Wie funktioniert die Fermentation?

Fermentation ist ein Stoffwechselprozess, der durch die Wirkung von Enzymen chemische Veränderungen in organischen Substraten hervorruft. In der Biochemie wird es eng definiert als der Prozess, bei dem Glukose anaerob abgebaut wird.

Der Prozess der Fermentation ist komplex und umfasst mehrere Phasen. Hier ist eine vereinfachte Erklärung, wie die Fermentation funktioniert:

1. Glykolyse:Die erste Stufe der Fermentation ist die Glykolyse, die im Zytoplasma der Zelle stattfindet. Bei der Glykolyse wird ein Glucosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle sowie eine kleine Menge ATP (Adenosintriphosphat) und NADH (Nicotinamidadenindinukleotid) zerlegt.

2. Pyruvat-Decarboxylierung:Pyruvat, das bei der Glykolyse entsteht, durchläuft eine chemische Reaktion, die Pyruvat-Decarboxylierung genannt wird. Bei dieser Reaktion wird Pyruvat ein Kohlenstoffatom in Form von Kohlendioxid (CO2) entzogen, was zur Bildung von Acetaldehyd (im Fall der Ethanolgärung) oder Acetyl-CoA (im Fall der Milchsäuregärung) führt.

3. Reduktion:Im nächsten Schritt wird das Acetaldehyd oder Acetyl-CoA reduziert, um das Endprodukt der Fermentation zu bilden. Bei der Ethanolfermentation (durchgeführt durch Hefe) wird Acetaldehyd unter Verwendung von NADH als Elektronendonor zu Ethanol reduziert. Bei der Milchsäuregärung (durchgeführt von einigen Bakterien) wird Acetyl-CoA unter Verwendung von NADH als Elektronendonor zu Milchsäure reduziert.

4. Regeneration von NAD+:Während des Reduktionsschritts wird NADH als Elektronendonor genutzt. Um das zelluläre Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, muss NADH wieder zu NAD+ regeneriert werden, um den Fermentationsprozess aufrechtzuerhalten. Diese Regeneration wird durch verschiedene Mechanismen erreicht, beispielsweise durch die Übertragung von Elektronen auf eine Elektronentransportkette oder die Nutzung anderer Stoffwechselwege.

Insgesamt ermöglicht die Fermentation den Zellen die Erzeugung von ATP und die Produktion spezifischer Endprodukte (wie Ethanol oder Milchsäure), ohne dass Sauerstoff benötigt wird. Es spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Branchen, darunter der Lebensmittelproduktion (z. B. Brauerei und Joghurtherstellung), der Getränkeproduktion und der Biotechnologie.