Experimente zur alkoholischen Gärung
Pasteur-Effekt … ein schönes Experiment zur Gärung, Atmung und zum Bierbrauen :-)
Der Pasteur-Effekt stellt eine spannende experimentelle Anwendung Ihres Wissens aus Atmung und Gärung dar!
Anbei eine Abbildung zu einem Experiment mit Hefezellen. Die Werte der Tabelle wurden aus Schlegel -> Lehrbuch für Mikrobiologie aus dem Thieme-Verlag in veränderter Form übernommen (siehe Literatur; Ausgabe von 1992).
Energiegewinnung: Viele Wege führen zum ATP
Energie kann über die Gärung gewonnen werden, natürlich auch über die Prozesse der Atmungskette. Es gibt Organismen, die beides beherrschen. Die Bäcker-/Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) kann dies.
Material und Frage
Unter anaeroben Bedingungen gärt die Hefe intensiv, wächst aber kaum. Bei Belüftung geht die Gärung zugunsten der Atmung zurück. Es gibt Hefen, bei denen sich die Gärung durch kräftiges Belüften fast völlig unterdrücken lässt (Pasteur-Effekt).
a.) Wofür steht „fakultativ anaerob“?
b.) Vergleichen Sie die Ergebnisse bei Belüftung bzw. Halten der Hefen ohne Sauerstoffzufuhr. Warum benötigen die Hefezellen im ersten Fall wesentlich weniger Glukose? Vergleichen Sie die erzeugte Energiemenge in Fall 1 und 2 und diskutieren Sie die Verwendung der abgebauten Glukose.
c.) 2,4-Dinitrophenol (2,4-DNP) ist ein Entkoppler der Atmungskette. Was passiert bei Einsatz von Entkopplern? Wie reagiert die Hefe auf den Entkoppler, wie würden wir Menschen darauf reagieren?
| anaerob | aerob | aerob + 2,4-DNP |
Glukoseverbrauch | 3.085 | 1.950 | 3.020 |
Abbau durch |
|
|
|
Gärung | 1.945 | 0.343 | 1.387 |
Atmung | - | 0.356 | 0.556 |
Glukoseabbau | 1.945 | 0.699 | 1.943 |
1.145 | 1.251 | 1.077 | |
Zahlenangaben in relativen Einheiten | |||
Lösungsvorschlag
a.) „fakultativ anaerob“ beschreibt die Fähigkeit, sowohl Atmung als auch Gärung durchführen zu können. Wir Menschen haben zwar einen „Gärungsweg“ von Pyruvat zu Laktat, aber wir können damit leider nicht langfristig auf ein Ausbleiben von Sauerstoff reagieren.
b.) Atmung und Gärung unterscheiden sich durch die Anwesenheit/Abwesenheit von Sauerstoff. Das ist aber nicht alles: Bei der Gärung (egal ob zum Ethanol wie die Hefen oder wie der Mensch in seinem Skelettmuskel zu Laktat) entstehen 2 Mol ATP (aus der Glykolyse) durch Abbau von 1 Mol Glukose. Während des oxidativen Abbaus von Glukose über die Glykolyse, den Citratzyklus und die Atmungskette werden 38 Mol ATP pro Mol Glukose hergestellt. Das ist ein deutlicher Unterschied und der Hauptgrund, warum insgesamt weniger Glukose abgebaut wird. 1/9 der Glukosemenge genügt, um über die Atmung die gleiche Energiemenge zu erzeugen, die über die Gärung entstehen könnte.
Schaut man sich oben gezeigte Tabelle an, so entsprechen die Werte dieser Berechung recht gut. Die gewonnene Energie wird im Körper zum Aufbau von Biomasse eingesetzt (dies entspricht der Assimilation). So kann in Anwesenheit von Sauerstoff die gleiche Biomasse aufgebaut werden, obwohl ca. 3 x weniger Glukose eingesetzt wird.
c.) DNP verhindert den Aufbau des Protonengradienten über die Mitochondrienmembran während der Atmungskette. Damit sinkt die Möglichkeit, ATP zu gewinnen. Wärme wird frei, da die energiereichen Bindungen „verpuffen“.
DNP wurde im letzten Jahrhundert als Schlankheitsmittel eingesetzt (so in den 1920ern), führte aber dazu, dass die Körpertemperatur langsam stieg.
Die Hefe fängt den „Verlust“ von ATP durch eine gesteigerte Gärung wieder auf; wir könnten das kaum tun … praktisch wäre das allerdings.
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