Milchsäuregärung

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Gärung
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Milchsäuregärung bezeichnet Wege des Energiestoffwechsels bei Lebewesen, bei denen Glucose und andere Monosaccharide zu Milchsäure allein oder daneben noch anderen Endprodukten abgebaut werden. Es sind exergone chemische Umsetzungen, die den Lebewesen als Energiequelle dienen.
Vor allem Milchsäurebakterien betreiben die Milchsäuregärungen. Bei Sauerstoffmangel kann aber auch in manchen Pilzen, Pflanzen und Tieren sowie beim Menschen (→ Hypoxämie) Milchsäure aus Zuckern gebildet werden. Der Regelfall der Milchsäuregärung bei Tieren und dem Menschen ist jedoch die Energiegewinnung aus Glucose in zur oxidativen Weiterverstoffwechselung nicht oder eingeschränkt befähigten Muskelzellen – vgl. hierzu den Abschnitt Milchsäuregärung in Säugetierzellen.

Biochemischer Ablauf

Nach den gebildeten Hauptendprodukten und den Abbauwegen unterscheidet man verschiedene Typen der Milchsäuregärung:

• homofermentative Milchsäuregärung, bei der als Hauptendprodukt nur Milchsäure gebildet wird,
• heterofermentative Milchsäuregärung, bei der als Hauptendprodukte neben Milchsäure im Fall von Hexosen-Abbau Ethanol sowie Kohlenstoffdioxid, im Fall von Pentosen-Abbau Essigsäure gebildet wird,
• Milchsäuregärung durch Bifidobacterium, bei der als Hauptendprodukt Milchsäure und Essigsäure gebildet wird.

Disaccharide werden zunächst in Monosaccharide gespalten.

Homofermentative Milchsäuregärung

Die homofermentative Milchsäuregärung als Übersichtsschema, ausgehend von Glucose. Hierbei werden pro Molekül Glucose zwei Moleküle ATP gebildet.

Bei der homofermentativen Milchsäurebildung werden die Monosaccharide zu Milchsäure umgesetzt, welche unter physiologischen Bedingungen dissoziiert in Lactat-Ionen und Protonen vorliegt.

Dabei wird Glucose zunächst in der Glykolyse zu Pyruvat abgebaut. Dieses wird vom Enzym Laktatdehydrogenase mit dem bei der Oxidation von Glycerinaldehydphosphat zu Phosphoglycerat gebildeten Coenzym NADH zu Lactat (Anion der Milchsäure) reduziert, das NADH wird dabei zu NAD⁺ oxidiert.

$\mathrm {Pyruvat+\ NADH+\ H^{+}\longrightarrow \ Lactat+\ NAD^{+}}$

Im Verlauf der homofermentativen Gärung von Glucose werden je Molekül Glucose je zwei Moleküle Lactat und ATP gebildet, so dass die Summengleichung der homofermentativen Milchsäuregärung wie folgt lautet:

$\mathrm {Glucose+2\ ADP+2\ P_{i}\longrightarrow \ 2\ Lactat+\ 2\ H^{+}\ +2\ ATP+2\ H_{2}O}$

Die Nettoenergieausbeute beträgt also 2 Moleküle ATP je Molekül Glucose.

Das Lactat kann in Säugetierzellen nicht weiter verstoffwechselt werden, sondern nur – falls in ausreichender Menge NAD zur Verfügung steht – zurück in Pyruvat umgewandelt werden. Daher wird es auch als „Stoffwechselsackgasse“ bezeichnet.

Manche Mikroorganismen wie beispielsweise Clostridium propionicum oder Megasphaera elsdenii dagegen können Lactat noch weiter abbauen, beispielsweise zu Propionat und Acetat in der Propionsäuregärung.

