Anaerobe Atmung

Definition

Anaerobe Atmung ist die Art der Atmung, bei der Zellen in Abwesenheit von Sauerstoff Zucker zur Energiegewinnung abbauen können. Dies steht im Gegensatz zur hocheffizienten aeroben Atmung, die zur Energiegewinnung auf Sauerstoff angewiesen ist.

Molekularer Sauerstoff ist aufgrund seiner hohen Affinität für Elektronen der effizienteste Elektronenakzeptor für die Atmung. Einige Organismen haben sich jedoch so entwickelt, dass sie andere endgültige Elektronenakzeptoren verwenden und somit die Atmung ohne Sauerstoff durchführen können.

Überblick

Atmung ist der Prozess, bei dem die im Brennstoff gespeicherte Energie in eine Form umgewandelt wird, die eine Zelle nutzen kann. Normalerweise wird die in den Molekülbindungen eines Zucker- oder Fettmoleküls gespeicherte Energie zur Herstellung von ATP verwendet, indem Elektronen aus dem Brennstoffmolekül entnommen und zum Antrieb einer Elektronentransportkette verwendet werden.

Die Respiration ist für das Überleben einer Zelle von entscheidender Bedeutung, denn wenn sie nicht in der Lage ist, Energie aus Brennstoffen freizusetzen, verfügt sie nicht über genügend Energie, um ihre normalen Funktionen auszuführen. Das ist der Grund, warum luftatmende Organismen ohne eine konstante Sauerstoffzufuhr so schnell sterben: Unsere Zellen können ohne Sauerstoff nicht genug Energie erzeugen, um am Leben zu bleiben.

Anstelle von Sauerstoff verwenden anaerobe Zellen Substanzen wie Sulfat, Nitrat, Schwefel und Fumarat, um ihre Zellatmung anzutreiben. Viele Zellen können entweder aerob oder anaerob atmen, je nachdem, ob Sauerstoff verfügbar ist.

Anaerobe vs. aerobe Atmung

Ähnlichkeiten

Sowohl bei der aeroben als auch bei der anaeroben Atmung handelt es sich um Methoden zur Gewinnung von Energie aus einer Nahrungsquelle, wie z. B. Fetten oder Zuckern. Beide Prozesse beginnen mit der Aufspaltung eines sechskettigen Zuckermoleküls in zwei dreikettige Pyruvatmoleküle in einem Prozess, der Glykolyse genannt wird. Bei diesem Prozess werden zwei ATP-Moleküle verbraucht und vier ATP erzeugt, was einen Nettogewinn von zwei ATP pro gespaltenem Zuckermolekül ergibt.

Bei der aeroben und anaeroben Atmung werden die beiden Pyruvatmoleküle einer weiteren Reihe von Reaktionen unterzogen, die Elektronentransportketten verwenden, um mehr ATP zu erzeugen.

Diese Reaktionen benötigen einen Elektronenakzeptor – sei es Sauerstoff, Sulfat, Nitrat usw. – um sie in Gang zu setzen.

Viele Bakterien und Archaeen können nur anaerob atmen. Viele andere Organismen können entweder aerob oder anaerob atmen, je nachdem, ob Sauerstoff vorhanden ist.

Menschen und andere Tiere sind auf die aerobe Atmung angewiesen, um am Leben zu bleiben, können aber das Leben oder die Leistung ihrer Zellen in Abwesenheit von Sauerstoff durch anaerobe Atmung verlängern.

Unterschiede

Nach der Glykolyse schicken sowohl die aeroben als auch die anaeroben Zellen die beiden Pyruvatmoleküle durch eine Reihe von chemischen Reaktionen, um mehr ATP zu erzeugen und Elektronen für die Verwendung in ihrer Elektronentransportkette zu gewinnen.

Die Art dieser Reaktionen und der Ort, an dem sie ablaufen, variiert jedoch zwischen aerober und anaerober Atmung

Bei der aeroben Atmung finden die Elektronentransportkette und die meisten chemischen Reaktionen der Atmung in den Mitochondrien statt. Das Membransystem der Mitochondrien macht den Prozess viel effizienter, indem es die chemischen Reaktanten der Atmung in einem kleinen Raum konzentriert.

