Der Pasteur-Effekt: Ein einfaches Experiment zur phänomenologischen Erarbeitung
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DOI: 10.1002/ckon.201310210 Der Pasteur-Effekt: Ein einfaches Experiment zur phȨnomenologischen Erarbeitung Rebekka Heimann,* Sabine Bortlik und Renate Berger-Hoffmann [a] Stichworte: Hefe · GȨrung · Pasteur-Effekt 1. Einleitung Als Pasteur-Effekt wird die „Hemmung der GȨrung durch Sauerstoff und der damit verbundene Rɒckgang der Glucose- verarbeitung“ bezeichnet [1, S. 281]. Der genaue Regulations- mechanismus wird im Zusammenhang mit der phȨnomenolo- gischen Erarbeitung nicht thematisiert. Rein phȨnomenolo- gisch Ȩußert sich der Pasteur-Effekt darin, dass in Anwesen- heit von Sauerstoff der Glucose-Umsatz durch die Hefe ver- ringert wird, was sich auch in einer verringerten Kohlenstoffdioxid-Freisetzung Ȩußert. Dies macht biologisch durchaus Sinn. Bei der alkoholischen GȨrung, die unter anae- roben Bedingungen ablȨuft, wird die Glucose nur bis zum Ethanol abgebaut, das selbst noch energiereich ist, was sich z. B. bei seiner exothermen Reaktion mit Sauerstoff im Rahmen der Verbrennung zeigt. Der Abbau von Glucose unter anaeroben Bedingungen bei der GȨrung liefert dem Or- ganismus pro Molekɒl Glucose zwei Molekɒle ATP (Adeno- sintriphosphat). ATP ist die Hauptspeicherform der im Kçrper durch Stoffwechselprozesse bereitgestellten Energie. Außerdem entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Atmung hinge- gen, die in Anwesenheit von Sauerstoff stattfindet, entstehen die beiden energiearmen Produkte Wasser und Kohlenstoffdi- oxid, wobei aus dem Abbau von einem Molekɒl Glucose 38 Molekɒle ATP aufgebaut werden kçnnen. Aus der gleichen Menge Glucose wird bei der Atmung somit neunzehn Mal so viel Energie verfɒgbar gemacht wie bei der GȨrung. Um die gleiche Energie in einer fɒr die LebensvorgȨnge nutzbaren Form zu gewinnen, muss also bei der Atmung viel weniger Glucose eingesetzt werden. Dieses Prinzip kann im Rahmen eines fȨcherɒbergreifenden Chemieunterrichts anhand eines einfachen Experiments erarbeitet werden. Es wird folgende Frage aufgeworfen: Hefe baut Glucose ab, um daraus Energie in einer Form zu gewinnen, die sie fɒr ihren Stoffwechsel braucht – in Form von ATP. Wenn man Hefe mit der gleichen Menge Glucose einmal einer sauerstoff- reichen und einmal einer sauerstoffarmen Umgebung aussetzt, in welchem Fall wird mehr Glucose abgebaut? Hierzu werden Hypothesen gesammelt. Zu ihrer Ƞberprɒfung wird ein Expe- riment durchgefɒhrt. Eine Ausgangsvorschrift findet sich in [2]. Diese ist jedoch fɒr den normalen Chemieunterricht viel zu aufwȨndig. Dabei wird die Hefe zunȨchst in Anwesenheit eines Citrat-Puffers mit Glucose in hoher Konzentration vorinkubiert. Am nȨch- sten Tag wird die Hefe abzentrifugiert und gewaschen. Der Sinn dieses Schrittes liegt nach [2] darin, dass Glucose von der Hefe einerseits fɒr Atmung und GȨrung verwendet wird, an- dererseits aber auch zur Herstellung des Disaccharids Trehalo- se. Um deutliche Unterschiede im Glucose-Verbrauch von GȨrung und Atmung erkennen zu kçnnen, sollte mçglichst wenig Trehalose aufgebaut werden, was durch die