Anaerobe Zellatmung

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.

Anaerobe Zellatmung: 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.

Anaerobe Zellatmung: 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.

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.

In der Glykolyse wird 1 Mol Glucose in mehreren Reaktionsschritten zu 2 Mol Pyruvat abgebaut. Pyruvat ist ein ${\mathrm{C}}_3$-Körper, besitzt also drei Kohlenstoffatome. Zur Erinnerung: Glucose hat sechs 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 drei Kohlenstoffatomen. Genau genommen wird bei der Milchsäuregärung Pyruvat lediglich zu Lactat umgebaut. Im Prinzip werden zwei Wasserstoffatome an Pyruvat angehängt, wodurch Lactat entsteht. Lactat unterscheidet sich also nur in zwei Wasserstoffatomen zu Pyrvuat.

Bei der Umwandlung zu Lactat wird $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ zu ${\mathrm{NAD}}^{+}$ oxidiert. ${\mathrm{NAD}}^{+}$ wird regeneriert, um wieder bei der Glykolyse eingesetzt zu werden. Es dient als Elektronen- und Wasserstoffakzeptor.

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

Abbildung 1: MilchsäuregärungQuelle: wikipedia.org

Reaktionsgleichung der Milchsäuregärung (inkl. Glykolyse)

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

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+2\mathrm{ADP}+2{\mathrm{P}}_{\mathrm{i}}\to 2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{{\mathrm{O}}_3}^{-}+2\mathrm{ATP}$

Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung findet vorwiegend 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 ${\mathrm{C}}_2$-Körper, decarboxyliert, indem Kohlenstoffdioxid abgespalten wird. Anschließend wird Acetaldehyd von der Alkoholdehydrogenase mithilfe von $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ zu Ethanol umgewandelt. Hierbei wird $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$wieder zu ${\mathrm{NAD}}^{+}$ 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 zwei Wasserstoffatomen an Acetaldehyd, sodass Ethanol entsteht.

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

Abbildung 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.

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+2\mathrm{ADP}+2{\mathrm{P}}_{\mathrm{i}}\to 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}+2{\mathrm{CO}}_2+2\mathrm{ATP}$

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 frei werdende 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.

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 Lactat 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.

• ${\mathrm{NAD}}^{+}$ wird bei der anaeroben Zellatmung für die Glykolyse regeneriert, während bei der aeroben Zellatmung $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ als Elektronentransporter fungiert und in der Atmungskette schließlich zur Synthese von ATP genutzt wird.

Fazit des Vergleichs

Der größte 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 unten stehenden Tabelle kannst du die Gemeinsamkeiten und Unterschiede im direkten Vergleich nachvollziehen.

Tabelle 1: Vergleich der anaeroben und aeroben Zellatmung