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Gärung

Erfahre, wie der anaerobe Prozess zur Energiegewinnung abläuft. Das Video erklärt, warum die Gärung für einige Organismen wichtig ist, wo sie stattfindet und wie sie in der Industrie genutzt wird. Interessiert? Das und vieles mehr erfährst du im folgenden Text!

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Die Autor*innen
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Rapunzel
Gärung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Gärung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Gärung kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff Gärung.

    Tipps

    Nicht nur die französische Gastronomie wäre ohne den Prozess der Gärung wesentlich ärmer an Nahrungsmitteln. Denn ohne Gärung gäbe es auch kein Brot, keinen Wein, keinen Käse, kein Bier...

    Im Gegensatz zur Zellatmung ist die Energieausbeute der Gärung sehr dürftig. Nur $2 ATP$ werden pro Mol Glucose gebildet – bei der Zellatmung sind es ganze $38 ATP$!

    Lösung

    Die Gärung ist ein Stoffwechselprozess, der der Energiegewinnung dient und ohne Sauerstoff stattfindet. Dieser anaerobe Abbau passiert allerdings, im Gegensatz zur Zellatmung, unvollständig. Deshalb ist die Energieausbeute mit $2 ATP$ je Mol Glucose vergleichsweise gering, denn der Hauptanteil der Energie steckt noch in den Endprodukten der Glucose (z. B. Ethanol oder Laktat).

  • Fasse den grundlegenden Ablauf der Glykolyse zusammen.

    Tipps

    Für die Glykolyse ist kein Sauerstoff notwendig.

    Bei der Glykolyse wird Wasser frei.

    Lösung

    Die Glykolyse ist der erste Abschnitt der Zellatmung. Da sie keinen Sauerstoff benötigt, kann sie auch bei Sauerstoffmangel stattfinden. Die restlichen Abbauprozesse der Zellatmung können bei Sauerstoffmangel allerdings nicht stattfinden – die Gärung schon.

    Die Gesamtbilanz der Glykolyse lautet:
    $Glucose$ $+$ $2$ $P_i$ $+$ $2$ $NAD^+$ $+$ $2$ $ADP$ $\longrightarrow$ $2$ $Pyruvat$ $+$ $2$ $NADH$ $+$ $2$ $ATP$ $+$ $2$ $H^+$ $+$ $2$ $H_2O$.

  • Stelle die Atmungskette und den Prozess der Gärung gegenüber.

    Tipps

    Zellatmung kann nur bei aeroben Bedingungen stattfinden.

    Gärungsprozesse können auch ohne Sauerstoff stattfinden, allerdings sind die Endprodukte dann energiereicher.

    Lösung

    Die Zellatmung beginnt, wie die Gärung auch, mit der Glykolyse, da kein Sauerstoff $(O_2)$ benötigt wird.

    Für die weiteren Abschnitte der Zellatmung, vor allem die Atmungskette, ist $O_2$ unabdingbar. Aerobe Bedingungen sind also zwingend notwendig.
    Findet die Atmungskette statt, können $38$ $ATP$ generiert werden, die Endprodukte sind die beiden energiearmen Moleküle $CO_2$ und $H_2O$.

    Gärungsprozesse können zwar ohne $O_2$ ablaufen, dafür ist die Energieausbeute deutlich geringer: Lediglich $2$ $ATP$ werden pro Molekül Glucose synthetisiert. Die restliche Energie steckt in den Endprodukten der Gärung, z. B. im Ethanol (alkoholische Gärung) oder im Lactat (bzw. Milchsäure bei der Milchsäuregärung).

    Daher finden Gärungsprozesse vornehmlich dann statt, wenn anaerobe Bedingungen herrschen. So kann trotz $O_2$-Mangel schnell $ATP$ generiert werden. Sobald $O_2$ zur Verfügung steht und die Organismen in der Lage sind, ihren Stoffwechsel umzustellen, wird die Zellatmung in jedem Fall der Gärung vorgezogen (siehe $ATP$-Ausbeute).

  • Arbeite die Unterschiede zwischen der alkoholischen und der Milchsäuregärung heraus.

    Tipps

    Die Zellatmung kann ohne Sauerstoff ($O_2$) nicht ablaufen, Gärungsprozesse schon.

    Die alkoholische Gärung wird genutzt, um z. B. Bier und Wein herzustellen.

    Die Milchsäuregärung findet bei der Herstellung und der Haltbarmachung von Lebensmitteln Anwendung. Sauerkraut z. B. wird durch den Prozess der Milchsäuregärung konserviert.

    Die Glykolyse benötigt $NAD^+$, welches zu $NADH + H^+$ synthetisiert wird.

    Lösung

    Rechts siehst du eine Übersicht über die beiden häufigsten Gärungsformen: die Milchsäuregärung (oben) und die alkoholische Gärung (unten).

