Fakultative Anaerobier Definition
Ein fakultativer Anaerobier ist ein Organismus, der in Gegenwart von Sauerstoff überleben kann, der Sauerstoff bei der aeroben Atmung nutzen kann, der aber auch ohne Sauerstoff durch Fermentation oder anaerobe Atmung überleben kann. Die meisten Eukaryoten sind obligate Aerobier und können ohne Sauerstoff nicht überleben. Prokaryoten tolerieren ein breites Spektrum an Sauerstoff, von obligaten Anaerobiern, die durch Sauerstoff vergiftet werden, bis hin zu fakultativen Anaerobiern und obligaten Aerobiern. Einige Prokaryonten sind sogar aerotolerant, d. h. sie können in Sauerstoff überleben, nutzen aber anaerobe Wege zur Energiegewinnung.
Ein fakultativer Anaerobier kann das Beste aus beiden Welten erleben. In sauerstoffarmen Zeiten kann ein fakultativer Anaerobier Gärung oder anaerobe Atmung nutzen, um ATP für die Zellen zu erzeugen, typischerweise noch aus dem Abbau von Glukose. Der einzige wirkliche Unterschied zwischen diesen Wegen und der aeroben Atmung besteht darin, dass sie am Ende des Weges einen anderen Elektronenrezeptor verwenden. Die aerobe Atmung ist auf Sauerstoff angewiesen, um am Ende der Elektronentransportkette Elektronen aufzunehmen. Ein fakultativer Anaerobier kann eine Vielzahl anderer Wege nutzen, um mit diesen zusätzlichen Elektronen umzugehen, wie in den Beispielen erörtert.
Es ist zu beachten, dass fakultative Anaerobier manchmal auch als fakultative Aerobier bezeichnet werden. Die Begriffe sind im Allgemeinen austauschbar.
Beispiele einer fakultativen Anaerobie
Hefe
Eine häufige fakultative Anaerobie ist Hefe, die in verschiedenen Kochanwendungen wie der Herstellung von Brot oder Bier verwendet wird. In jedem Fall muss diese fakultative Anaerobierin ohne Sauerstoff auskommen. Dennoch kann die Hefe überleben, und das muss sie auch, damit die Produkte gut werden.
Im Brot ist die Hefe für die Bildung der Luftblasen im Teig verantwortlich. Diese Luftblasen machen das Brot leicht und luftig. Andernfalls würde das Brot zu einer festen Masse backen, ähnlich wie ein Kuchen oder ein Brownie. Die Hefe erzeugt diese Lufttaschen durch die Freisetzung von Kohlendioxid, einem Nebenprodukt der Umwandlung der Glukose im Teig in Energie. Um einen leichteren, luftigeren Teig zu erhalten, lassen Köche den Teig oft „aufgehen“. Dieser Begriff bedeutet einfach, dass man den mit Hefe beladenen Teig an einen warmen Ort stellt und die fakultativen Anaerobier ihre Arbeit tun lässt. Im Laufe von etwa einer Stunde erzeugt die Hefe große Mengen an Kohlendioxid im Teig, wodurch er sich ausdehnt und leichter wird.
In Bier, Wein und anderen alkoholischen Getränken ist Hefe die wichtigste Zutat. Der Prozess der Gärung oder die Bildung von Alkohol findet in Hefe statt, wenn sie viel Zucker, aber wenig Sauerstoff hat. Brauer und Winzer nutzen diesen Aspekt der fakultativen Anaerobie, um den Alkohol in ihren Produkten zu erzeugen. Bei der aeroben Atmung wird die Glukose vollständig zu wenigen verwertbaren Molekülen und Kohlendioxid abgebaut. Bei der Gärung hingegen bleibt ein Endprodukt übrig: Ethanol. Bier- und Weinhersteller erzeugen das Ethanol (einen Alkohol) in ihren Produkten, indem sie die Menge an Zucker und Sauerstoff in ihren Gärtanks streng kontrollieren. Unter diesen Bedingungen werden alle fakultativen Anaerobier in die Gärung gehen und Ethanol als Nebenprodukt absondern. Wenn der Alkohol die richtige Menge in der Mischung erreicht hat, werden die Hefen herausgefiltert und das Getränk wird in Flaschen abgefüllt.
