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Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung

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Maja O.
Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung

Hefen – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung

Schon die alten Ägypter nutzten zum Backen von Brot die Eigenschaften der Hefen – wenn auch unbewusst. Wissenschaftlich untersucht und beschrieben wurde sie erst später.

Heute begegnest du Hefen in vielen unterschiedlichen Bereichen des Alltags. Als Backhefe, Bierhefe oder Futterhefe besitzt sie eine große wirtschaftliche Bedeutung für viele unterschiedliche Prozesse in der Lebens- und Futtermittelindustrie. Aber auch in der Biotechnologie zur Herstellung von Biotreibstoffen und in der Medizin, beispielsweise zur Herstellung von Insulin, hat sie eine besondere Bedeutung.

Hefen werden den Pilzen zugeordnet und gehören damit zu den sogenannten eukaryotischen Zellen. Hefen können Zucker vergären. Diesen Stoffwechselweg, also die Vergärung von Zuckern zur Energiegewinnung, nennt man auch alkoholische Gärung. Dabei bedeutet Gärung, dass die Verstoffwechselung des Zuckers unter Sauerstoffausschluss, und somit anaerob, stattfindet. Sie können aber auch aerob, also mit Sauerstoff, Zucker verstoffwechseln. Ihr Stoffwechsel wird daher als fakultativ anaerob bezeichnet.

Warum die Hefe zu den Eukaryoten gezählt wird und was genau unter einem fakultativ anaeroben Stoffwechsel zu verstehen ist, aber auch welche geschichtliche und wirtschaftliche Bedeutung sie hat, erklären wir dir im folgenden Text.

Hefen – ökologische Bedeutung

Erstmals wissenschaftlich untersucht wurde die Hefe Mitte des 19. Jahrhunderts durch Louis Pasteur (1822–1895). Er wies im Rahmen von Untersuchungen zum Gärprozess bei der Bierherstellung die Wirkweise der Hefen nach. Dadurch beschrieb er erstmals Hefen als einen lebenden Organismus.

Neben der industriellen Nutzung der Back- und Bierhefe findest du Hefen beispielsweise auf den Schalen von Früchten. Aber auch im menschlichen Darm kommen sie vor, wo sie sich zunächst als harmlose Darmbewohner ansiedeln und erst bei einer übermäßigen Vermehrung gesundheitliche Probleme mit sich bringen. Neben ihrer Präsenz im Darm gibt es auch bestimmte Hefearten, die die Haut besiedeln können. Bei übermäßigem Wachstum können diese Hefen verschiedene Pilzinfektionen verursachen.

Hefen gehören zu den einzelligen Pilzen. Sie zählen damit anders als Bakterien, die zu den Prokaryoten gehören, zu den Eukaryoten.

Unter Eukaryoten versteht man alle Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, also alle Pilze, Pflanzen, Tiere und natürlich auch der Mensch.

Hefen sind mikroskopisch kleine, eiförmige Zellen, die sich asexuell durch die sogenannte Sprossung vermehren. Pro Gramm Hefe sind nahezu 20 000 000 000 Hefezellen enthalten. Kannst du dir das vorstellen?

Es sind sehr viele unterschiedliche Hefearten bekannt. Für die Bierherstellung werden vorwiegend Stämme von Saccharomyces cerevisiae verwendet. Aber auch Candida-Hefen kommen zum Einsatz. Inaktivierte medizinische Hefen werden in der Apotheke verkauft. Sie enthalten keine lebenden Zellen, sondern werden aufgrund ihrer wertvollen Inhaltsstoffe, wie Vitamin B und Mineralstoffe, bei Hautkrankheiten z. B. Akne oder verschiedenen Arten von Ekzemen angewendet.

Zur Energiegewinnung verstoffwechseln Hefen vorwiegend Kohlenhydrate, wie z. B. Glucose. Gewinnen sie die Energie aus der Verstoffwechselung von Zucker unter Luftausschluss, also anaerob, nennt man diesen Prozess auch Gärung.

