlenstoffdioxid umgewandelt.

Normalerweise schreitet die Gärung solange fort, bis der gesamte Zucker in Alkohol umgewandelt ist. Erreicht der Alkoholgehalt allerdings einen Wert von mehr als 15 Vol.-%, so kommt der Prozess zum Stillstand, weil die Hefepilze abgetötet werden. In den meisten Fällen ist der Zuckergehalt allerdings nicht so hoch, dass dieser Prozentsatz erreicht wird, er könnte also vollständig vergoren werden. Will man erreichen, dass ein Teil des Zuckers erhalten bleibt, so muß man den Gärungsprozess vorzeitig abbrechen. Dies geschieht durch zusatz von Alkohol oder Schwefel oder durch eine entsprechende Filtration, bei der die Hefepilze entfernt werden. Ein so „gestoppter“ Wein ist süßer als ein ausgegorener. Allerdings ist er häufig - besonders wenn er zu stark „geschwefelt“ ist - nicht so gut bekömmlich.

Will man den Alkoholgehalt des entstehenden Gärungsproduktes erhöhen, so muß man dieses „destillieren“. Dies bedeutet, dass man beispielsweise den Wein erhitzt, wobei Alkohol und Wasser verdampfen. Zu beginn des Prozesses verdunstet vor allem der Alkohol. Dieser Dampf wird aufgefangen und durch Abkühlen kondensiert. Auf diese weise gewinnt man aus Wein den „Branntwein“, der bis zu 40 Prozent Alkohol enthält. Aus den Gärungsprodukten des Getreides gewinnt man so Schnaps.