Mollusken
Während die meisten nur an kleine, einzellige fakultative Anaerobier denken, haben mehrere größere Tiergruppen die Fähigkeit entwickelt, ohne Sauerstoff zu überleben. In einer dieser Gruppen, den Mollusken, gibt es eine Gruppe von Organismen, die sich so angepasst haben, dass sie regelmäßig Phasen ohne Sauerstoff überleben. Miesmuscheln, die häufig in Gezeitenzonen zu finden sind, erleben tägliche Veränderungen in ihrem Zugang zum Wasser. Wenn die Flut sinkt, sind die Muscheln der Luft ausgesetzt und müssen ihre Schalen schließen, um nicht auszutrocknen. In einigen Gebieten kann die Flut für längere Zeit ausbleiben. Die Muscheln können ihre Schalen nicht öffnen, um Sauerstoff zu bekommen, oder sie riskieren, auszutrocknen und an Austrocknung zu sterben.
Um dieses Rätsel zu lösen, haben Muscheln wie die auf dem Bild oben die Fähigkeiten eines fakultativen Anaerobiers entwickelt. Anstatt sich auf ihre normale aerobe Atmung zu verlassen, wenn die Flut ausbleibt, schalten die Muscheln auf eine Energieform um, bei der Aminosäuren abgebaut werden. Dadurch kann die Muschel Stunden oder sogar Tage überleben, ohne eine frische Sauerstoffquelle zu bekommen.
Quiz
1. Die Muskeln des Menschen sind auf aerobe Atmung angewiesen, um das für ihre Arbeit notwendige ATP zu produzieren. In Zeiten von Stress und intensiver körperlicher Betätigung geht diesen Muskeln jedoch oft der Sauerstoff aus. In diesem Fall müssen die Muskeln auf eine Form der Gärung zurückgreifen, bei der Milchsäure entsteht. Die Milchsäure kann die Zellen schädigen, wenn sie sich ansammelt, so dass die Zellen schnell zur aeroben Atmung zurückkehren müssen, wenn sie überleben wollen. Sind Menschen fakultative Anaerobier?
A. Nein
B. Ja
C. Vielleicht
2. Was ist der Unterschied zwischen einem fakultativen Anaerobier und einem obligaten Anaerobier?
A. Ein fakultativer Anaerobier hat nur anaerobe Stoffwechselwege.
B. Eine obligate Anaerobie kann in der Gegenwart von Sauerstoff überleben.
C. Eine fakultative Anaerobie kann in Gegenwart von Sauerstoff überleben und Sauerstoff nutzen.
3. Während Wissenschaftler früher glaubten, dass fakultative Anaerobier typischerweise einzellige Überbleibsel aus einer früheren Zeit sind, hat sich gezeigt, dass viele Darmparasiten oft fakultative Anaerobier sind. Welche der folgenden Aussagen erklärt diese Tatsache?
A. Diese Organismen haben einen ständigen Zugang zu Sauerstoff.
B. Oft sind Bereiche des Darms anaerob, so dass diese Organismen gezwungen sind, einen anaeroben Weg zu beschreiten.
C. Diese Organismen gehören nicht zu den fakultativen Anaerobiern.
- Brusca, R. C., & Brusca, G. J. (2003). Invertebrates. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
- Muller, M., Mentel, M., Hellemond, J., & Henze, K. (2012). Biochemie und Evolution des anaeroben Energiestoffwechsels bei Eukaryoten. Microbiology and Molecular Biology Reviews. doi:10.1128/MMBR.05024-11
- University of Comenius. (2018, October 3). Anaerobic Bacteria. Retrieved from Jfmed.uniba.sk: https://www.jfmed.uniba.sk/fileadmin/jlf/Pracoviska/ustav-mikrobiologie-a-imunologie/ANAEROBIC_BACTERIA.pdf