mini|Alkoholische Gärung bei der Herstellung von Bier im offenen Gärbottich mini|hochkant|Bier als Produkt der alkoholischen Gärung Die alkoholische Gärung ist ein enzymatischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, unter anoxischen Bedingungen zu Ethanol („Trinkalkohol“) und Kohlendioxid abgebaut (vergoren) werden. Die meisten Mikroorganismen (Mikroben) mit der Fähigkeit zur alkoholischen Gärung nutzen diesen Stoffwechselweg nur vorübergehend zur Energiegewinnung, wenn der zur Atmung benötigte Sauerstoff fehlt.
Die Nutzung der alkoholischen Gärung durch den Menschen zur Herstellung alkoholischer Getränke gab es schon in prähistorischer Zeit. In der heutigen Zeit dient die alkoholische Gärung außerdem der Umwandlung von Biomasse in Ethanol als sekundärer Energieträger.
Forschungsgeschichte Schon in vorgeschichtlicher Zeit erzeugten Jäger und Sammler alkoholische Getränke. 1815 stellte der französische Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac erstmals die Brutto-Reaktionsgleichung für den Abbau von Glucose zu Ethanol auf. Danach entwickelten sich verschiedene Ansichten über den Ablauf der Gärung. Während in den 1830er Jahren Jöns Jakob Berzelius und Justus von Liebig mit der „mechanistischen Gärungstheorie“ bestimmten Stoffen eine katalysierende Wirkung zuschrieben, meinten Charles Cagniard-Latour, Theodor Schwann und Friedrich Traugott Kützing unabhängig voneinander, dass Lebewesen, nämlich Hefen, dafür verantwortlich seien.E. Racker: History of the Pasteur effect and its pathobiology. In: Mol Cell Biochem. 5(1–2), 1974, S. 17–23. PMID 4279327. doi:10.1007/BF01874168 Louis Pasteur postulierte 1857 die „vitalistische Gärungstheorie“, der zufolge die alkoholische Gärung nur in Verbindung mit lebenden Zellen möglich sei.
Diese Kontroverse wurde am 11. Januar 1897 von dem Chemiker Eduard Buchner entschieden mit einer Publikation über den Nachweis der alkoholischen Gärung mittels zellfreien Hefeextrakts.Eduard Buchner: Alkoholische Gärung ohne Hefezellen. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 30, 1897, S. 1110–1113, doi:10.1002/cber.189703001215. Er machte den Stoff Zymase – nach aktuellem Wissen ein Gemisch verschiedener Enzyme – für die Umsetzung von Zucker zu Ethanol verantwortlich und erhielt 1907 den Nobelpreis für Chemie „für seine biochemischen Untersuchungen und die Entdeckung der zellfreien Gärung“. Nähere Untersuchungen durch Arthur Harden und William John Young führten zur Entdeckung eines phosphorylierten Zwischenprodukts: des Harden-Young-Esters, bekannt als Fructose-1,6-bisphosphat. Zusammen erhielten Harden und Hans von Euler-Chelpin 1929 für ihre „Forschung über die Zuckervergärung und deren Anteil der Enzyme an diesem Vorgang“ ebenfalls den Nobelpreis für Chemie. Nachdem Stück für Stück die Teilreaktionen aufgeklärt und Schemata für den Ablauf der Gärung entworfen wurden, identifizierte Otto Warburg den Cofaktor Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) als essentiellen Bestandteil des Gärprozesses. Schon 1937 gelang Erwin Negelein und Hans Joachim Wulff die Kristallisation des Gärungsenzyms Alkoholdehydrogenase.E. Negelein, H. J. Wulff: Diphosphopyridinproteid, Alkohol, Acetaldehyd. In: Biochemische Zeitschrift, Springer, Berlin, 293, 1937, S. 352–389.
Weitere Forscher, die nach Buchner an der Aufdeckung der Enzymkette der alkoholischen Gärung mitwirkten, waren Carl Neuberg, Gustav Embden, Otto Fritz Meyerhof, Jakub Karol Parnas, Karl Lohmann sowie Gerty Cori und Carl Ferdinand Cori.Klaus Koschel: Die Entwicklung und Differenzierung des Faches Chemie an der Universität Würzburg. In: Peter Baumgart (Hrsg.): Vierhundert Jahre Universität Würzburg. Eine Festschrift. (= Quellen und Beiträge zur Geschichte der Universität Würzburg. Band 6). Degener & Co. (Gerhard Gessner), Neustadt an der Aisch 1982, ISBN 3-7686-9062-8, S. 703–749; hier: S. 729.
