Was passiert, wenn am Ende der langsamen Glykolyse kein Sauerstoff zur Verfügung steht?

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung und benötigt keinen Sauerstoff, um fortzufahren. Die Glykolyse wandelt ein Zuckermolekül in zwei Pyruvatmoleküle um, wobei auch jeweils zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) produziert werden. Wenn Sauerstoff fehlt, kann eine Zelle die Pyruvate durch den Fermentationsprozess verstoffwechseln.

ATP ist das Energiespeichermolekül der Zelle, während NADH und seine oxidierte Version, NAD+, an den Zellreaktionen teilnehmen, bei denen Elektronen übertragen werden, den sogenannten Redoxreaktionen. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, kann die Zelle erhebliche chemische Energie gewinnen, indem sie Pyruvat durch den Zitronensäurezyklus abbaut, der NADH wieder in NAD+ umwandelt. Ohne Oxidation muss die Zelle Fermentation verwenden, um NADH zu oxidieren, bevor es sich auf ungesunde Werte aufbaut.

Pyruvat ist ein Drei-Kohlenstoff-Molekül, das das Enzym Laktatdehydrogenase durch den als homolaktische Fermentation bekannten Prozess in Laktat umwandelt. Dabei wird NADH zu NAD+ oxidiert, das für die Glykolyse benötigt wird. In Abwesenheit von Sauerstoff verhindert die homolaktische Gärung die Ansammlung von NADH, was die Glykolyse stoppen und die Zelle ihrer Energiequelle berauben würde. Die Fermentation liefert keine ATP-Moleküle, aber sie ermöglicht es, die Glykolyse fortzusetzen und ein kleines Rinnsal von ATPs zu produzieren. Bei der homolaktischen Gärung ist Laktat das einzige Produkt.

In Abwesenheit von Sauerstoff können bestimmte Organismen wie Hefe Pyruvat in Kohlendioxid und Ethanol umwandeln. Brauer nutzen diesen Prozess, um Getreidemaische in Bier umzuwandeln. Die heterolaktische Fermentation verläuft in zwei Schritten. Zunächst wandelt das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase Pyruvat in Acetaldehyd um. Im zweiten Schritt überträgt das Enzym Alkoholdehydrogenase Wasserstoff von NADH auf den Acetaldehyd und wandelt ihn in Ethanol und Kohlendioxid um. Der Prozess regeneriert auch NAD+, wodurch die Glykolyse fortgesetzt werden kann.

Wenn Sie schon einmal das Gefühl haben, dass Ihre Muskeln bei starker körperlicher Aktivität brennen, erleben Sie die Wirkung der homolaktischen Gärung in Ihren Muskelzellen. Anstrengendes Training verringert vorübergehend die Sauerstoffversorgung einer Zelle. Unter diesen Bedingungen verstoffwechseln die Muskeln Pyruvat zu Milchsäure, die das bekannte Brennen erzeugt. Dies ist jedoch eine Notlösung auf niedrige Sauerstoffgehalte. Ohne Sauerstoff können Zellen schnell sterben.

Anaerobe Fermentation wird verwendet, um neben Bier mehrere Lebensmittel herzustellen. Kohl profitiert beispielsweise von der Fermentation, um Delikatessen wie Kimchee und Sauerkraut zu erhalten. Bestimmte Bakterienstämme, einschließlich Lactobacillus bulgaricus und Streptococcus thermophiles, wandeln Milch durch homolaktische Fermentation in Joghurt um. Der Prozess lässt die Milch erstarren, verleiht dem Joghurt Geschmack und erhöht den Säuregehalt der Milch, was sie für viele schädliche Bakterien ungenießbar macht.