In dieser zweiteiligen Videoreihe werden wir uns mit Mechanismen der Energiegewinnung auseinandersetzen, die ohne Sauerstoff auskommen. Die allermeisten Organismen gewinnen ihre Energie aus den Nährstoffen, die durch die Photosynthese produziert werden. Sie wandeln die aufgenommenen Nährstoffe in den Zucker Glucose um, bauen die Glucose anschließend ab und speichern die dabei frei werdende Energie in Form von ATP. Für den Fall, da Sauerstoff vorhanden ist und aus der Umgebung verbraucht werden kann, nutzen Organismen einen Stoffwechselprozess, der als Zellatmung bezeichnet wird, um dabei Energie zu gewinnen.
Diesen Prozess, der von allen Eukaryoten, Organismen mit Zellkern, sowie manchen Prokaryoten, Organismen ohne Zellkern, wie zum Beispiel Bakterien, genutzt wird und bei dem eine beträchtliche Menge an Energie, nämlich in Form von 32 ATP-Molekülen pro Glukosemolekül, gewonnen wird, werden wir uns in einem weiteren Video detailliert angucken. Es gibt zwei bedeutende Anaerobe, das heißt ohne Sauerstoff, stattfindende Stoffwechselprozesse. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Gärung, bei denen in geringem Maße Energie in Form von ATP gebildet wird.
Zum einen die Milchsäuregärung, die wir uns in diesem Video angucken werden, zum anderen die alkoholische Gärung, hierzu folgt noch ein zweiter Teil. Wovon ist es abhängig, welcher der beiden Stoffwechselprozesse? Aerob an Aerob eingeschlagen wird. Prokaryotische Organismen, Organismen ohne Zellkern, wie zum Beispiel Bakterien, leben häufig in einer Umgebung, in der nicht viel Sauerstoff vorhanden ist.
Bei ihnen sind eine Vielzahl unterschiedlicher Gärungsprozesse bekannt, die durch das jeweilige Endprodukt charakterisiert sind. So wird beim Stoffwechselweg der Milchsäuregärung Pyruvat, erinnert euch, das stammt aus der Glykolyse, zu Milchsäure bzw. deren Salz Lactat abgebaut.
Die Reduktion von Pyruvat zu Lactat lässt sich nicht nur in vielen Mikroorganismen, allen voran natürlich Milchsäurebakterien, beobachten, sondern auch im Muskelgewebe von uns Wirbeltieren. Während die für die Muskelkontraktion erforderliche Energie in der Regel Aerob erfolgt und der Sauerstoff dem Muskel über die Blutbahn zur Verfügung gestellt wird, reicht die Sauerstoffversorgung der Muskulatur durch den Blutkreislauf vor allem bei hoher körperlicher Anstrengung nicht mehr aus. Um trotzdem Energie zu gewinnen, beginnen die Muskelzellen mit der Milchsäuregärung als alternativen Stoffwechselprozess, der ohne Sauerstoff auskommt.
Ob ein Organismus also die deutlich ineffizienteren, aneroben Stoffwechselprozesse zur Energiegewinnung nutzt, ist im hohen Maße von seiner Lebensweise abhängig. Schauen wir uns den Stoffwechselweg mal genauer an. Wie gerade erwähnt ist Pyruvat der Ausgangsstoff der Milchsäuregärung.
Pyruvat ist auch zugleich das Endprodukt der Glykolyse als ersten Teilschritt, bei dem Glucose abgebaut wird. Es ist wirklich wichtig, sich vor Augen zu führen, dass Glucose ein energiereicher Stoff ist. Die Energie, die in einem Molekül Glucose steckt, das wir über unsere Nahrung aufnehmen, kann durch den Glucoseabbau freigesetzt und von den Zellen in Form von ATP gespeichert werden, so dass diese Energie wiederum energieaufwendige Prozesse wie zum Beispiel körperliche Belastungen oder auch das Schauen dieses Videos antreiben kann.
In der Glykolyse wird aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle Pyruvat, zwei ATP und zwei NADH gebildet. Damit die relativ geringe Energiegewinnung in Form von zwei Molekülen ATP weiterhin stattfinden kann, scheint die Aufgabe der Milchsäure-Gärung bereits evident. Es muss das Molekül NAD+, gebildet werden, was anschließend der Glykolyse zugeführt und diese somit weiter aufrechterhalten kann. Genau dies geschieht bei der Milchsäuregierung.
Unter Nutzung von NADH plus H plus als Reduktionsmittel wird Pyruvat zu Milchsäure bzw. deren Salzlaktat reduziert. Dabei wird NAD plus regeneriert, sodass die Glykolyse weiterhin ablaufen kann.
Die Karbonylgruppe, CO-Gruppe, wird dabei durch die Aufnahme des Wasserstoffatoms des Reduktionsmittels zu einer Hydroxygruppe, OH-Gruppe, reduziert. Das andere mitgeschleppte Wasserstoffatom lagert sich ebenfalls an das zweite C-Atom. Das Enzym, das die Reaktion katalysiert, d.h. hervorbringt, ist die Lactatdehydrogenase oder auch einfach nur abgekürzt LDH.
Wenn man im Hinterkopf hat, dass die Glykolyse mit dem anschließenden Prozess der Zellatmung, der alternativ als E-Roberstoffwechselweg, also in Anwesenheit von Sauerstoff genutzt werden kann, Und bei dem insgesamt 32 ATP-Moleküle gebildet werden, ist die Ausbeute von zwei ATP-Molekülen bei der Glykolyse und der anschließenden Gärung bei Anaerobenverhältnissen doch ziemlich mau. Diese Form der Energiegewinnung, die zwar für manche Mikroorganismen üblich ist, die sich aber auch sehr langsam vermehren, ist für den menschlichen Körper allenfalls für kurze Phasen nützlich. Ab einer gewissen Zeit wird die Milchsäurebildung problematisch, da der pH-Wert der Zellen abnimmt und sich damit Aktivitäten in der Zelle verändern, sodass es zu Muskelkrämpfen und Schmerzen kommt, die erst nach einer Ruhephase wieder abklingen.
Die Errechnung der sogenannten Laktatschwelle bzw. Anaerobenschwelle Der Zeitpunkt, bei dem die Laktatkonzentration im Blut einen so hohen Wert erreicht, dass geschlussfolgert werden kann, dass der Muskulatur nicht mehr ausreichend Sauerstoff zur Energiegewinnung bereitsteht, ist im Spitzensportbereich eine sehr bewährte Methode zur Leistungsdiagnostik. Zu welchem Zeitpunkt der körperlichen Belastung ist die anaerobische Schwelle erreicht? Aber sie ist auch Grundlage für Trainingsmethoden mit dem Ziel der Leistungssteigerung.
Wie zögere ich die anaerobische Schwelle eigentlich weiter hinaus? Wie gesagt, im zweiten Video dann die alkoholische Gärung.