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8.13: Fermentation
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8.13: Fermentation

8.13: Fermentation

Most eukaryotic organisms require oxygen to survive and function adequately. Such organisms produce large amounts of energy during aerobic respiration by metabolizing glucose and oxygen into carbon dioxide and water. However, most eukaryotes can generate some energy in the absence of oxygen by anaerobic metabolism.

Aerobic respiration proceeds through a series of oxidation-reduction reactions that end when oxygen–the final electron acceptor–is reduced to water. In the absence of oxygen, this reaction cannot proceed. Instead, cells regenerate NADH produced during glycolysis by using an organic molecule, such as pyruvate, as the final electron acceptor. The process of using an organic molecule to regenerate NAD+ from NADH is called fermentation.

There are two types of fermentation based on the end products of the reaction: 1) lactic acid fermentation and 2) alcohol fermentation. In mammals, lactic acid fermentation takes place in red blood cells that cannot respire aerobically due to lack of mitochondria, as well as in skeletal muscles during strenuous exercise. It also occurs in certain bacteria, like those found in yogurt. In this reaction, pyruvate and NADH are converted to lactic acid and NAD+.

Alcohol fermentation is a two-step process. In the first step, pyruvate is converted to carbon dioxide and acetaldehyde. In the second step, acetaldehyde acts as an electron acceptor and is reduced to ethanol with concomitant conversion of NADH into NAD+. Overall, alcohol fermentation converts pyruvate and NADH into ethanol, carbon dioxide, and NAD+. Yeasts use alcohol fermentation to convert sugars into carbon dioxide and ethanol. This process is harnessed to produce alcoholic beverages such as beer and wine.

Die meisten eukaryontischen Organismen benötigen zum Überleben und zur Ausführung ihrer Funktionen Sauerstoff. Solche Organismen produzieren während der aeroben Atmung große Mengen an Energie, indem sie Glucose und Sauerstoff in Kohlendioxid und Wasser metabolisieren. Die meisten Eukaryonten können jedoch auch in Abwesenheit von Sauerstoff bedingt Energie erzeugen. Dies geschieht dann über den anaeroben Stoffwechsel.

Die aerobe Atmung verläuft durch eine Reihe von Oxidations-Reduktionsreaktionen. Sie gehen dann zu Ende, wenn Sauerstoff als endgültiger Elektronenakzeptor vollständig zu Wasser reduziert wird. In Abwesenheit von Sauerstoff kann diese Reaktion nicht mehr ablaufen. Stattdessen regenerieren die Zellen das während der Glykolyse erzeugte NADH, indem sie ein organisches Molekül, wie z.B. Pyruvat, als endgültigen Elektronenakzeptor verwenden. Der Prozess der Verwendung eines organischen Moleküls zur Regenerierung von NAD+ aus NADH wird als Fermentation bezeichnet.

Es gibt zwei Arten der Fermentation, die auf den Endprodukten der Reaktion basieren. Zum einen gibt es die Milchsäuregärung und zum anderen die Alkoholgärung. Bei Säugetieren findet die Milchsäuregärung in den roten Blutkörperchen statt. Sie können aufgrund fehlender Mitochondrien nicht aerob atmen. Der gleiche Prozess findet ebenso in der Skelettmuskulatur bei anstrengender Bewegung statt. Die Milchsäuregärung wird auch von bestimmten Bakterien genutzt, wie sie z.B. im Joghurt vorkommen. Bei dieser Reaktion werden Pyruvat und NADH zu Milchsäure und NAD+ umgewandelt.

Die Alkoholvergärung ist ein zweistufiger Prozess. In der ersten Stufe wird Pyruvat zu Kohlendioxid und Acetaldehyd umgesetzt. Im zweiten Schritt wirkt Acetaldehyd als Elektronenakzeptor und wird zu Ethanol reduziert. Dabei wird NADH gleichzeitig in NAD+ umgewandelt. Insgesamt werden Pyruvat und NADH durch die Alkoholgärung zu Ethanol, Kohlendioxid und NAD+ umgewandelt. Hefen verwenden die Alkoholgärung, um Zucker in Kohlendioxid und Ethanol umzuwandeln. Dieser Prozess wird zur Herstellung von alkoholischen Getränken wie Bier und Wein genutzt.


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