    Der erste Abschnitt des anaeroben Stoffwechselweges entspricht der Glykolyse. Hierbei wird Glucose zu Pyruvat (Brenztraubensäure) umgesetzt. Es werden $2~ATP$ gewonnen und $2~NADH + 2~H^+$ aus $2~NAD^+$ generiert. Dieser energiegewinnende Prozess würde nach einiger Zeit zum Erliegen kommen, da sich das $NAD^+$ aufbrauchen würde. Hier kommt die Gärung ins Spiel.

    Durch Gärungsprozesse wird $NADH + H^+$ wieder zu $NAD^+$ umgesetzt. $NAD^+$ wird also wieder für die Glykolyse regeneriert. Je nach Gärungsform wird das Pyruvat unterschiedlich weiterverwertet.

    Bei der alkoholischen Gärung wird Pyruvat decarboxyliert – unter $CO_2$-Abspaltung entsteht über das Zwischenprodukt Azetaldehyd Ethanol.
    Die alkoholische Gärung wird von Hefezellen betrieben und vom Menschen genutzt, um Bier, Wein oder Brot herzustellen. Gerade die Abspaltung des $CO_2$’s sorgt dafür, dass Hefeteig „aufgeht“.

    Bei der Milchsäuregärung, die von Milchsäurebakterien betrieben wird, wird Pyruvat zu Milchsäure (Lactat) umgesetzt. Auch hier wird $NAD^+$ regeneriert. Milchsäuregärung wirkt konservierend und findet so z. B. bei Sauerkraut oder Sauermilchprodukten Anwendung.
    Auch in Muskelzellen läuft die Milchsäuregärung ab, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht.
    Da in unserem Mund viele Milchsäurebakterien leben, spielen diese übrigens auch eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Karies.

    Natürlich gibt es nicht nur diese beiden Formen der Gärung. Als Beispiele seien hier noch die Ameisensäuregärung oder die Buttersäure-Butanolgärung genannt.

  • Gib an, wo die Energie im $ATP$ steckt.

    Tipps

    Energie wird frei, wenn eine Phosphat-Gruppe abgespalten wird.

    So sieht eine Phosphat-Gruppe aus. $ATP$ besitzt drei dieser Phosphat-Gruppen (deshalb auch Adenosintriphosphat).

    Lösung

    $ATP$ (Adenosintriphosphat) gilt als Energiewährung der Zelle. Diese Energie steckt in den Bindungen zwischen den Phosphat-Gruppen (Phosphoanhydrid-Bindungen). Werden diese Bindungen gespalten, entsteht $ADP$ (Adenosindiphosphat), ein Molekül mit zwei (di) Phosphat-Gruppen. Bei Abspaltung einer weiteren Phosphat-Gruppe entsteht das Molekül $AMP$ (Adenosinmonophosphat) mit einer (mono) Phosphat-Gruppe. $ATP$ enthält drei (tri) Phosphat-Gruppen.

    Die Spaltung der Phosphoanhydrid-Bindungen verbraucht Energie, insgesamt wird jedoch weitaus mehr Energie frei, die dann für energieverbrauchende Vorgänge in der Zelle (z. B. Muskelkontraktion) zur Verfügung steht.

  • Vergleiche die Stoffwechselprozesse Zellatmung und Gärung miteinander.

    Tipps

    Der Ausgangsstoff beider Stoffwechselprozesse ist Glucose.

    Die Zellatmung findet sowohl im Cytoplasma als auch in Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zelle, statt (siehe gelbe Zellorganellen in der Abbildung). Gärungsprozesse laufen dagegen nur im Cytoplasma ab.

    Rechts findest du die Energiebilanz der Zellatmung.

    Die Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff ($O_2$) und kann sowohl bei Sauerstoffmangel als auch bei sauerstoffreichen Bedingungen stattfinden. Die weiteren Abschnitte der Zellatmung können jedoch nur stattfinden, wenn Sauerstoff zur Verfügung steht (aerob). Gärungsprozesse können auch ohne Sauerstoff (anaerob) stattfinden.

    Lösung

    Die Zellatmung findet im Cytoplasma und in den Mitochondrien statt. Es wird Sauerstoff benötigt, sie kann also nur unter aeroben Bedingungen stattfinden. Der Energiegewinn beträgt $38$ $ATP$, wenn ein Molekül Glucose vollständig (zu $CO_2$ und $H_2O$) abgebaut wird.

    Die Gärung schließt sich der Glykolyse an und benötigt keinen Sauerstoff, sie findet also bei Sauerstoffmangel (anaerob) statt. Wie bei der Zellatmung ist Glucose der Ausgangsstoff. Da Glucose bei der Gärung nicht vollständig abgebaut wird, ist die Energieausbeute deutlich geringer: Pro Molekül Glucose werden lediglich $2$ $ATP$ generiert.