2.0

Einführung in den energiegewinnenden Stoffwechsel

2.1

Milchsäure- und alkoholische Gärung

  2.1.1

Glykolyse; Phosphorylierung, Redoxvorgang, anaerobes Energiegewinnungsprinzip

  2.1.2

Milchsäure- und Ethanolbildung

  2.1.3

NAD/NADH2-Kreislauf

2.2

Zellatmung

  2.2.1

Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA

  2.2.2

Citronensäurezyklus

  2.2.3

Atmungskette, ATP-, H2O-Synthese, Regenerierung der Reduktionsäquivalente (NAD, FAD)

  2.2.4

 Stoff und (ATP-) Energiebilanz, Wirkungsgrad

  2.2.5

Regulation der Zellatmung

2.3

Zusammenhang zwischen Kohlenhydrat-Fett-Aminosäurestoffwechsel

2.4

Mikroorganismen

  2.4.1

Allgemeines

  2.4.2

Protisten

  2.4.3

Bakterien, Allgemeines

2.4.3.2

Einteilung der Bakterien; 2.4.3.3 Taxonomie; 2.4.3.4 Stoffwechsel, 2.4.3.5 Antibiotikaproduktion

2.4.3.6

Wachstum und Kultivierung, 2.4.3.7 Sterilisation; 2.4.3.8 Bemerkenswerte pathogene Bakterien

2.4.4 Viren

2.5

Biotechnologie (ohne Gentechnologie)

  2.5.1

Apfelwein und seine Herstellung

  2.5.2 Käseherstellung

2.6

Energieumsatz

  2.6.1

Grund-und Leistungsumsatz beim Menschen

  2.6.2

Energiebedarf und Ernährung, Oberflächen/Volumenverhältnis

  2.6.3

Gleich-und wechselwarme Organismen

2.7

Moleküle der Dissimilation

-

Glossar Dissimilation

-

Biomoleküle

 

Quellen zu 3D-Molekülanimationen Online

Biomoleküle

http://www.nyu.edu:80/pages/mathmol/library/life/life.html

Biochemie

http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/bza/eanfang.htm

Molekülanimationen

http://www.leeds.ac.uk/bionet/animation/mol_anim.htm

Moleküle

http://c4.cabrillo.cc.ca.us/ und http://www.clunet.edu/BioDev/omm/exhibits.htm#displays

Index Biomoleküle:

http://www.umass.edu/microbio/rasmol/tutbymol.htm
http://www.umass.edu/microbio/rasmol/edsites.htm

Molekul-Daten für Chime:

http://www.umass.edu/microbio/rasmol/whereget.htm

Daten für Molekulargenetik

http://ndbserver.rutgers.edu/NDB/NDBATLAS/index.html

 

Dissimilation  
2.0 Einführung in den energiegewinnenden Stoffwechsel  

Überlegen wir mal: Was wissen wir alles schon über Energie und Energiegewinnung bei Organismen aus Klasse 11 und 12?

1
Höhere Organismen, also Vielzeller bestehen aus eukaryontischen Zellen, die Mitochondrien besitzen. Diese sind die Kraftwerke der Zelle, die ATP für die Lebensvorgänge produzieren
2
ATP ist der universelle Energiespeicher aller Zellen.
3
Energie kann weder geschaffen noch vernichtet werden, sondern nur von einer Energieart in die andere transformiert werden.
4
Es gibt endergonische und exergonische Vorgänge.
5
Die zu einer Reaktion notwendige Aktivierungsenergie kann durch Enzyme (Katalysatoren) erniedrigt werden.
6
Organismen beziehen ihre Energie aus der Nahrung. Diese muß dazu verdaut, resorbiert und in die Zellen transportiert werden.
7
Es gibt autotrophe und heterotrophe Lebensweisen.

 

In Abb. 1 ist der Hefepilz Saccharomyces cerevisiae abgebildet, ein einzelliger Eukaryont, der Glucose in Ethanol verwandeln kann und deshalb zur Bier- und Weinherstellung verwendet wird (Bierhefe = Bäckerhefe). Die käuflichen Hefewürfel z. B. zum Kuchenbacken bestehen ebenfalls aus dieser Pilzart. Diesen Pilzen fehlt das sonst bei Pilzen typische Mycel (Geflecht aus Pilzhyphen). Saccharomyces pflanzt sich sexuell und vegetativ durch Knospung fort (siehe links oben der Beginn einer Knospung). In der Natur findet man sie überall dort, wo zuckereiche Säfte freiwerden: im Nektarsaft der Blüten, auf Früchten und Blättern, in der Nähe von Blattläusen. Hefen sind aerob oder fakultativ anaerob lebende Organismen. Je nach O2-Angebot gewinnen sie die Energie über einen anderen Stoffwechselweg.

aerobe Lebensweise

Energiegewinnung mit Sauerstoff z. B. Zellatmung

anaerobe Lebensweise

Energiegewinnung ohne Sauerstoff z. B. Gärung

Hefen können bei O2-Mangel Zucker vergären, also Glucose, Fructose, Saccharose und Maltose. Die notwendigen Enzyme befinden sich im Cytoplasma. Dazu müssen die Nährstoffe zunächst aufgenommen werden. Maltose und Saccharose werden dann in Glucose und Fructose umgewandelt. Danach wird im Cytoplasma über mehrere Schritte Ethanol gebildet und ausgeschieden.
Diesen Vorgang nennt man alkoholische Gärung. Bei O2-Anwesenheit wird mit Hilfe der Mitochondrien der Zucker vollständig in CO2 und H2O abgebaut. Man nennt dies Zellatmung.