Heterofermentative Milchsäuregärung

Der Weg der heterofermentativen Milchsäuregärung wird von Milchsäurebakterien eingeschlagen, denen das Enzym Aldolase fehlt. Dieses ist für die Glykolyse zur Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat in die beiden Phosphotriosen Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehydphosphat erforderlich. Heterofermentative Milchsäuregärer können durch diesen speziellen Stoffwechselweg sowohl Hexosen (wie beispielsweise Glucose oder Fructose), als auch insbesondere Pentosen (Xylose, Ribose) über Xylulose-5-phosphat abbauen. Typische Vertreter sind die obligat heterofermentativen Milchsäuregärer Oenococcus oeni und Leuconostoc mesenteroides, oder die fakultativen Gärer Lactobacillus pentosus und Lactobacillus plantarum.

siehe auch Lactobacillaceae

Biochemie

Die heterofermentative Milchsäuregärung in der Übersicht. Der Abbauweg der Hexosen führt zu anderen Produkten als der von Pentosen. NADH bzw. NADPH sind als „2 [H]“ abgekürzt. Für Einzelheiten bitte Text beachten.

Heterofermentative Milchsäurebakterien sind auf den Abbau von Pentosen spezialisiert. Diese wird unter ATP-Verbrauch in Pentose-5-phosphat überführt und in Xylulose-5-phosphat isomerisiert, was eine Epimerase (EC 5.1.3.1) katalysiert. Das Produkt wird von dem Schlüsselenzym des Stoffwechselweges, der Phosphoketolase (EC 4.1.2.9), unter Einbeziehung eines anorganischen Phosphates (P_i) in die Triose Glycerinaldehydphosphat und Acetylphosphat gespalten. Glycerinaldehydphosphat wird im Zuge der Glykolyse regulär zu Pyruvat umgesetzt, wobei zwei Moleküle ATP sowie ein Molekül NADH gewonnen werden. Dieses NADH wird reoxidiert, indem Pyruvat zu Lactat reduziert wird. Diese Reaktion entspricht dem letzten Schritt der homofermentativen Milchsäuregärung (siehe oben).

Das bei der Spaltung erhaltene Acetylphosphat wird zu Acetat umgesetzt. Die energiereiche Säureanhydridbindung wird genutzt, um ATP über Substratkettenphosphorylierung zu gewinnen. Daher wird bei diesem Schritt ATP aufgebaut, die Reaktion katalysiert eine Acetatkinase (EC 2.7.2.1).

Der Abbau von Pentosen wird auch als Phosphoketolaseweg bezeichnet. Die Nettoenergieausbeute beträgt also 2 Moleküle ATP je Molekül Pentose.

$\mathrm {Pentose+2\ ADP+2\ P_{i}\longrightarrow Lactat+Acetat+2\ ATP+2\ H_{2}O}$

Auch Hexosen können verwertet werden. Hierbei wird diese, beispielsweise Glucose, wie bereits mit den Eingangsschritten des Entner-Doudoroff-Weges durch eine Hexokinase zunächst zu Glucose-6-phosphat durch ATP-Verbrauch aktiviert. Dieses oxidiert eine Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase zu 6-Phosphoglucono-δ-Lacton unter NADP⁺-Verbrauch. Das Lacton wird anschließend durch eine 6-Phosphoglucolactonase zu 6-Phosphogluconat hydrolysiert. Dieses wird dann zu Ribulose-5-phosphat decarboxyliert und mit NADP⁺ oxidiert, was eine Phosphogluconatdehydrogenase (EC 1.1.1.44) katalysiert. Ribulose-5-phosphat wird dann zu Xylulose-5-phosphat epimerisiert und schließlich durch die Phosphoketolase gespalten. Im Gegensatz zum Abbauweg von Pentosen wird jedoch kein Acetat gebildet, da vier zusätzliche Reduktionsäquivalente anfallen, die wieder reoxidiert werden müssen. Dazu wird das entstandene Acetylphosphat über Acetyl-CoA und Acetaldehyd zu Ethanol reduziert.