Die an der Gärung beteiligten Enzyme aus verschiedenen Spezies sind mittlerweile isoliert und biochemisch charakterisiert (pH-Optimum, Temperaturoptimum, Reaktionsgeschwindigkeit, Umsatzrate). Die Kristallstrukturanalyse gewährte einen ersten Einblick in ihre molekulare Raumstruktur. Es bestehen Erkenntnisse über die Reaktionsmechanismen. Alles in allem können Vergleiche zwischen den Spezies gezogen werden.W. Furey u. a.: Structure-function relationships and flexible tetramer assembly in pyruvate decarboxylase revealed by analysis of crystal structures. In: Biochimica et Biophysica Acta (BBA). Springer, Berlin, 1385, 2, 1998, S. 253–270. PMID 9655915.H. Eklund u. a.: Crystallographic investigations of alcohol dehydrogenases. In: EXS. Birkhäuser, Berlin 71, 1994, S. 269–277. PMID 8032158. Die entschlüsselten Gene, die die Baupläne für diese Enzyme enthalten, geben Aufschluss über die evolutionäre Herkunft und über ihre eventuelle ursprüngliche Funktion.
Die Rolle im Stoffwechsel
mini|hochkant=0.75|Zur Untersuchung der anaeroben Stoffwechselprozesse von Hefen wird ein Gärverschluss aufgesetzt.
Die alkoholische Gärung wird vor allem von Zuckerhefen betrieben, unter Sauerstoffmangel dient sie ihnen zur Energiegewinnung. Steht Sauerstoff zur Verfügung, bauen sie Zucker durch Zellatmung ab und gewinnen so die zum Leben benötigte Energie. Der Zucker wird dabei durch eine lange Reihe chemischer, enzymatischer (d. h. durch Enzyme katalysierter) Umsetzungen (Glykolyse – Citratzyklus – Atmungskette) unter Sauerstoffverbrauch vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Steht kein Sauerstoff zur Verfügung, so haben die Hefen in der alkoholischen Gärung eine alternative Möglichkeit zur Energiegewinnung. Sie können aber damit – im Vergleich zur vollständigen Oxidation durch Zellatmung – wesentlich weniger Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) aus Glucose gewinnen: Beim Abbau von einem Molekül Glucose können bei dessen vollständiger Oxidation 32 Moleküle ATP gewonnen werden,P. C. Hinkle: P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation. In: Biochimica et Biophysica Acta (BBA). Springer, Berlin, 706, 1–2, 2005, S. 1–11. PMID 15620362. bei der alkoholischen Gärung dagegen nur zwei Moleküle ATP. Diese zwei ATP werden in der Glykolyse gewonnen, dem ersten Schritt in der Reaktionsfolge sowohl der Zellatmung als auch der Gärung. Die zwei weiteren Reaktionsschritte der Gärung und damit letztlich die Ethanolproduktion dienen nicht der Energiegewinnung, sondern der Regeneration des Cofaktors NAD+, der bei den enzymatischen Umsetzungen der Glykolyse verbraucht wird. Da NAD nur in begrenzten Mengen vorhanden ist, wird es durch die Gärungsenzyme aus dem reduzierten Zustand (NADH) durch Oxidation mit Acetaldehyd wieder in den oxidierten Zustand (NAD+) versetzt; der Acetaldehyd wird dabei zu Ethanol reduziert.
Hefen sind fakultative Anaerobier. Wenn Sauerstoff zur Verfügung steht, wird Glucose aerob verstoffwechselt, nämlich vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Unter Luftabschluss müssen Hefen dagegen die alkoholische Gärung betreiben. Da bei dieser weit weniger Energie je Molekül umgesetzter Glucose erzeugt wird als bei der aeroben Atmung, steigt die Geschwindigkeit des Glucose-Umsatzes stark an, wodurch der geringere ATP-Gewinn je Molekül umgesetzter Glucose teilweise kompensiert wird. Dieses Phänomen wird Pasteur-Effekt genannt. Wegen der eingeschränkten Energiegewinnung wachsen und vermehren sich Hefen unter Luftabschluss weit weniger stark als bei Luftzutritt. Außerdem wirkt das entstehende Ethanol als Zellgift.