Vorinkuba- tion unterstɒtzt wird. Auch der weitere Verlauf des in [2] bei 37 8C ablaufenden Versuchs ist recht kompliziert. Ƞber 3 Stun- den wird die eine Probe kontinuierlich mit Kohlenstoffdioxid begast, die andere von Druckluft durchstrçmt. Wir haben nun in verschiedenen VersuchsansȨtzen untersucht, ob der Pas- teur-Effekt nicht auch mit einer sehr viel einfacheren Ver- suchsanordnung sichtbar gemacht werden kann. Dabei haben wir eine einfache Variante gefunden. Statt Kohlenstoffdioxid haben wir fɒr den GȨransatz Stickstoff bzw. Luft verwendet. 2. Experimentelles Versuch 1: Ɛnderung der Glucose-Konzentration in einem sauerstoffreichen und einem sauerstoffarmen Milieu bei Einwirkung von Hefe GerȨte und Chemikalien: Sauerstoff aus der Druckgasflasche oder als goX (Sauerstoff medizinisch, Spraydose 6 L), Stick- stoff, 1%ige Glucose-Lçsung (w/v) (10 g Glucose (wasserfrei) in dest. Wasser lçsen und auf 1 L auffɒllen; die Lçsung min- destens 2 Stunden vor dem Versuch ansetzen), Kaliumcitrat- Lçsung (hergestellt aus 50 mL CitronensȨure, c = 0,02 mol L À1 , mit 3 mL Kalilauge, c(KOH) = 1 mol L À1 ), frische BȨckerhefe, GlucoteststȨbchen (Diaburtest 5000), 2 Erlenmeyerkolben (250 mL Enghals), 2 Magnetrɒhrer, 2 Rɒhrfische, 2 UhrglȨser, 2 dɒnne Frɒhstɒckstɒten, Bleistift, 2 GummibȨnder, Messer Durchfɒhrung: In zwei Erlenmeyerkolben werden je 100 mL Glucose-Lçsung gegeben. Je 1 mL der Kaliumcitrat-Lçsung und je ein Rɒhrfisch werden zugesetzt. Auf zwei UhrglȨsern werden je 12 g frische BȨckerhefe abge- wogen und zerkleinert. Der eine Kolben wird nun mit Sauerstoff gespɒlt, der andere mit Stickstoff. Dies geschieht, indem die Gase zunȨchst 60 Se- kunden in die Lçsung und dann 15 Sekunden in den ɒberste- henden Raum geleitet werden. Steht kein Stickstoff zur Verfɒ- gung, kann der sauerstoffarme Ansatz auch einfach ohne Ein- leiten eines Gases, also in Luft erfolgen. Die abgewogene Hefe wird schnell hinzugegeben und der Glucotest durch Eintauchen eines GlucoteststȨbchen durchge- fɒhrt (mçglichst mit dem TeststȨbchen kein Hefestɒck berɒh- ren). Sofort danach werden die Erlenmeyerkolben mit einer dɒnnen Plastikfrɒhstɒckstɒte und einem Gummiband ver- schlossen. Zum Druckausgleich wird mit einer Bleistiftspitze ein Loch in den Verschluss gestochen. Beide AnsȨtze werden auf den Magnetrɒhrer gestellt und 30 Minuten lang bei mittlerer Stufe gerɒhrt. Die Schaumentwicklung wird beobachtet. Nach 30 Minuten wird der Glucotest erneut durchgefɒhrt. [a] Prof. Dr. R. Heimann, S. Bortlik, Dr. R. Berger-Hoffmann UniversitȨt Leipzig Institut fɒr Didaktik der Chemie Johannisallee 29 04103 Leipzig * E-Mail: [email protected] CHEMKON 2013, 20, Nr. 4, 191 – 192 # 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 191 DAS EXPERIMENT
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DOI: 10.1002/ckon.201310210
Der Pasteur-Effekt: Ein einfaches Experimentzur ph�nomenologischen ErarbeitungRebekka Heimann,* Sabine Bortlik und Renate Berger-Hoffmann[a]
Stichworte: Hefe · G�rung · Pasteur-Effekt
1. Einleitung
