Organische Chemie

Milchsäuregärung

Die Milchsäuregärung ist eine Form der Energiegewinnung ohne Anwesenheit von Sauerstoff. Wie genau diese Form der Gärung abläuft, erfährst du hier!%Du bevorzugst audiovisuelles Lernen? Dann schau dir gerne unser anschauliches Video dazu an! 

Inhaltsübersicht

Milchsäuregärung einfach erklärt

Die Milchsäuregärung ist ein kataboler (=abbauender) Teil des Energiestoffwechsels. Die Energiegewinnung findet anaerob statt, also ohne Sauerstoff. Dabei bauen Milchsäurebakterien, die keinen Sauerstoff benötigen, Kohlenhydrate zu Milchsäure ab.

Kohlenhydrate bestehen aus Zuckermolekülen, daher werden bei der Gärung Glucose (C6H12O6) oder andere Monosaccharide (Einfachzucker) abgebaut. Das Edukt (=Ausgangsstoff) bei der Milchsäuregärung ist das Pyruvat (Brenztraubensäure), welches durch die Glykolyse entsteht. Das Pyruvat (C3H4O3) wird also bei der Milchsäuregärung unter anaeroben Bedingungen zu dem Salz der Milchsäure, dem sogenannten Lactat (C3H5O3) abgebaut. 

Definition

Die Milchsäuregärung (eng. lactic acid fermentation) ist für den Energiestoffwechsel bei Lebewesen wichtig und stellt einen Teil der anaeroben Glykolyse dar. Dabei wird unter anaeroben Bedingungen Pyruvat (Brenztraubensäure) mit Hilfe des Coenzyms NADH zu dem Salz der Milchsäure, dem Lactat reduziert. 

Gärung allgemein

Die Gärung dient Prokaryoten , Hefepilzen und auch Eukaryoten zur Energiegewinnung. Dabei werden organische Stoffe ohne Einbeziehung externer Elektronenakzeptoren wie z.B. Sauerstoff abgebaut. Daher ist die Gärung auch ein Teil der anaeroben Glykolyse , welche wiederum eine Teilreaktion der Zellatmung ist. 

Definition Gärung

Gärung bezeichnet den enzymatischen Abbau von organischen Stoffen, wie beispielsweise Glucose, unter Ausschluss externer Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff. 

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Milchsäuregärung Ablauf

Es gibt zwei Arten der Milchsäuregärung:  die homofermentative und die heterofermentative
Der Hauptunterschied ist, dass bei der heterofermentativen Milchsäuregärung neben Lactat auch noch die Abbauprodukte Kohlendioxid, Essigsäure (Acetat) sowie Ethanol entstehen. 

Homofermentative Milchsäuregärung

Bei der homofermentativen Milchsäuregärung entsteht also als Hauptendprodukt nur das Salz der Milchsäure, das Lactat. 

Die Reaktionsgleichung der Milchsäuregärung sieht wie folgt aus: 

Pyruvat + NADH + H+ → Lactat + NAD+

So stellst du die Reaktion von Pyruvat zu Lactat mit Hilfe des Coenzyms NADH chemisch dar. Die Gleichung kann auch als Formel der Milchsäuregärung bezeichnet werden.

Um die Reaktion besser zu verstehen und zu veranschaulichen, was genau bei der Reaktion von Pyruvat zu Lactat passiert, schauen wir uns diese beiden Moleküle mal anhand der Strukturformeln an:

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Reaktion von Pyruvat zu Lactat anhand der Strukturformeln

Schritt 1: Zunächst wird bei der Glykolyse Glucose zu Pyruvat abgebaut. Falls du die einzelnen Schritte des Abbaus von Glucose zu Pyruvat noch einmal in Ruhe durchgehen möchtest, schau dir gerne unser Video Glykolyse dazu an.

Schritt 2: Das Pyruvat wird mit Hilfe des Coenzyms NADH zum Lactat reduziert. Dabei wird die Carbonylgruppe (C=O) zu einer Hydroxygruppe (C-OH) reduziert . Die Protonen werden dabei vom NADH bereit gestellt und wandern sozusagen vom NADH zu der Carbonylgruppe vom Pyruvat. NADH oxidiert währenddessen zu NAD+. Das NAD+ ist wichtig, damit die Glykolyse immer weiter ablaufen kann.

