Die anaerobe Fermentation ist eine Methode, mit der Zellen Energie aus Kohlenhydraten gewinnen, wenn Sauerstoff oder andere Elektronenakzeptoren in der Umgebung nicht verfügbar sind. Dies unterscheidet es von der anaeroben Atmung, bei der kein Sauerstoff verwendet wird, sondern Elektronen aufnehmende Moleküle, die von außerhalb der Zelle kommen. Der Prozess kann der Glykolyse als nächstem Schritt beim Abbau von Glukose und anderen Zuckern folgen, um Moleküle von Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren, die eine Energiequelle für die Zelle bilden.
Durch dieses Verfahren ist eine Zelle in der Lage, Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) aus der reduzierten Form von Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) zu regenerieren, ein Molekül, das für die Fortsetzung der Glykolyse erforderlich ist. Die anaerobe Fermentation basiert auf Enzymen, um einem einzelnen Adenosindiphosphat (ADP)-Molekül eine Phosphatgruppe hinzuzufügen, um ATP zu produzieren, was bedeutet, dass es sich um eine Form der Phosphorylierung auf Substratebene handelt. Dies steht im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung, die Energie aus einem etablierten Protonengradienten verwendet, um ATP zu produzieren.
Es gibt zwei Hauptarten der anaeroben Fermentation: die Ethanolfermentation und die Milchsäurefermentation. Beide stellen NAD+ wieder her, damit eine Zelle weiterhin ATP durch Glykolyse erzeugen kann. Die Ethanolfermentation wandelt zwei Pyruvatmoleküle, die Produkte der Glykolyse, in zwei Moleküle Ethanol und zwei Moleküle Kohlendioxid um. Die Reaktion ist ein zweistufiger Prozess, bei dem Pyruvat zunächst durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase in Acetaldehyd und Kohlendioxid umgewandelt wird.
Im zweiten Schritt wandelt die Alkoholdehydrogenase Acetaldehyd in Ethanol um. Dieser Stoffwechselprozess findet in bestimmten Arten von Bakterienzellen und in Hefezellen statt. Dies macht Hefe für die Herstellung von Brot, Bier und Wein beliebt, indem entweder das Kohlendioxid oder das Ethanol aus der Fermentation verwendet wird.
Milchsäuregärung ist eine andere Form der anaeroben Gärung und wird häufig von Muskelzellen in Stresszeiten verwendet, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht. Diese Zellen wandeln die zwei Moleküle Pyruvat aus der Glykolyse in zwei Moleküle L-Lactat um, indem sie das Enzym Lactat-Dehydrogenase verwenden. Dieser Prozess wird als homolaktische Gärung bezeichnet, da zwei Pyruvatmoleküle die gleichen chemischen Reaktionen eingehen und diese Form der Milchsäuregärung in tierischen Muskelzellen und roten Blutkörperchen auftritt.
Bei der heterolaktischen Fermentation durchlaufen die Pyruvatmoleküle verschiedene chemische Reaktionen. Einer wird in Laktat umgewandelt, während der andere in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt wird. Dieser Prozess tritt bei einigen Arten von anaeroben Organismen auf.
Bei Tieren wird das Laktat-Nebenprodukt der anaeroben Fermentation in den Blutkreislauf gepumpt, wo es zur Leber transportiert wird. In einem Prozess namens Cori-Zyklus verwendet die Leber ihre eigenen Enzyme, um das Laktat wieder in Glukose umzuwandeln, wo es vom Körper recycelt werden kann. Die Glukose wird normalerweise zurück zu den Muskeln transportiert, wo sie als Glykogen für den zukünftigen Energiebedarf gespeichert werden kann.