Hefen sind in der Lage, Zucker sowohl unter Ausschluss als auch in Gegenwart von Sauerstoff zu verstoffwechseln. Je nachdem ob Sauerstoff vorhanden ist oder fehlt, werden unterschiedliche Stoffwechselwege genutzt. Diese unterschiedliche Möglichkeit der Energiegewinnung nennt man fakultativ anaerob.

Hefen – Stoffwechsel

Die alkoholische Gärung ist ein wichtiger Stoffwechselweg, der hauptsächlich von Hefen zur Gewinnung von Energie genutzt wird.

Bei der alkoholischen Gärung verstoffwechseln Enzyme der Hefepilze Glucose oder Traubenzucker zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid.

Bei der anaeroben Verstoffwechselung von Glucose entsteht Ethanol und Kohlenstoffdioxid. Die Summenformel lautet:

$\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}$

Bei der aeroben Verstoffwechselung der Glucose entsteht Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Glucose wird dabei vollständig abgebaut. Der aerobe Stoffwechselweg ist daher energetisch günstiger.

Hefen – Zusammenfassung

Hefen sind mikroskopisch kleine, einzellige Zellen. Sie besitzen einen fakultativ anaeroben Stoffwechselweg. Das heißt, sie können auch unter Luftausschluss wachsen. Dabei machen sie sich ihre Fähigkeit zunutze, Glucose zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid zu verstoffwechseln. Diesen Prozess nennt man auch alkoholische Gärung. Daher besitzen sie für die Lebensmittel- und Futterherstellung eine große wirtschaftliche Bedeutung in der Herstellung von Wein, Bier und Brot. Da sie zu den eukaryotischen Zellen gehören, haben sie aber auch für Medizin und Forschung eine wichtige Bedeutung.

Übungsaufgaben zu Hefen – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung

Wozu gehören Hefen?
Wo kommen Hefen im Alltag zum Einsatz?
Wer entdeckte erstmals die genaue Wirkweise der Hefen im Rahmen der Bierherstellung?