In der Bilanz wird von den zwei gewonnenen ATP eins zur Phosphorylierung der abzubauenden Glucose verwendet, beim Acetatzweig aber keines gebildet. Infolgedessen beträgt die Nettoenergieausbeute bei der heterofermentativen Milchsäuregärung für Hexosen nur ein Molekül ATP je Hexose:

$\mathrm {Hexose+ADP+P_{i}\longrightarrow Lactat+Ethanol+CO_{2}+ATP+H_{2}O}$

Variationen

Bei der heterofermentative Milchsäuregärung kann die Phosphoketolase auch Fructose-6-phosphat als Substrat akzeptieren, dabei entstehen neben Acetylphosphat Erythrose-4-phosphat. Letzteres wird zu Erythrit-4-phosphat reduziert und nach Phosphatabspaltung zu Erythrit umgesetzt. Dieser als „Erythritweg“ bezeichnete Nebenweg hat indes nur eine geringe Aktivität.

Alternativ kann auch das Glycerinaldehyd zu Glycerin abgebaut werden. Hierbei wird Glycerinaldehyd zunächst zu Glycerin-1-phosphat reduziert und dann zu Glycerin hydrolysiert.

Bedeutung

Da bei Unfähigkeit zur Glykolyse wegen des Fehlens von Aldolase der Abbau von Pentosen günstiger ist als der von Hexosen, sind heterofermentative Milchsäuregärer auf den Abbau von Pentosen spezialisiert. Diese stammen beispielsweise aus Pflanzenmaterial, das diese Bakterien abbauen. Neben Hexosen kommen in größeren Mengen Pentosen auch im Traubenmost, Wein oder Sauerteig vor, so dass viele heterofermentative Milchsäuregärer dort wachsen.

Die Wachstumsraten von heterofermentativen Milchsäuregärern sind beim Abbau von Hexosen niedriger als beim Abbau von Pentosen, da die Wasserstoffüberträger langsamer reoxidiert werden. Der Grund dafür ist die geringe Aktivität der Acetaldehyddehydrogenase. Außerdem wird für diesen Abbauweg Coenzym A als Cofaktor benötigt. Daher ist die Versorgung mit Pantothensäure für die Aufrechterhaltung des Abbauweges nötig. Andernfalls wird die Bildung von Ethanol inhibiert. Damit die Gärung ablaufen kann, müssen die Wasserstoffüberträger durch die Bildung von Glycerin bzw. Erythrit reoxidiert werden (Coenzym A-unabhängig). Da beim Abbau von Pentosen Coenzym A nicht benötigt wird, hat dort ein Mangel von Pantothensäure keinen direkten Einfluss.

Bifidobacterium-Gärung

Gärungsschema bei Bifidobacterium bifidum.

Das Milchsäurebakterium Bifidobacterium bifidum besitzt ebenso wie heterofermentative Milchsäurebakterien keine Aldolase, umgeht den Aldolase-Schritt jedoch auf andere Weise: Fructose-6-phosphat wird phosphorolytisch zu Erythrose-4-phosphat und Acetylphosphat gespalten. Erythrose-4-phosphat wird mit einem weiteren Molekül Fructose-6-phosphat in Transaldolase- und Transketolase-Reaktionen zu zwei Molekülen Xylulose-5-phosphat umgesetzt, die beide phosphorolytisch durch eine Phosphoketolase zu Glycerinaldehydphosphat und Acetylphosphat gespalten werden (Pentosephosphatweg). Mit den drei Molekülen Acetylphosphat werden 3 ADP zu 3 ATP phosphoryliert, wodurch Energie in Form von drei Molekülen ATP konserviert und Essigsäure als eins der beiden Endprodukte gebildet wird. Die beiden Moleküle Glycerinaldehydphosphat werden wie bei anderen Milchsäurebakterien zu Milchsäure, dem zweiten Endprodukt der Gärung, umgesetzt, wobei vier Moleküle ADP zu ATP phosphoryliert werden. Die Nettoenergieausbeute beträgt also 2,5 Moleküle ATP je Molekül Glucose.