Im Gegensatz dazu findet die anaerobe Atmung normalerweise im Zytoplasma statt. Das liegt daran, dass die meisten Zellen, die ausschließlich anaerobe Atmung betreiben, keine spezialisierten Organellen haben. Die Reaktionsreihe ist bei der anaeroben Atmung in der Regel kürzer und verwendet anstelle von Sauerstoff einen endgültigen Elektronenakzeptor wie Sulfat, Nitrat, Schwefel oder Fumarat.

Die anaerobe Atmung produziert auch weniger ATP für jedes verdaute Zuckermolekül als die aerobe Atmung, was sie zu einer weniger effizienten Methode der zellulären Energiegewinnung macht. Außerdem entstehen verschiedene Abfallprodukte – in einigen Fällen sogar Alkohol!

Zellatmung in verschiedenen Organismen

Organismen können anhand der Arten der Zellatmung, die sie durchführen, klassifiziert werden.

• Obligate Aerobier – Organismen, die ohne Sauerstoff nicht überleben können. Der Mensch ist zum Beispiel ein obligater Aerobier.
• Obligate Anaerobier – Organismen, die in Gegenwart von Sauerstoff nicht überleben können. Bestimmte Bakterienarten sind obligate Anaerobier, wie z. B. Clostridium tetani, das Tetanus verursacht.
• Aerotolerante Organismen – Organismen, die in Gegenwart von Sauerstoff leben können, ihn aber nicht zum Wachstum benötigen. Zum Beispiel das Bakterium Streptococcus, das Streptokokken verursacht.
• Fakultativ aerobe Organismen – Organismen, die Sauerstoff zum Wachstum nutzen können, aber auch anaerob atmen können. Zum Beispiel Saccharomyces cerevisiae, die Hefe, die beim Bierbrauen verwendet wird.

Wissenschaftler können Mikroben auf diese Weise klassifizieren, indem sie einen einfachen Versuchsaufbau mit Thioglykolatbrühe verwenden. Dieses Medium enthält eine Reihe von Sauerstoffkonzentrationen, wodurch ein Gradient entsteht. Dies ist auf das Vorhandensein von Natriumthioglykolat zurückzuführen, das Sauerstoff verbraucht, sowie auf die kontinuierliche Zufuhr von Sauerstoff aus der Luft; am oberen Ende des Röhrchens ist Sauerstoff vorhanden, am unteren Ende ist kein Sauerstoff vorhanden.
<h2title=“Arten“>Typen der anaeroben Atmung

Die Arten der anaeroben Atmung sind so vielfältig wie ihre Elektronenakzeptoren. Wichtige Arten der anaeroben Atmung sind:

• Milchsäuregärung – Bei dieser Art der anaeroben Atmung wird Glucose in zwei Moleküle Milchsäure gespalten, um zwei ATP zu erzeugen. Sie kommt in bestimmten Bakterienarten und einigen tierischen Geweben wie Muskelzellen vor
• Alkoholische Gärung – Bei dieser Art der anaeroben Atmung wird Glukose in Ethanol oder Ethylalkohol gespalten. Auch bei diesem Prozess entstehen zwei ATP pro Zuckermolekül. Dies geschieht in Hefe und sogar in einigen Fischarten, wie z. B. Goldfischen.
• Andere Arten der Fermentation – Andere Arten der Fermentation werden von einigen Bakterien und Archaeen durchgeführt. Dazu gehören die Propionsäuregärung, die Buttersäuregärung, die Lösungsmittelgärung, die Mischsäuregärung, die Butandiolgärung, die Sticklandgärung, die Acetogenese und die Methanogenese.

