Die alkoholische Gärung

Ohne Sauerstoff gewinnt Hefe ATP allein in der Glykolyse — die beiden Folgeschritte regenerieren nur das NAD⁺.

• Glykolyse: Glucose → 2 Pyruvat (C3) im Cytoplasma; netto 2 ATP durch Substratkettenphosphorylierung und 2 NADH + H⁺.
• Decarboxylierung: Die Pyruvatdecarboxylase spaltet von jedem Pyruvat CO₂ ab: Pyruvat → Ethanal (Acetaldehyd, C2) + CO₂.
• Reduktion: Die Alkoholdehydrogenase überträgt Wasserstoff: Ethanal + NADH + H⁺ → Ethanol + NAD⁺.
• Funktion: Das regenerierte NAD⁺ hält die Glykolyse in Gang. Die Folgeschritte selbst liefern kein ATP.
• Vergleich: Die Milchsäuregärung braucht nur einen Schritt (Lactatdehydrogenase) und setzt kein CO₂ frei; die alkoholische Gärung ist zweistufig. Die ATP-Ausbeute ist gleich: 2 ATP je Glucose.

Hefezellen schalten je nach Sauerstoffangebot zwischen Zellatmung und Gärung um.

• Mit O₂: Zellatmung, ≈ 32 ATP je Glucose → starkes Wachstum, kaum Ethanol; CO₂ stammt aus oxidativer Decarboxylierung und Citratzyklus.
• Ohne O₂: Alkoholische Gärung, 2 ATP je Glucose → wenig Wachstum, viel Ethanol und CO₂.
• Pasteur-Effekt: Wird belüftet, sinkt der Glucoseverbrauch: Für dieselbe ATP-Menge braucht die Zelle nur etwa ein Sechzehntel der Glucose.
• Nutzung: Brot (CO₂ lockert den Teig, Ethanol verdampft beim Backen), Bier und Wein (Ethanol), Bioethanol als Kraftstoff.

• Hypothese: Eine begründete, überprüfbare Vermutung, z. B. „Hefe bildet nur dann CO₂, wenn ein vergärbarer Zucker vorliegt.“
• Variablen: Unabhängige Variable wird verändert (Zuckerart), abhängige Variable wird gemessen (CO₂-Volumen je Zeit), kontrollierte Variablen bleiben konstant (Temperatur, Hefemenge, Volumen, Messzeit).
• Messung: Im Einhorn-Gärröhrchen sammelt sich CO₂ im geschlossenen Schenkel und verdrängt die Lösung; das Volumen wird an der Skala abgelesen.
• Nachweis: CO₂ trübt Kalkwasser (Calciumcarbonat fällt aus); Ethanol z. B. mit Alkohol-Teststäbchen.
• Kontrollansatz: Gleicher Ansatz ohne Hefe bzw. ohne Zucker — er zeigt, dass das Gas wirklich aus der Gärung stammt.
• Auswertung: Mehrfachansätze mitteln. Fällt das Ergebnis wie vorhergesagt aus, wird die Hypothese gestützt, sonst widerlegt — bewiesen ist sie nie.

Starte die Simulation eines Hefeansatzes mit Glucose — mit ▶ in der Titelleiste, schrittweise oder im Zeitraffer. Stelle vorher die Belüftung ein; du kannst sie auch während des Laufs umschalten. „Neuer Lauf“ lässt den bisherigen Lauf gestrichelt stehen. Alle Werte sind Modellwerte: Glucose in % der Startmenge, Ethanol und CO₂ in % der Höchstmenge (2 bzw. 6 mol je mol Glucose), Hefezellen in % des 12-fachen Startwerts.

Halte fest: Mit Sauerstoff veratmet die Hefe Glucose vollständig, vermehrt sich stark und bildet kaum Ethanol. Ohne Sauerstoff gärt sie: Sie wächst wenig, verbraucht je Zelle mehr Glucose und bildet Ethanol und CO₂ (Pasteur-Effekt).