Transkript Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung

Hallo! Willkommen zum Video über die Hefe. In diesem Video lernst Du die Einordnung der Hefe im System der Lebewesen, ihr Vorkommen, ihre Einsatzgebiete und die Besonderheiten der Hefe. Wir gehen dabei auf die Vermehrung und die Stoffwechselleistungen ein. Danach besprechen wir die Genregulation bei Hefen. Einordnung: Das System der Lebewesen ist in Prokaryoten und Eukaryoten eingeteilt. Zu den Prokaryoten gehören die Bakterien. Sie zeichnen sich durch ihre kleine Größe aus und sie haben keinen Zellkern. Die DNA liegt im Zytoplasma vor. Außerdem haben sie keine Organellen. Eukaryoten können ein- oder vielzellig sein. Sie weisen typische eukaryotische Merkmale auf: Zum Beispiel den Zellkern, Organellen und eine komplexere Zellstruktur. Zu den Eukaryoten zählen Pflanzen, Tiere und Pilze. Hefen sind einzellige Pilze. Vorkommen: Wildhefen kommen in der freien Natur vor. Sie können zum Bespiel an Früchten vorgefunden werden. Kulturhefen werden wirtschaftlich eingesetzt. Man kann sie zum Bespiel auch im Supermarkt kaufen und sie zum Backen benutzen. Hefepilze kommen auch in Organismen vor, zum Beispiel in der Darmflora des Menschen. Es gibt auch pathogene Hefestämme, die zu Infektionen führen können, zum Beispiel zu Hautinfektionen. Es gibt vielfältige Einsatzgebiete der Hefe. Die Bäckerhefe wird zum Beispiel zum Backen benutzt. Hefen werden auch bei der Herstellung von alkoholhaltigen Getränken benutzt, zum Beispiel Bier und Wein. Sie können außerdem als Nahrungszusatz dienen, zum Beispiel als Vitaminquelle, Eiweißquelle oder sie können als Geschmacksverstärker wirken. Hefen werden auch in der Biotechnologie eingesetzt, zum Beispiel für die Herstellung von Ethanol als Kraftstoff oder als Lösungsmittel. Hefen werden auch in der Gentechnik benutzt. Die Hefen werden genetisch manipuliert, indem man ihnen ein humanes Gen einpflanzt. Dadurch können die Hefen, die Eukaryoten sind, humane Proteine produzieren, zum Beispiel Insulin. Eine der Besonderheiten der Hefen ist die Vermehrung durch Sprossung. Hierbei kommt es bei der Mutterzelle zu einer Ausstülpung der Zellwand. Dadurch bildet sich eine sogenannte Knospe. Es folgte eine Kernteilung, also Mitose, und einer der Tochterkerne wandert in die Knospe ein. Diese Knospe löst sich ab und wächst zu einer neuen Hefezelle heran. An der Stelle, an der sich die Knospe abgelöst hat, entsteht eine sogenannte Bildungsnarbe. Unter dem Mikroskop schauen Hefezellen so aus. Hier siehst Du die Bildungsnarben. Bei dieser Art von Vermehrung handelt es sich um asexuelle Vermehrung, also nichtgeschlechtliche Vermehrung. Die Energie für die Vermehrung und das Wachstum gewinnen Hefen aus dem Abbau von Stoffen, die sie aus der Umgebung aufnehmen. Wir gehen jetzt näher auf den Stoffwechsel der Hefe ein. Hefen sind fakultative Anaerobier. Das heißt, sie können sowohl bei aeroben als auch bei anaeroben Bedingungen existieren. Ist Sauerstoff, also O2, in der Umgebung vorhanden, so spricht man von aeroben Bedingungen. Ist kein Sauerstoff vorhanden, so spricht man von anaeroben Bedingungen. Je nachdem, welche Bedingungen vorliegen, können Hefen zwei verschiedene Stoffwechselwege betreiben. Steht Sauerstoff zur Verfügung, so wird aerobe Atmung betrieben. Hierbei wird Zucker – wir nehmen hier als Beispiel die Glukose – vollständig abgebaut. Der Zucker Glukose, also C6H12O6, wird abgebaut zu Kohlenstoffdioxid, also CO2, und Wasser, also H2O. Wenn kein Sauerstoff vorliegt, also bei anaeroben Bedingungen, betreibt die Hefe Gärung. Hierbei kommt es zu einem unvollständigen Abbau des Zuckers. Aus Zucker entsteht Ethanol, also Alkohol, und CO2, also Kohlenstoffdioxid. Das Ethanol kann nicht weiterverarbeitet werden und wird von der Hefe ausgeschieden. Deshalb wird Hefe zu der Herstellung von alkoholhaltigen Getränken benutzt. Da bei der Gärung der Zucker nicht vollständig abgebaut wird, liefert die aerobe Atmung mehr Energie. Sie ist somit energetisch günstiger. Hefen werden auch in der Forschung eingesetzt, zum Beispiel bei der Erforschung der Genregulation. Wir besprechen jetzt als Beispiel der Genregulation die Geninduktion bei Hefen. Kupfer ist ein Schwermetall, das als Spurenelement in niedrigen Konzentrationen in allen Zellen benötigt wird. Kupfer wird abgekürzt mit „Cu“. Die Kupferionen sind zweimal positiv geladen. Zu hohe Konzentration an Kupferionen können die Zellen schädigen. Hefezellen haben also einen Schutzmechanismus gegen erhöhte Kupferkonzentrationen entwickelt, indem sie kupferbindende Schutzproteine synthetisieren. Dringen Kupfer2+-Ionen in die Hefezellen ein, binden diese an einen Transkriptionsfaktor. Dieser wird als „MTF“ abgekürzt: Metalltranskriptionsfaktor. Dieser Komplex bindet an eine Steuersequenz des Gens. „MRE“ steht für metallresponsives Element der DNA. Das Gen wird mit den Buchstaben „MT“ abgekürzt. Es handelt sich dabei um das Leseraster des Schutzproteins. Das heißt also: Sobald Kupfer2+-Ionen vorhanden sind, wird die Transkription der Gene für die Schutzproteine aktiviert. Zusammenfassung: Hefen sind einzellige Pilze und gehören zu den Eukaryoten. Es gibt vielfältige Einsatzgebiete der Hefen, zum Beispiel als Bäckerhefe, zur Herstellung von alkoholischen Getränken, wie zum Beispiel Bier und Wein, und in der Biotechnologie. Zu den Besonderheiten der Hefen gehört die Vermehrung durch Sprossung – es handelt sich hierbei um eine asexuelle Vermehrung – und die Stoffwechselleistungen der Hefe. Zum Thema Stoffwechsel hast Du gelernt, dass Hefen fakultative Anaerobier sind. Bei Vorhandensein von Sauerstoff betreiben sie aerobe Atmung. Hierbei wird Zucker vollständig abgebaut zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Wenn kein Sauerstoff vorliegt, betreiben Hefen Gärung. Hierbei wird Zucker unvollständig abgebaut zu Ethanol, also Alkohol, und Kohlenstoffdioxid. Danach haben wir über die Genregulation bei Hefen gesprochen. Danke für Deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video!