Als Pasteur-Effekt wird die „Hemmung der G�rung durchSauerstoff und der damit verbundene R�ckgang der Glucose-verarbeitung“ bezeichnet [1, S. 281]. Der genaue Regulations-mechanismus wird im Zusammenhang mit der ph�nomenolo-gischen Erarbeitung nicht thematisiert. Rein ph�nomenolo-gisch �ußert sich der Pasteur-Effekt darin, dass in Anwesen-heit von Sauerstoff der Glucose-Umsatz durch die Hefe ver-ringert wird, was sich auch in einer verringertenKohlenstoffdioxid-Freisetzung �ußert. Dies macht biologischdurchaus Sinn. Bei der alkoholischen G�rung, die unter anae-roben Bedingungen abl�uft, wird die Glucose nur bis zumEthanol abgebaut, das selbst noch energiereich ist, was sichz.B. bei seiner exothermen Reaktion mit Sauerstoff imRahmen der Verbrennung zeigt. Der Abbau von Glucoseunter anaeroben Bedingungen bei der G�rung liefert dem Or-ganismus pro Molek�l Glucose zwei Molek�le ATP (Adeno-sintriphosphat). ATP ist die Hauptspeicherform der imKçrper durch Stoffwechselprozesse bereitgestellten Energie.Außerdem entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Atmung hinge-gen, die in Anwesenheit von Sauerstoff stattfindet, entstehendie beiden energiearmen Produkte Wasser und Kohlenstoffdi-oxid, wobei aus dem Abbau von einem Molek�l Glucose 38Molek�le ATP aufgebaut werden kçnnen. Aus der gleichenMenge Glucose wird bei der Atmung somit neunzehn Mal soviel Energie verf�gbar gemacht wie bei der G�rung. Um diegleiche Energie in einer f�r die Lebensvorg�nge nutzbarenForm zu gewinnen, muss also bei der Atmung viel wenigerGlucose eingesetzt werden. Dieses Prinzip kann im Rahmeneines f�cher�bergreifenden Chemieunterrichts anhand eineseinfachen Experiments erarbeitet werden.Es wird folgende Frage aufgeworfen: Hefe baut Glucose ab,um daraus Energie in einer Form zu gewinnen, die sie f�rihren Stoffwechsel braucht – in Form von ATP. Wenn manHefe mit der gleichen Menge Glucose einmal einer sauerstoff-reichen und einmal einer sauerstoffarmen Umgebung aussetzt,in welchem Fall wird mehr Glucose abgebaut? Hierzu werdenHypothesen gesammelt. Zu ihrer �berpr�fung wird ein Expe-riment durchgef�hrt.Eine Ausgangsvorschrift findet sich in [2]. Diese ist jedoch f�rden normalen Chemieunterricht viel zu aufw�ndig. Dabeiwird die Hefe zun�chst in Anwesenheit eines Citrat-Puffersmit Glucose in hoher Konzentration vorinkubiert. Am n�ch-sten Tag wird die Hefe abzentrifugiert und gewaschen. DerSinn dieses Schrittes liegt nach [2] darin, dass Glucose von der
Hefe einerseits f�r Atmung und G�rung verwendet wird, an-dererseits aber auch zur Herstellung des Disaccharids Trehalo-se. Um deutliche Unterschiede im Glucose-Verbrauch vonG�rung und Atmung erkennen zu kçnnen, sollte mçglichstwenig Trehalose aufgebaut werden, was durch die Vorinkuba-tion unterst�tzt wird. Auch der weitere Verlauf des in [2] bei378C ablaufenden Versuchs ist recht kompliziert. �ber 3 Stun-den wird die eine Probe kontinuierlich mit Kohlenstoffdioxidbegast, die andere von Druckluft durchstrçmt. Wir haben nunin verschiedenen Versuchsans�tzen untersucht, ob der Pas-teur-Effekt nicht auch mit einer sehr viel einfacheren Ver-suchsanordnung sichtbar gemacht werden kann. Dabei habenwir eine einfache Variante gefunden. Statt Kohlenstoffdioxidhaben wir f�r den G�ransatz Stickstoff bzw. Luft verwendet.