Mit Hilfe des Bildes kannst du dir das bestimmt besser vorstellen: 

Glucose, ATP, Glykolyse und Milchsäuregärung, NADH/NAD+, Brenztraubensäure, Stoffwechsel, Gärung, Katabolismus
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Reaktion von Glucose zu Lactat über Pyruvat

Hier kannst du sehen, dass das NAD+ bei der Glykolyse, also bei der Reaktion von Glucose zu Pyruvat, als Edukt fungiert. Bei dem Gärungsprozess, also der Reaktion von Pyruvat zu Lactat, ist das NAD+ das Produkt. Dadurch kann NAD+ anschließend wieder für die Glykolyse verwendet werden.  Eine weitere Sache, die du dir klar machen solltest ist, dass bei dem Abbau von Pyruvat zu Lactat kein ATP (Adenosintriphosphat) gebildet wird. Das ATP wird nur im ersten Schritt der Glykolyse gebildet.

Heterofermentative Milchsäuregärung

Bei der heterofermentativen Milchsäuregärung entsteht als Hauptendprodukt nicht nur Lactat, sondern auch noch Ethanol, Essigsäure und Kohlendioxid. Manchen Milchsäurebakterien fehlt ein bestimmtes Enzym, weshalb sie statt der homofermentativen die heterofermentative Milchsäuregärung als Stoffwechselweg wählen. 

Milchsäuregärung Vorkommen 

Wie du bereits weißt, ist die Milchsäuregärung ein wichtiger Prozess der Energiegewinnung. Jetzt möchtest du aber bestimmt auch noch wissen, wo dieser Prozess eigentlich überall stattfindet bzw. angewandt wird. Um diese Frage zu beantworten, betrachten wir zwei große Bereiche: die Lebensmittelherstellung und die Säugetiere.

Milchsäuregärung in der Lebensmittelherstellung

Die Milchsäuregärung ist bereits seit sehr langer Zeit eine beliebte Methode zur Konservierung von Lebensmitteln. Dabei werden die Lebensmittel gesäuert und unerwünschte Bakterien oder Schimmel werden fast vollständig in ihrer Aktivität gehemmt bzw. abgetötet.  Diesen Vorgang nennt man oft auch Fermentation.

Die Milchsäuregärung sorgt also dafür, dass Lebensmittel wie Joghurt, Quark, Salzgurken und Sauerkraut konserviert werden. Diese Lebensmittel enthalten dementsprechend auch Milchsäure. Auch Landwirte nutzen Milchsäure zur Konservierung und machen dadurch Pflanzenmaterial, welches sie als Futtermittel einsetzen, länger haltbar.  

Milchsäuregärung bei Säugetieren

Wie bereits erwähnt, spielt die Milchsäuregärung bei der Energiegewinnung von Lebewesen eine große Rolle. Bei hoher körperlicher Belastung, also z.B. wenn wir Sport treiben, werden die Muskelzellen nicht mehr so gut mit Sauerstoff versorgt. Um trotzdem genug Energie für die Muskelzellen bereit zu stellen, schaltet der Körper auf die Milchsäuregärung um. Das Lactat, welches bei der Reaktion entsteht, verwendet unser Körper weiter, indem er es zur Leber transportiert. Die Leber wandelt Lactat wieder in Pyruvat um und schickt es zurück in die Muskeln. Das ist nützlich für unseren Körper, da Pyruvat viel Energie enthält, die wir unter sauerstoffarmen Bedingungen für uns nutzen können. Das ist durch die Pyruvatoxidation möglich. Die Pyruvatoxidation stellt eine Verbindung zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus dar und ist daher ein sehr wichtiger Prozess.

Schau dir auf jeden Fall unsere Videos dazu an, um noch besser zu verstehen, woher unser Körper die Energie nimmt!

Zum Video: Oxidative Decarboxylierung
Zum Video: Citratzyklus

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