Alkoholische Gärung

Alkoholische Gärung einfach erklärt

Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose enzymatisch, also auf Grund von Enzymen,  in mehreren Schritten unter Abwesenheit von Sauerstoff, also anaerob, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. 

In den Zwischenschritten bildet sich neben der Brenztraubensäure auch Acetaldehyd (Ethanal). Insbesondere die Hefe betreiben die alkoholische Gärung, um Energie zu gewinnen.

Gärung allgemein

Doch was bedeutet der Begriff der Gärung überhaupt. Gärung bezeichnet den enzymatischen Abbau von organischen Stoffen, wie beispielsweise Glucose, unter Ausschluss externer Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff. Dabei dient die Gärung Organismen zur Energiegewinnung. 

Neben der alkoholischen Gärung gibt es noch die Milchsäuregärung, welche eine wichtige Rolle in unserem körpereigenen Stoffwechsel spielt.

Alkoholische Gärung Formel

Schauen wir uns zuerst die allgemeine Reaktionsformel der alkoholischen Gärung an. Glucose (C₆H₁₂O₆) reagiert mit zwei ADP und zwei Phosphat (P_i) zu zwei Ethanol (C₂H₅OH), zwei Kohlenstoffdioxid (CO₂) und zwei ATP. Folgender Prozess läuft erst enzymatisch unter dem Zusatz von Hefen ab. Hefen enthalten die nötigen Enzyme, um die Reaktion ablaufen zu lassen.

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP

Dein ATP (Adenosintriphosphat) dient als Energieträger in Zellen. Durch die Abspaltung von Phosphat P entsteht aus deinem ATP das ADP (Adenosindiphosphat), wobei Energie frei wird. Durch die Reaktion von ADP mit Phosphat, die Energiezufuhr braucht, kann freigesetzte Energie, beispielsweise aus der alkoholischen Gärung, in Form von ATP gespeichert werden.

ATP ⇌ ADP + P_i + Energie

Alkoholische Gärung Reaktionsgleichung

Gehen wir mal ausführlicher auf die alkoholische Gärung ein und schauen uns die Reaktionsgleichungen der einzelnen Schritte an. 

Zuerst zum NAD⁺ – Dieses ist ein Coenzym, welches formal zwei Wasserstoffatome aufnimmt und somit zu NADH und H⁺ reagiert. Das NADH und H⁺ kann ebenfalls zum NAD⁺ zurückreagieren, indem es formal zwei Wasserstoffatome abgibt.

NAD⁺ + 2 H ⇌ NADH + H⁺

Zuerst wird deine Glucose im Rahmen der Glykolyse zu zwei Brenztraubensäure-Molekülen abgebaut. Dabei benötigst du zwei NAD⁺ und gewinnst zwei ATP. Glucose gibt formal insgesamt vier Wasserstoffatome ab und wird somit zu zwei Brenztraubensäure-Molekülen oxidiert. Zwei NAD⁺ nehmen formal insgesamt vier Wasserstoffatome von der Glucose auf und werden zu zwei NADH und H⁺ reduziert.

Falls du ausführlichere Informationen über die Glykolyse haben möchtest, kannst du dir hier unser Video dazu anschauen.

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Der nächste Schritt ist die Decarboxylierung, bei der sich Acetaldehyd bildet. Bei der Decarboxylierung bildest du aus den zwei Brenztraubensäure-Molekülen neben zwei Acetaldehyd-Molekülen auch zwei Kohlenstoffdioxid-Moleküle. Eingeleitet wird die Decarboxylierung durch das Enzym Pyruvatdecarboxylase.

Zum Schluss reduzierst du deine zwei Acetaldehyd-Moleküle zu zwei Ethanol-Molekülen. Das Enzym Alkoholdehydrogenase ist an diesem Schritt beteiligt. Deine zwei Acetaldehyd-Moleküle nehmen also mithilfe von zwei NADH und H⁺, welche aus der Glykolyse stammen, pro Molekül formal jeweils zwei Wasserstoffatome auf. Du oxidierst deine zwei NADH und H⁺ somit wieder zu zwei NAD⁺, welches du in der Glykolyse wieder brauchst.