$\mathrm {2\ Glucose+5\ ADP+5\ P_{i}\longrightarrow 2\ Lactat+3\ Acetat+5\ ATP}$

Beispiele für das Auftreten von Milchsäuregärung

Milchsäuregärung durch Milchsäurebakterien

Bakterien, die Milchsäure als einziges oder hauptsächliches Gärungsprodukt erzeugen, werden als Milchsäurebakterien bezeichnet. Sie bilden eine Ordnung grampositiver Bakterien und zeichnen sich durch das Fehlen der für die Elektronentransportphosphorylierung nötigen Porphyrine und Cytochrome aus, so dass sie ihre Energie nur mittels an den Zuckerabbau gekoppelter Substratkettenphosphorylierung gewinnen können.

Man unterscheidet dabei:

• homofermentative Stämme von Milchsäurebakterien, die Milchsäure als einziges Hauptendprodukt bilden. Hierzu gehören unter anderem die Gattungen Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus und Pediococcus sowie einige Angehörige der Gattung Lactobacillus.

• heterofermentative Stämme von Milchsäurebakterien, die als Hauptendprodukte neben Milchsäure und Kohlenstoffdioxid bei Hexosen-Abbau Ethanol und bei Pentosen-Abbau Essigsäure bilden. Diesen Bakterien mangelt es an Aldolase, dem Schlüsselenzym der Glykolyse. Hierzu gehören die Gattungen Leuconostoc und einige Angehörige der Gattung Lactobacillus, hauptsächlich Lactobacillus buchneri.

• Die Bakterien-Art Bifidobacterium bifidum, die die Bifidobacterium-Gärung durchführt.

Milchsäuregärung in Säugetierzellen

Im Vergleich zur aeroben Atmung wird bei Gärungen nur eine geringe Menge Energie gewonnen, da dabei statt Citratzyklus und anschließender Atmungskette nur die Substratkettenphosphorylierung genutzt wird. Die Gärung ist jedoch ein Weg, um durch Substratkettenphosphorylierung schnell ATP zu bilden, ohne auf Sauerstoff angewiesen zu sein.

Bei Säugern, zu denen auch der Mensch zählt, gibt es zahlreiche Beispiele dafür, dass Zellen ihre Energie aus der (homofermentativen) Milchsäuregärung decken. So gewinnen schnell zuckende weiße Muskelfasern (FT-Fasern) wegen ihrer geringeren Ausstattung mit Mitochondrien und den entsprechenden Enzymen im Vergleich zu langsam zuckenden roten Muskelfasern (ST-Fasern) ihre Energie bereits bei geringer Intensität durch Milchsäuregärung.

Bei höherer Intensität wird ein höherer Anteil an FT-Fasern rekrutiert. Hierdurch fällt auch Laktat in größeren Mengen an. Solange das gesamte Organ- und Muskelsystem mit dem Transport (vgl. unten) und der weiteren Verstoffwechselung (Laktatutilisation) aber nicht überfordert ist, kann der Körper einen Laktat-Steady-State in Bezug auf das Blut-Laktat aufrechterhalten. Bei sehr hohen Intensitäten (beim Sprint von vornherein) ist eine ausreichend schnelle Energiebereitstellung nur durch eine hohe Glykolyse-Rate möglich, wodurch es zu einem exponentiellen Anstieg des Blutlaktats kommt.

Das bei der Gärung anfallende Lactat wird teilweise während, teilweise im Anschluss an die erhöhte Leistungsabforderung auf verschiedenen Wegen weiter verstoffwechselt. Laktat wird durch einen Monocarboxylat-Transporter 1 in das Blut abgegeben und aus diesem von Leberzellen oder zur Laktatoxidation befähigten Muskelzellen der Skelettmuskulatur und des Herzmuskels aufgenommen und anschließend zu Pyruvat oxidiert („Zell-Zell-Lactat-Shuttle“). Pyruvat kann über den Citratzyklus zur weiteren Energiegewinnung genutzt werden oder – in der Leber – wieder zu Glucose aufgebaut (Gluconeogenese) und den Muskeln und Organen über den Blutkreislauf zugeführt werden (Cori-Zyklus).

Auch andere Organe beziehen ihre Energie aus der Milchsäuregärung, und zwar dann, wenn sie mit Sauerstoff unterversorgt werden. Die dabei ansteigende Lactatkonzentration im Blut führt zu einem Absinken des pH-Wertes, was unter besonderen Umständen (z.B. Erstickung) zu einer Laktatazidose führen kann.