Den energiegewinnenden Stoffwechsel aller Lebewesen kann man wie folgt zusammenfassen:

Alle Organismen verwenden Glucose als wichtigsten Energieträger. Die Glucose wird dabei auf zwei Arten abgebaut: aerob in der Zellatmung und anaerob in der Gärung. Bei der Zellatmung findet ein vollständiger Abbau zum CO2 und H2O statt. Bei der Gärung gibt es verschiedene primäre Endprodukte, die wichtigsten sind Ethanol und CO2 oder Milchsäure. Danach werden auch die Stoffwechselwege genannt:

alkoholische Gärung und Milchsäuregärung.

2.1 Milchsäure- und alkoholische Gärung

Alle Gärungstypen laufen in zwei Schritten im Cytoplasma der Zellen ab:

    1. Abbau der Glucose zu Brenztraubensäure (BTS) (= Glycolyse)

    2. Reduktion der BTS zum Gärungsendprodukt

Gärungen dienen den Pilzen ( z. B. Hefe) und vielen Bakterien ( z. B. Staphylococcus epidermis; Bakterien auf der Haut) zum Energiegewinn. Die beim Abbau der Glucose freiwerdene Energie wird in ATP gespeichert. Der Stoffwechselweg der Gärung läuft in mehrere Einzelschritten im Cytoplasma mit Hilfe spezieller Enzyme ab. Je nachdem, welches Enzym vorhanden ist, bauen z. B. Milchsäurebakterien die BTS in Milchsäure oder Hefe in Ethanol um.

Die Gesamtgleichungen sind:

Alkoholische Gärung:

C6H12O6 ———> 2 C2H5OH + 2 CO2 DG°´= - 235 KJ/Mol

 

Milchsäuregärung:

C6H12O6 ———> 2 CH3CHOHCOOH DG°´= - 199 KJ/Mol


Die Milchsäuregärung kommt im Muskel der Tiere sowie bei verschiedenen Bakterien wie den Milchsäurebakterien, Protozoen, Pilzen, Grünalgen und höheren Pflanzen vor.

Die Alkoholische Gärung findet man bei Hefe und einigen anderen Mikroorganismen und höheren Pflanzen.

Daneben findet man bei Propionibakterien oder bei Micrococcus-Arten im Pansen der Wiederkäuer die Propionsäuregärung:

Glucose ———> 4/3 Propionsäure +2/3 Essigsäure 2/3 CO2 + 2/3 H2O
D
G°´= - 315 KJ/Mol

Die Ameisensäuregärung hat man bei Escherichia Coli, Salmonella usw. also Darmbakterien festgestellt:

Glucose + 1/2 H2O —> Milchsäure + 1/2 Ethanol + 1/2 Ameisensäure + CO2 + H2

DG°´= - 215 KJ/Mol

Bei der Buttersäuregärung bei Clostridien ( obligat anaerob) wird Glucose in Buttersäure gespalten:

     Glucose ———> Buttersäure + 2 CO2 + 2 H2 DG°´= - 265 KJ/Mol

Die Essigsäuregärung ist keine echte Gärung, da mit Hilfe von O2 Ethanol zu Essigsäure abgebaut wird (Acetobacter = Essigsäurebakterien)

Nachweis der Gärungsprodukte
Um die Gärungsendprodukte z. B. bei Hefe nachweisen zu können, werden einige ml


Traubensaft in einen Rundkolben gegeben. Dazu kommt in Wasser aufgeschlämmte käufliche Hefe (Saccharomyces cerevisiae). Der Kolben wird luftdicht abgeschlossen, wobei ein gebogenes Glasrohr in eine Kalkwasserlösung eintaucht. Bei Aufbewahrung bei 25° C - 35°C entsteht ein Gas, das in Kalkwasser einen weißen Niederschlag produziert, also CO2.

Bei Zusatz von gesättigter HgCl2-Lösung unterbleibt die Gärung.

Nach Beendigung der Gärung setzt man ein ca. 75 cm langes Steigrohr auf. Der beim Erhitzen der Flüssigkeit entweichende Alkohol läßt sich leicht am Endes Rohres entzünden.

Zur Verhinderung von Schaum sollte der Kolben geschüttelt werden.

 

 

Abb. 1

Hefepilz

Hefe, ein würfelförmiger Organismus?



Hefekultur



Einzelne Zellen von
Saccharomyces cerevisiae
(Bäckerhefe)

Abb. 2

Zellaufbau - Hefe -



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Abb. 3

Gärende Bakterien

Acetobacter ist ein stäbchenförmiges , aerobes Bakterium, das auf Früchten und Gemüsepflanzen lebt und zur Weinessigherstellung verwendet wird

Propionibakterien leben auf der Haut und im Verdauungstrakt von Wiederkäuern.

Die Löcher im Schweizer Käse werden durch Zugabe von Propionibacter shermani erreicht, der CO2 und Propionsäure bildet.

Clostridien sind anaerobe, sporenbildende Bakterien, die u.a. Buttersäuregärung machen. Dies ist die Ursache beim Verderb der Silage als Viehfutter durch Clostridium botulinum, das ein starkes Nervengift produziert.

 

Abb. 4

Gärungsendprodukte

 

 

Abb. 5

CO2- Nachweis

Weiterführende Quellen:

Alles über die Glycolyse

http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/Glycolysis/GlycolysisMain.htm
http://biotech.icmb.utexas.edu/glycolysis/glycohome.html
http://www.jonmaber.demon.co.uk/glyintro/