6 Kommentare
6 Kommentare
  1. Können sie bite ein paar Aufgaben für dises Thema machen

    Von Yasemintekinm, vor fast 3 Jahren
  2. Sher gut richtig gut erklärd

    Von Yasemintekinm, vor fast 3 Jahren
  3. Das Video hat mir sehr gut gefallen.

    Von Schule Herisau, vor etwa 5 Jahren
  4. Ist sehr gut :-) ;-)

    Von Physiojavea, vor etwa 8 Jahren
  5. Super Video. Danke.

    Von Tbazenov, vor mehr als 8 Jahren
Mehr Kommentare

Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Hefe – Stoffwechsel und ökologische Bedeutung kannst du es wiederholen und üben.
  • Was sind Hefen?

    Tipps

    Eine Antwort ist richtig.

    Lösung

    Hefen sind einzellige Eukaryoten und gehören zu den Pilzen. Sie sind deutlich größer als Bakterien und zählen weder zu den Pflanzen, noch zu den Tieren.

  • Wo werden Hefen im Alltag eingesetzt?

    Tipps

    Hefen begegnest du im Alltag beispielsweise als Bäckerhefe.

    Lösung

    Hefen kommen in den verschiedensten Bereichen des Alltags zum Einsatz. Beispielsweise in der Herstellung ...

    • ... von Brot in der Lebensmittelindustrie.
    • ... von Futterhefe in der Futtermittelindustrie.
    • ... von Bio-Treibstoffen in der Biotechnologie.
    • ... von Insulin in der Medizin.
  • Wo kommen Hefen vor?

    Tipps

    Eine Antwort ist falsch.

    Lösung

    Neben der industriellen Nutzung der Back- und Bierhefe findest du Hefen natürlicherweise auf Oberflächen von Früchten.

    Aber auch im Darm kommen sie vor, wo sie sich zunächst als harmlose Bewohner ansiedeln und erst bei einer übermäßigen Vermehrung gesundheitliche Probleme mit sich bringen.

    Außerdem sind Hefen auch auf der Oberfläche der Haut zu finden und verursachen hier bei übermäßigem Wachstum verschiedene Pilzinfektionen.

  • Was bedeutet der Begriff alkoholische Gärung?

    Tipps

    Zwei Antwortmöglichkeiten sind falsch.

    Lösung

    Unter der alkoholischen Gärung versteht man die Verstoffwechselung von Zuckern durch Hefen unter Sauerstoffausschluss.

    Der Prozess ist demnach also anaerob und wird auch als Fermentation bezeichnet.

  • Wer entdeckte die Wirkweise der Hefe?

    Tipps

    Nur eine Antwort ist richtig.

    Lösung

    Im Rahmen von Untersuchungen zur Bierherstellung entdeckte Louis Pasteur (1822–1895) den Prozess der Vergärung von Zuckern durch Hefen.

  • Welche Produkte entstehen bei der Verstoffwechselung von Glukose durch Hefen.

    Tipps

    Der anaerobe Prozess wird auch als alkoholische Gärung bezeichnet.

    Lösung

    Bei der anaeroben Verstoffwechselung von Glukose entsteht Ethanol und Kohlenstoffdioxid. Ethanol ist eine farblose Flüssigkeit, die wir in vielen Dingen wie Desinfektionsmitteln, Autokraftstoff und alkoholischen Getränken finden.

    Bei der aeroben Verstoffwechselung der Glukose entsteht Wasser und Kohlenstoffdioxid.