Alkoholische Gärung Bedingungen

Gucken wir uns die Bedingungen in der alkoholischen Gärung an. Wie du schon gemerkt hast, läuft die alkoholische Gärung im Gegensatz zur Atmungskette , ganz ohne Sauerstoff, also anaerob ab. Organismen können somit auch unter Sauerstoffausschluss Energie gewinnen. Gärungsprozesse sind jedoch nicht besonders effizient, da pro Molekül Glucose nur 2 ATP entstehen. Beispielsweise entstehen in der Atmungskette pro Molekül Glucose 38 ATP. 

Nebenprodukte können bei der alkoholischen Gärung ebenfalls anfallen. Eines von den Nebenprodukten ist Methanol, das im Körper durch die Alkoholdehydrogenase zu Formaldehyd oxidiert wird. Dein Formaldehyd wird danach durch die Aldehyddehydrogenase in die Ameisensäure überführt. Trinkst du nun Alkohol mit hohem Methanolgehalt, so bildet sich entsprechend viel Ameisensäure. Übermäßige Gehalt an Methanol im Alkohol kann somit neben Erblindung zum Tod führen.

Alkoholische Gärung Hefe

Für die alkoholische Gärung benötigst du Hefen. In den Hefen sind die Enzyme Pyruvatdecarboxylase und Alkoholdehydrogenase enthalten. Da es sich bei der alkoholischen Gärung um einen enzymatischen Prozess handelt, kannst du die Reaktionsgeschwindigkeit durch Temperaturvariation beeinflussen. Deine Reaktionsgeschwindigkeit wird gemäß der RGT-Regel mit steigender Temperatur zunehmen. Allerdings darfst deine Temperatur nicht zu hoch sein, da sonst die räumliche Struktur deiner Enzyme durch Denaturierung verändert wird und somit die Aktivität reduziert wird. Deine Hefeenzyme denaturieren etwa bei 40 °C. Diese Erkenntnis ist vor allem industriellen Prozessen wichtig, wenn du Ethanol im großen Maßstab mithilfe von Hefen herstellen willst.

Alkoholische Gärung im Alltag

Schauen wir uns zum Schluss mal an, wo die alkoholische Gärung im Alltag eine Rolle spielt.

Du stellst insbesondere alkoholische Getränke mithilfe der alkoholischen Gärung her. Sowohl Bier als auch Wein basieren auf Vergärung von Zuckermolekülen. Beim Bier verwendest du Stärke als Ausgangssubstanz, welches dann in Zuckermoleküle aufgespalten wird. Hingegen dient bei der Weinherstellung Zuckerhaltiger Traubensaft als Ausgangsstoff.

Die Herstellung von Backwaren basiert ebenfalls auf der alkoholischen Gärung. Jedoch nutzt du hier das Kohlenstoffdioxid, das durch den Zusatz von Hefe entsteht. Das Kohlenstoffdioxid vergrößert dein Volumen im Teig erheblich und sorgt dafür, dass dein Teig „aufgeht“. Dein Ethanol verdampft beim Backen.

In der chemischen Industrie wird Ethanol in großen Mengen benötigt und im Gärungsprozess hergestellt. Du brauchst Ethanol unter anderem im E10-Kraftstoff, der 10% Bioethanol enthält. Bioethanol bezeichnet Ethanol. der ausschließlich aus Biomasse hergestellt wird. Auch als Desinfektionsmitteln findest du Ethanol meist in 80%-tigen Konzentrationen. Darüber hinaus benötigst du Ethanol vielen chemischen Synthesen oder auch in großtechnischen Verfahren beispielsweise als Lösungsmittel.