Anaerobic Respiration Equations

The equations for the two most common types of anaerobic respiration are:

• Lactic acid fermentation:

C6H12O6 (glucose)+ 2 ADP + 2 pi → 2 lactic acid + 2 ATP

• Alcoholic fermentation:

C6H12O6 (glucose) + 2 ADP + 2 pi → 2 C2H5OH (ethanol) + 2 CO2 + 2 ATP

Examples of Anaerobic Respiration

Sore Muscles and Lactic Acid

During intense exercise, our muscles use oxygen to produce ATP faster than we can supply it.

When this happens, muscle cells can perform glycolysis faster than they can supply oxygen to the mitochondrial electron transport chain.

The result is that anaerobic respiration and lactic acid fermentation occurs within our cells – and after prolonged exercise, the built-up lactic acid can make our muscles sore!

Yeasts and Alcoholic Drinks

Alkoholische Getränke wie Wein und Whiskey werden in der Regel hergestellt, indem Hefen – die die alkoholische Gärung durchführen – mit einer Lösung aus Zucker und anderen Aromastoffen in Flaschen abgefüllt werden.

Hefen können komplexe Kohlenhydrate, wie sie in Kartoffeln, Trauben, Mais und vielen anderen Getreidesorten vorkommen, als Zuckerquelle für die Zellatmung nutzen.

Wenn die Hefe und ihre Brennstoffquelle in einer luftdichten Flasche aufbewahrt werden, ist sichergestellt, dass nicht genügend Sauerstoff in der Nähe ist, so dass die Hefe auf anaerobe Atmung umstellt. Dabei entsteht Alkohol.

Alkohol ist eigentlich giftig für die Hefen, die ihn produzieren – wenn die Alkoholkonzentration hoch genug ist, beginnt die Hefe abzusterben.

Aus diesem Grund ist es nicht möglich, Wein oder Bier mit einem Alkoholgehalt von mehr als 30% zu brauen. Mit Hilfe der Destillation, bei der der Alkohol von anderen Bestandteilen des Gebräus getrennt wird, kann der Alkohol jedoch konzentriert und Spirituosen wie Wodka hergestellt werden.

Methanogenese und gefährliche Hausgebräue

Leider ist die alkoholische Gärung nicht die einzige Art von Gärung, die in Pflanzen stattfinden kann. Bei der Gärung von Zellulose kann ein anderer Alkohol, das Methanol, entstehen. Dies kann zu Methanolvergiftungen führen.

Die Gefahren von „Mondschein“ – billigem, selbstgebrautem Alkohol, der aufgrund schlechter Brau- und Destillationsverfahren oft hohe Mengen an Methanol enthält – wurden im 20. Wenn Sie also Brauer werden wollen, sollten Sie Ihre Hausaufgaben machen!

Schweizer Käse und Propionsäure

Die Propionsäuregärung verleiht Schweizer Käse seinen unverwechselbaren Geschmack. Die Löcher im Schweizer Käse entstehen durch Kohlendioxidblasen, die als Abfallprodukt eines Bakteriums freigesetzt werden, das die Propionsäuregärung nutzt.

Nach der Einführung strengerer Hygienestandards im 20. Jahrhundert stellten viele Hersteller von Schweizer Käse verwundert fest, dass ihr Käse seine Löcher verlor – und damit seinen Geschmack.

Der Schuldige wurde in einem Mangel an einem bestimmten Bakterium entdeckt, das Propionsäure produziert. Im Laufe der Jahrhunderte war dieses Bakterium als Verunreinigung durch das Heu, das die Kühe fraßen, eingeführt worden. Nachdem jedoch strengere Hygienestandards eingeführt wurden, geschah dies nicht mehr!

Diese Bakterien werden nun absichtlich während der Produktion hinzugefügt, um sicherzustellen, dass der Schweizer Käse seinen Geschmack und sein sofort erkennbares löchriges Aussehen behält.

Vinegar and Acetogenesis

Bacteria that perform acetogenesis are responsible for the making of vinegar, which consists mainly of acetic acid.

Vinegar actually requires two fermentation processes, because the bacteria that make acetic acid require alcohol as fuel!

As such, vinegar is first fermented into an alcoholic preparation, such as wine. The alcoholic mixture is then fermented again using the acetogenic bacteria.

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Bibliography