Andere, spezialisierte Zellen beziehen ATP ausschließlich aus dem anaeroben Abbau von Glucose in der Milchsäuregärung. Erythrozyten beispielsweise können wegen fehlender Mitochondrien Glucose nur unter anaeroben Bedingungen verstoffwechseln. Da die Hornhaut gefäßfrei ist, kann Sauerstoff nur durch Diffusion an die Hornhautzellen gelangen und nicht durch den Blutstrom. Dies begrenzt das Angebot an Sauerstoff, so dass eine konstante Energieversorgung nur über die Milchsäuregärung sichergestellt wird.

Auch bei größeren Tieren gelangt häufig Sauerstoff nicht schnell genug in die Gewebe, so dass nötige Energie durch Gärung gewonnen wird. Alligatoren und Krokodile vermögen blitzschnelle Angriffe zu starten, die viel Energie kosten. Diese Energie stammt aus der Milchsäuregärung. Auch Elefanten, Nashörner, Wale und Robben sind auf die Milchsäuregärung angewiesen.

Milchsäuregärung zur Herstellung von Lebens- und Futtermitteln

Zur Konservierung von Lebensmitteln wird die Milchsäuregärung mindestens seit der Jungsteinzeit eingesetzt. Durch die Milchsäurebildung wird das Lebensmittel gesäuert und Verderbniserreger werden fast vollständig in ihrer Aktivität gehemmt oder sogar abgetötet. Beispiele sind Sauermilchprodukte wie Joghurt, Quark und Buttermilch, Brottrunk, Sauerkraut, Salzgurken, Saure Bohnen, das koreanische Gimchi, das japanische Tsukemono und andere Sauergemüse.

Die Milchsäuregärung wird auch zur Veredelung einiger Biersorten genutzt wie Lambic, Berliner Weiße, Gose und andere, was bei diesen veredelten Biersorten zu einer sehr langen Haltbarkeit führt.

Weiterhin wird die Milchsäuregärung zum Brotbacken mit Sauerteig und zur Reifung von Rohwürsten wie Teewurst, Salami und anderen Rohwürsten angewendet.

Zur Milchsäuregärung bei Milchprodukten benötigen die Milchsäurebakterien das Enzym Lactase, welches unter Verwendung von H₂O den Milchzucker Lactose (C₁₂H₂₂O₁₁) in Glucose (C₆H₁₂O₆) und Galactose (C₆H₁₂O₆) umwandelt. Beide so entstandenen Zucker werden über einen oder mehrere der oben beschriebenen Wege umgesetzt.

Die Milchsäuregärung wird auch zur Konservierung von Pflanzenmaterial als Futtermittel in der Landwirtschaft eingesetzt. Man bezeichnet das in der Regel in Silos durchgeführte Verfahren als Silierung und das Produkt als Silage.

Literatur

• Zaunmüller, T. et al. (2006): Variations in the energy metabolism of biotechnologically relevant heterofermentative lactic acid bacteria during growth on sugars and organic acids. In: Appl Microbiol Biotechnol. 72(3):421–429; PMID 16826375; doi:10.1007/s00253-006-0514-3
• Georg Fuchs (Hrsg.), Hans. G. Schlegel (Autor): Allgemeine Mikrobiologie. Thieme Verlag Stuttgart, 8. Auflage 2007, ISBN 3-13-444608-1, S. 353ff.
• Katharina Munk (Hrsg.): Taschenlehrbuch Biologie: Mikrobiologie. Thieme Verlag Stuttgart 2008, ISBN 978-3-13-144861-3, S. 376ff.
• Neil A. Campbell: Biologie. Spektrum Lehrbuch, 6. Auflage, Herausgegeben von J.Markl, Spektrum Verlag, Heidelberg, Berlin 2003, ISBN 3-8274-1352-4.
• Michael T. Madigan, John M. Martinko: Brock Mikrobiologie 11. Auflage, Pearson Studium, München, 2006, ISBN 3-8273-7187-2.