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Hauptunterschied – Gärung vs. Atmung

Gärung und Atmung sind zwei Arten von zellulären Prozessen, die beim Abbau von Glukose in der Zelle ablaufen. Sowohl die Gärung als auch die Atmung sind katabole Prozesse, die Energie in Form von ATP erzeugen. Der Hauptunterschied zwischen Gärung und Atmung besteht darin, dass bei der Gärung kein NADH in der oxidativen Phosphorylierung verwendet wird, um ATP zu erzeugen, während bei der Atmung NADH in der oxidativen Phosphorylierung verwendet wird, um drei ATPs pro NADH zu erzeugen.

Dieser Artikel befasst sich mit:

1. Was ist Fermentation
– Merkmale, Prozess
2. Was ist Respiration
– Merkmale, Prozess
3. Was ist der Unterschied zwischen Fermentation und Respiration

Was ist Fermentation

Fermentation ist der chemische Abbau von organischen Substraten wie Glukose durch Mikroorganismen wie Bakterien und Hefe, wobei typischerweise Sprudel und Wärme entstehen. Sie kommt in Mikroorganismen wie einigen Bakterien, Hefen und parasitären Würmern vor. Die Gärung findet im Zytoplasma der Zellen dieser Organismen statt. Der Nettoertrag der Gärung beträgt nur 2 ATPs. Der Fermentationsprozess läuft in zwei Schritten ab: Glykolyse und partielle Oxidation von Pyruvat.

Es gibt zwei Arten der Fermentation, die Ethanolfermentation und die Milchsäurefermentation. Die Ethanolgärung findet in Hefen in Abwesenheit von Sauerstoff statt. Daher werden sie als fakultative Anaerobier bezeichnet. Die Milchsäuregärung findet in Bakterien statt. In Abwesenheit von Sauerstoff produzieren auch Tiere Milchsäure, hauptsächlich in ihren Muskeln. Milchsäure ist giftig für das Gewebe. Die Glykolyse ist bei beiden Fermentationen gleich. Bei der Glykolyse wird Glukose in zwei Pyruvatmoleküle aufgespalten, wobei als Nettogewinn 2 ATPs entstehen. Darüber hinaus werden zwei Moleküle NADH gebildet, indem Elektronen aus Glyceraldehyd-3-phosphat gewonnen werden. Während der Ethanolgärung wird Pyruvat durch Entfernen von Kohlendioxid zu Acetaldehyd decarboxyliert. Acetaldehyd wird unter Verwendung der Wasserstoffatome des NADH in Ethanol umgewandelt. Das Sprudeln entsteht durch die Freisetzung von Kohlendioxidgas in das Medium durch die Zellen im Medium. Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat in Milchsäure umgewandelt, die dann zu Laktat oxidiert wird. Die chemische Gesamtreaktion für die Ethanolgärung und die Milchsäuregärung sind unten angegeben.

Ethanolgärung:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

Milchsäuregärung:

C6H12O6 → 2C3H6O3 + 2ATP

Was ist Atmung

Atmung ist die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die an der Energiegewinnung durch vollständige Oxidation der Nahrung beteiligt sind. Dabei werden Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte freigesetzt. Die Atmung ist der am häufigsten vorkommende und effizienteste Prozess unter den Prozessen der Energiegewinnung. Sie kommt bei höheren Pflanzen und Tieren vor, die komplexe zelluläre Prozesse mit hohem Energieverbrauch nutzen. Während der Atmung werden 36 ATPs produziert. Der gesamte Prozess findet im Zytoplasma und in den Mitochondrien statt.

Die Atmung erfolgt in drei Schritten: Glykolyse, Zitronensäurezyklus und Elektronentransportkette. Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle auf die gleiche Weise wie bei der Gärung statt. Die beiden Pyruvatmoleküle, die bei der Glykolyse entstehen, werden in die Mitochondrienmatrix übertragen. Sie setzen zwei Kohlendioxidmoleküle frei, jeweils eines davon, und werden bei der oxidativen Decarboxylierung zu Acetyl-CoA. Dieses Acetyl-CoA gelangt in den Zitronensäurezyklus, der auch als Krebszyklus bezeichnet wird. Während des Zitronensäurezyklus wird ein einzelnes Glukosemolekül vollständig zu sechs Kohlendioxidmolekülen oxidiert, wobei 2 GTPs, 6 NADH und 2 FADH2 entstehen. Diese NADH- und FADH2-Moleküle werden mit Sauerstoff kombiniert und erzeugen ATP während der oxidativen Phosphorylierung, die in der inneren Mitochondrienmembran stattfindet. Während der oxidativen Phosphorylierung werden die Elektronen in NADH und FADH2 durch eine Reihe von Elektronenträgern, die so genannte Elektronentransportkette, übertragen. Die Nettoausbeute an ATP beträgt bei der Atmung sechsunddreißig. Die gesamte chemische Reaktion ist unten dargestellt.

Atmung:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Unterschied zwischen Fermentation und Atmung

Definition

Fermentation: Gärung ist der chemische Abbau eines organischen Substrats wie Glukose durch Mikroorganismen wie Bakterien und Hefe, wobei typischerweise Sprudel und Wärme entstehen.

