Die Gewinnung von Energie aus organischen Verbindungen wie Glukose durch Oxidation unter Verwendung chemischer (meist organischer) Verbindungen aus dem Inneren einer Zelle als "Elektronenakzeptoren" wird genannt Fermentation.
Dies ist eine Alternative zur Zellatmung, bei der Elektronen von Glucose und anderen oxidierten Verbindungen auf einen von außerhalb der Zelle eingebrachten Akzeptor, typischerweise Sauerstoff, übertragen werden. Dies ist eine Alternative zur Zellatmung (ohne Sauerstoff kann keine Zellatmung erfolgen).
Fermentation vs. Zellatmung
Während die Fermentation unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffmangel) stattfinden kann, kann sie auch bei reichlich vorhandenem Sauerstoff erfolgen.
Hefen zum Beispiel ziehen die Fermentation der Zellatmung vor, wenn genügend Glukose zur Verfügung steht, um den Prozess zu unterstützen, auch wenn viel Sauerstoff zur Verfügung steht.
Glykolyse: Der Abbau von Zucker vor der Fermentation
Wenn energiereicher Zucker – insbesondere Glukose – in eine Zelle gelangt, wird er in einem Prozess namens Glykolyse abgebaut.
Glykolyse ist eine Voraussetzung sowohl für die Zellatmung als auch für die Fermentation.Es ist ein üblicher Weg für den Abbau von Zucker, der entweder zur Fermentation oder zur Gärung führen kann Zellatmung.
Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff
Die Glykolyse ist ein uralter biochemischer Prozess, der sehr früh in der Evolutionsgeschichte aufgetreten ist. Die Kernreaktionen für die Glykolyse wurden von Mikroorganismen lange vor der Entwicklung der Photosynthese "erfunden", die etwa 3,5. entstand Milliarden Jahren, aber es würde ungefähr 1,5 Milliarden Jahre dauern, um die Meere und die Atmosphäre mit einer nennenswerten Menge an Sauerstoff.
Somit sind selbst komplexe Eukaryoten (die biologische Domäne, die das Tier-, Pflanzen-, Pilz- und Protistenreich umfasst) in der Lage, ohne Atmung, ohne Sauerstoff usw. Energie zu produzieren. In Hefen, die zum Reich der Pilze gehören, werden die chemischen Produkte der Glykolyse fermentiert, um Energie für die Zelle zu gewinnen.
Von der Glykolyse zur Fermentation
Am Ende der Glykolyse ist die Sechs-Kohlenstoff-Struktur von Glucose in zwei Moleküle der Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens Pyruvat gespalten. Außerdem wird die Chemikalie NADH aus einer "oxidierten" Chemikalie namens NAD+ hergestellt.
In Hefe erfährt Pyruvat eine "Reduktion", die Aufnahme von Elektronen, die dann von dem zuvor bei der Glykolyse gebildeten NADH übertragen werden, um Acetaldehyd und Kohlendioxid zu ergeben.
Acetaldehyd wird dann weiter zu Ethylalkohol reduziert, dem Endprodukt der Gärung. Bei Tieren, einschließlich Menschen, kann Pyruvat fermentiert werden, wenn die Verfügbarkeit von Sauerstoff gering ist. Dies gilt insbesondere für Muskelzellen. Dabei werden zwar winzige Mengen Alkohol produziert, aber das meiste Pyruvat aus der Glykolyse wird nicht zu Alkohol, sondern zu. reduziert Milchsäure.
Während Milchsäure tierische Zellen verlassen und im Herzen zur Energiegewinnung verwendet werden kann, kann sie sich in den Muskeln ansammeln und Schmerzen verursachen und die sportliche Leistung verringern. Dies ist das "brennende" Gefühl, das Sie nach dem Heben von Gewichten, langem Laufen, Sprinten, Heben schwerer Kisten usw.
ATP und Energiegewinnung durch Fermentation
Der universelle Energieträger in Zellen ist eine Chemikalie, die als. bekannt ist ATP (Adenosintriphosphat). Bei Verwendung von Sauerstoff können Zellen ATP durch Glykolyse, gefolgt von Zellatmung, produzieren – so dass ein Molekül Glukosezucker je nach Zelltyp 36-38 Moleküle ATP ergibt.
Von diesen 36-38 ATP-Molekülen werden während der Glykolysephase nur zwei produziert. Wenn also die Fermentation als Alternative zur Zellatmung verwendet wird, produzieren Zellen viel weniger Energie als bei der Atmung. Unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen kann die Fermentation jedoch einen Organismus am Leben erhalten und überleben, da er sonst ohne Sauerstoff keine Atmung hätte.
Verwendungen für die Fermentation
Der Mensch nutzt den Fermentationsprozess zu unserem eigenen Vorteil, insbesondere wenn es um Speisen und Getränke geht. Brotbacken, Bier- und Weinherstellung, Essiggurken, Joghurt und Kombucha verwenden die Fermentationsprozess.