2. Experimentelles
Versuch 1: �nderung der Glucose-Konzentration in einemsauerstoffreichen und einem sauerstoffarmenMilieu bei Einwirkung von Hefe
Ger�te und Chemikalien: Sauerstoff aus der Druckgasflascheoder als goX (Sauerstoff medizinisch, Spraydose 6 L), Stick-stoff, 1%ige Glucose-Lçsung (w/v) (10 g Glucose (wasserfrei)in dest. Wasser lçsen und auf 1 L auff�llen; die Lçsung min-destens 2 Stunden vor dem Versuch ansetzen), Kaliumcitrat-Lçsung (hergestellt aus 50 mL Citronens�ure, c=0,02 molL�1,mit 3 mL Kalilauge, c(KOH)=1 molL�1), frische B�ckerhefe,Glucotestst�bchen (Diaburtest 5000), 2 Erlenmeyerkolben(250 mL Enghals), 2 Magnetr�hrer, 2 R�hrfische, 2 Uhrgl�ser,2 d�nne Fr�hst�ckst�ten, Bleistift, 2 Gummib�nder, MesserDurchf�hrung: In zwei Erlenmeyerkolben werden je 100 mLGlucose-Lçsung gegeben. Je 1 mL der Kaliumcitrat-Lçsungund je ein R�hrfisch werden zugesetzt.Auf zwei Uhrgl�sern werden je 12 g frische B�ckerhefe abge-wogen und zerkleinert.Der eine Kolben wird nun mit Sauerstoff gesp�lt, der anderemit Stickstoff. Dies geschieht, indem die Gase zun�chst 60 Se-kunden in die Lçsung und dann 15 Sekunden in den �berste-henden Raum geleitet werden. Steht kein Stickstoff zur Verf�-gung, kann der sauerstoffarme Ansatz auch einfach ohne Ein-leiten eines Gases, also in Luft erfolgen.Die abgewogene Hefe wird schnell hinzugegeben und derGlucotest durch Eintauchen eines Glucotestst�bchen durchge-f�hrt (mçglichst mit dem Testst�bchen kein Hefest�ck ber�h-ren). Sofort danach werden die Erlenmeyerkolben mit einerd�nnen Plastikfr�hst�ckst�te und einem Gummiband ver-schlossen. Zum Druckausgleich wird mit einer Bleistiftspitzeein Loch in den Verschluss gestochen.Beide Ans�tze werden auf den Magnetr�hrer gestellt und 30Minuten lang bei mittlerer Stufe ger�hrt.Die Schaumentwicklung wird beobachtet. Nach 30 Minutenwird der Glucotest erneut durchgef�hrt.
[a] Prof. Dr. R. Heimann, S. Bortlik, Dr. R. Berger-HoffmannUniversit�t LeipzigInstitut f�r Didaktik der ChemieJohannisallee 2904103 Leipzig* E-Mail: [email protected]
CHEMKON 2013, 20, Nr. 4, 191 – 192 � 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 191
DAS EXPERIMENT
Hinweis: Das st�ndige R�hren der Ans�tze ist absolut not-wendig. Wenn man keine Magnetr�hrer zur Verf�gung hat,muss man die beiden Erlenmeyerkolben st�ndig schwenken.Ergebnisse:
Im Sauerstoffansatz ist keine oder nur eine leichte Schaumbil-dung zu erkennen. Der eventuell vorhandene Schaum setztsich am Kolbenrand ab. Im Stickstoff- und Luftansatz l�sstsich eine viel st�rkere Schaumbildung beobachten.Es ist also eindeutig zu erkennen, dass bei Sauerstoffabwesen-heit ein hçherer Glucose-Umsatz und eine st�rkere Gasbil-dung (Kohlenstoffdioxidentwicklung) stattfinden.Wird Luft anstelle von Stickstoff verwendet, muss deutlichwerden, dass der Sauerstoff der Luft schnell so weit ver-braucht ist, dass ein sauerstoffarmes Milieu vorliegt.Hinweis: Die Hefen sind zum Teil unterschiedlich aktiv, sodass die abgelesenen Werte variieren kçnnen. Im direktenVergleich der Testst�bchen l�sst sich bei Sauerstoffanwesen-heit aber immer eine langsamere Glucose-Umsetzung erken-nen. Auch die Schaumbildung ist immer deutlich unterschied-lich.
Versuch 2: Alternative Durchf�hrung ohne Verwendung vonGasen aus Druckgasflaschen
Ger�te und Chemikalien: wie Vers. 1 (außer Sauerstoff undStickstoff), zus�tzlich 10%ige Wasserstoffperoxid-Lçsung,Braunstein, großes Reagenzglas, 30-mL-Spritze, 2 Thermome-ter, 2 208C warme Wasserb�der, kaltes Wasser oder Eis zurK�hlung, falls die Wassertemperatur �ber 208C steigt, 30 mL-und 100 mL-Plastikspritze (gasdicht und leichtg�ngig) mit ab-geschnittenen Kan�len und Luer-Verschluss, passende Schl�u-che, großes Reagenzglas mit Stopfen, Spatel.Durchf�hrung und Ergebnis: In dieser vereinfachten Variantewird einerseits Sauerstoff selbst hergestellt, zum anderen wirdLuft verwendet. Zun�chst zeigte sich allerdings eine schlechteReproduzierbarkeit der Ergebnisse. Bei Temperaturen �ber208C war zwischen beiden Ans�tzen nur wenig Unterschiedim Glucose-Gehalt erkennbar. Wenn man aber die beiden An-s�tze in Leitungswasser von 208C stellt und 30 Minuten beidieser Temperatur h�lt, sind auch hierbei reproduzierbare Un-terschiede im Glucose-Verbrauch zu verzeichnen.Grunds�tzlich kann Sauerstoff aus Wasserstoffperoxid (z.B.[3]), aus Kaliumpermanganat (z.B. [4]) oder aus Oxireiniger(z.B. [5]) hergestellt werden. Wir haben uns f�r 10%ige Was-serstoffperoxid-Lçsung entschieden, von der ca. 10-18 mL auseiner 30 mL Spritze in ein großes Reagenzglas zu 1 Spatelspit-ze Braunstein getropft werden (Abb. 1). Umfangreiche Versu-che haben gezeigt, dass – nach Verwerfen der ersten 100 mLGas, die z.B. mit einer 100-mL-Spritze abgemessen werden –ein f�nfmin�tiges Einleiten von Sauerstoff in die Glucose-Lçsung und ein anschließendes einmin�tiges Einleiten in diedar�ber befindliche Luft notwendig sind. Dabei muss darauf
geachtet werden, dass ein konstanter kr�ftiger Gasausstromherrscht. Wenn er schw�cher wird, wird aus der Spritze weite-re Wasserstoffperoxid-Lçsung hinzugegeben.
3. SchlussNach der Auswertung des Versuchs schließt sich die Frage an,welchen biologischen Sinn der im sauerstoffreichen Milieu ge-ringere Glucose-Umsatz hat. Hierzu wird herausgearbeitet,dass im sauerstoffreichen Milieu Atmung stattfindet, die Hefedie Glucose also zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abbaut. Istdie Alkoholische G�rung noch nicht bekannt, kann diese nundurchgef�hrt werden und mit dem Cernitrat-Test Ethanol alsProdukt der G�rung identifiziert werden [6]. Außerdem wirdEthanol verbrannt. So wird erarbeitet, dass bei Sauerstoffar-mut oder sogar Sauerstoffabwesenheit ein energiereiches End-produkt entsteht und somit zur Gewinnung der gleichenMenge an nutzbarer Energie eine viel grçßere Glucose-Menge umgesetzt werden muss.
DankWir bedanken uns bei Franz Keydel und Jeannette Schmahlf�r ihre Mithilfe beim Herantasten an die geeigneten Ver-suchsbedingungen.
Literatur
[1] Richter, G. (1981). Stoffwechselphysiologie der Pflanzen. Thieme,Stuttgart.
[2] Siegmund, P., Sch�tte, E., Kçrber, F. (1968). Praktikum der physio-logischen Chemie, Walter de Gruyter, Berlin.
[3] Heimann, R. (2004). Wasserstoffperoxid aus chemischer und biolo-gischer Sicht, MNU 57, S. 13–19.
[4] Boeck, H., Keune, H. (Hrsg.) (1998). Chemische Schulexperimente.Band 1: Anorganische Chemie. 1. Auflage, Volk und Wissen, Berlin,S. 180.
[5] Zucht, U., Rossow, M., Lange, G., Flint, A. (2004). Chemie f�rsLeben – Sauerstoff aus Oxi-Reinigern. CHEMKON 11,S. 131–136.
[6] Harsch, G., Heimann, R. (1998). Didaktik der Organischen Chemienach dem PIN-Konzept. Vieweg, Berlin.
Eingegangen am 5. M�rz 2013Angenommen am 24. April 2013
Tab. 1: Ergebnisse beim Glucotest (Angabe in %=g/dL) mit jeweilsdrei Hefeans�tzen in Sauerstoff- und Stickstoffatmosph�re bzw. Luft
Sauerstoff Stickstoff Luft
sofort nach 30 min sofort nach 30 min sofort nach 30 min
2% 1% 2% 0,5% 2% 0,5%2% 1% 2% 0,5% 2% 0,5%2% 1% 2% 0,5% 2% 0,5%
Abb. 1: Versuchsapparatur zurErzeugung des bençtigten Sauer-stoffs
192 � 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim CHEMKON 2013, 20, Nr. 4, 191 – 192
DAS EXPERIMENT Heimann, Bortlik, Berger-Hoffmann