Wenn Hefen in einem Medium mit hoher Zuckerkonzentration wachsen und ihre Enzyme der Zellatmung dadurch überlastet sind, betreiben sie alkoholische Gärung, obwohl genügend Sauerstoff vorhanden ist. Die Hefen nehmen ständig den Zucker auf und verwerten ihn neben der Zellatmung zusätzlich durch Gärung. Es handelt sich hierbei um den Crabtree-Effekt.J. P. van Dijken, R. A. Weusthuis, J. T. Pronk: Kinetics of growth and sugar consumption in yeasts. In: Antonie Van Leeuwenhoek. In: International journal of general and molecular microbiology. Springer, Dordrecht 63, 3–4, 1993, S. 343–352. PMID 8279829.
Neben Hefearten betreiben auch manche Bakterien alkoholische Gärung.K. Tonomura: Ethanol fermentation in bacteria. In: Seikagaku. The journal of Japanese Biochemical Society. Gakkai, Tokyo 59, 10, 1987, S. 1148–1154. So nutzt Sarcina ventriculi den gleichen enzymatischen Weg wie Hefe, während Zymomonas mobilis einen alternativen Weg beschreitet. Ebenso konnte in verschiedenen Pflanzen geringe Ethanolbildung bei Sauerstoffmangel nachgewiesen werden.T. W. Kimmerer, R. C. McDonald: Acetaldehyde and Ethanol Biosynthesis in Leaves of Plants. In: Plant Physiology. Rockville MD, 84, 4, 1987, S. 1204–1209, .
Biochemische Grundlagen Enzymatische Reaktionen
mini|Ablauf der alkoholischen Gärung Die ersten Schritte der alkoholischen Gärung sind die der Glykolyse. Bei Backhefe (S. cerevisiae) ist dies der Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, während das Bakterium Zymomonas mobilis den Entner-Doudoroff-Weg verwendet.Katharina Munk (Hrsg.): Taschenlehrbuch Biologie: Mikrobiologie. Thieme Verlag, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-13-144861-3, S. 378–379. Hierbei wird ein Molekül D-Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat umgesetzt. Bei S. cerevisiae entstehen hierbei zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) aus zwei Molekülen Adenosindiphosphat (ADP) und zwei Phosphatresten (Pi) durch Substratkettenphosphorylierung. Bei Z. mobilis wird nur ein Molekül ATP gebildet. Zusätzlich werden bei beiden Wegen zwei Moleküle NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid) zu zwei Molekülen NADH reduziert.
Damit die Glykolyse erneut ablaufen kann, muss NAD+ regeneriert werden. Dies geschieht unter anaeroben Bedingungen in der folgenden Gärungsreaktion. Von jedem Molekül Pyruvat wird ein Molekül Kohlenstoffdioxid durch das Enzym Pyruvatdecarboxylase () abgespalten. Als Cofaktoren dienen bei dieser Reaktion Thiaminpyrophosphat, ein Verwandter des Vitamin B1, und zwei Magnesiumionen. Die Pyruvatdecarboxylase darf nicht mit der Pyruvatdehydrogenase E1 () des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes verwechselt werden, das beim aeroben Abbau von Pyruvat eine zentrale Rolle spielt.
Das in diesem Schritt entstehende Acetaldehyd ist für den Organismus sehr giftig und wird im folgenden Schritt sofort weiter umgesetzt. Das katalysierende Enzym Alkoholdehydrogenase () enthält ein Zinkion (Zn2+), welches die Carbonylgruppe am Acetaldehyd polarisiert. Dadurch können zwei Elektronen und ein Proton vom NADH auf das Acetaldehyd übertragen werden, wodurch es zu Ethanol reduziert und NAD+ regeneriert wird. Sowohl die Glykolyse als auch die zwei Folgereaktionen finden im Zytoplasma der Zelle statt.
Die Netto-Reaktionsgleichung für Bäckerhefe lautet:
Das Enzym Alkoholdehydrogenase stellt Ethanol durch Reduktion von Acetaldehyd her, katalysiert aber auch die Rückreaktion. Während der alkoholischen Gärung läuft zum größten Teil die Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol ab. Das entstandene Ethanol wird anschließend von den Zellen an die Umgebung abgegeben.
Die Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd dagegen findet beispielsweise bei der Entgiftung von Ethanol in der Leber statt. Acetaldehyd ist giftig und neben Fuselölen die Hauptursache für Kopfschmerz und Übelkeit nach heftigem Alkoholgenuss (der sogenannte „Kater“). Acetaldehyd wird vom Enzym Acetaldehyddehydrogenase zu Essigsäure oxidiert.
mini|hochkant=0.6|Methanolabbau im Körper, katalysiert durch die Alkoholdehydrogenase (ADH)
Nebenprodukte