Respiration: Die Atmung ist die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die bei der Energiegewinnung durch vollständige Oxidation der Nahrung ablaufen. Dabei werden Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte freigesetzt.

Sauerstoff

Fermentation: Für die Gärung wird kein Sauerstoff benötigt.

Respiration: Für die Atmung wird Sauerstoff benötigt.

Wasser

Fermentation: Während der Gärung wird kein Wasser produziert.

Respiration: Wasser wird als Nebenprodukt während der Atmung produziert.

Vorkommen

Fermentation: Die Fermentation findet im Zytoplasma statt.

Respiration: Die Respiration findet im Zytoplasma und in den Mitochondrien statt.

Nettoausbeute an ATP

Fermentation: Die Fermentation erzeugt nur zwei ATPs durch den Abbau eines einzigen Glukosemoleküls.

Respiration: Die Atmung erzeugt 36 ATPs durch den Abbau eines einzigen Glukosemoleküls.

Substratoxidation

Fermentation: Das Substrat Glukose wird bei der Gärung nicht vollständig abgebaut.

Respiration: Das Substrat Glukose wird bei der Atmung vollständig abgebaut.

Typen

Fermentation: Ethanolgärung und Milchsäuregärung sind die beiden Arten von Gärungen, die in Organismen vorkommen.

Respiration: Aerobe und anaerobe Atmung sind zwei Arten der Atmung in Organismen.

End-Elektronenakzeptor

Fermentation: Der endgültige Elektronenakzeptor bei der Fermentation ist ein organisches Molekül, normalerweise Acetaldehyd bei der Ethanolfermentation und Pyruvat bei der Milchsäurefermentation.

Respiration: Letzter Elektronenakzeptor ist hauptsächlich Sauerstoff.

Endprodukte

Fermentation: Bei der Ethanolfermentation entstehen Ethanol und Kohlendioxid. Bei der Milchsäuregärung entsteht Milchsäure als Endprodukt.

Respiration: Bei der Respiration entstehen anorganische Endprodukte, Kohlendioxid und Wasser.

NAD+-Regeneration

Fermentation: Während der Regeneration von NAD+ bei der Fermentation wird kein ATP erzeugt.

Respiration: Während der Regeneration von NAD+ bei der Atmung werden drei ATPs erzeugt.

Oxidative Phosphorylierung

Fermentation: Während der Gärung findet keine oxidative Phosphorylierung statt.

Respiration: Bei der Atmung wird ATP aus NADH und FADH2 durch oxidative Phosphorylierung erzeugt.

Art des Organismus

Fermentation: Die Fermentation findet man normalerweise in Mikroorganismen wie Hefe.

Respiration: Die Atmung findet sich in höheren Organismen.

Beitrag

Fermentation: Die Fermentation hat einen geringen Anteil an der Energiegewinnung für die zellulären Prozesse auf der Erde.

Respiration: Die Atmung hat den größten Anteil an der Energiegewinnung für die zellulären Prozesse auf der Erde.

Schlussfolgerung

Fermentation und Atmung sind zwei Prozesse, die am Katabolismus organischer Substrate beteiligt sind, die als Nahrung bei der Energiegewinnung für die zellulären Prozesse verwendet werden. Während der Gärung und der Atmung wird die in organischen Molekülen gespeicherte potentielle Energie in kinetische chemische Energie in Form von ATP umgewandelt. Beide Prozesse beginnen mit der Glykolyse, bei der zwei Pyruvatmoleküle entstehen. Die Glykolyse findet im Zytoplasma aller Zellen der Erde statt. Sauerstoff ist an der Glykolyse nicht beteiligt. In Anwesenheit von Sauerstoff gelangt das Pyruvat im Zytoplasma jedoch in die Mitochondrienmatrix, um den Zitronensäurezyklus zu durchlaufen, der das Pyruvat vollständig oxidiert. Diese vollständige Oxidation findet nur bei der Atmung statt. NADH und FADH2 werden ebenfalls durch den Zitronensäurezyklus erzeugt. Sie werden durch oxidative Phosphorylierung in der inneren Membran der Mitochondrien reduziert. Im Gegensatz dazu findet die Gärung in Abwesenheit von Sauerstoff statt, wobei Pyruvat unvollständig zu Ethanol oder Laktat oxidiert wird. Bei der Ethanolgärung wird Pyruvat in Acetaldehyd umgewandelt, das dann in Ethanol umgewandelt wird. Das NADH, das bei der Glykolyse der Gärung entsteht, gibt bei der Regeneration seine Elektronen an Acetaldehyd ab. Der Hauptunterschied zwischen Gärung und Atmung besteht also in der Fähigkeit, während des Regenerationsprozesses von NAD+ ATP zu erzeugen.

Referenz:
1. Cooper, Geoffrey M. „Metabolic Energy.“ The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. 1970. Web. 07 Apr. 2017.
2. Jurtshuk, Peter und Jr. „Bacterial Metabolism.“ Medical Microbiology. 4th edition. U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. 1996. Web. 07 Apr. 2017.

Image Courtesy:
1. „Heterofermentative Milchsäuregärung“ By Yikrazuul – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. „By Darekk2 – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia