FERMENTACIONES.
Existen muchos tipos de fermentaciones pero en todas ellas sólo ocurre una oxidación parcial de los atomos de carbono del compuesto organico y por lo tanto sólo se produce una pequeña parte de la energía disponible.

La oxidación en una fermentación esta acoplada a la reducción de un compuesto organico generado a partir del catabolismo del sustrato inicial, por lo que no son necesarios aceptores externos de electrones (como el oxígeno o aceptores inorganicos). El ATP en la fermentación se produce a partir de la fosforilación a nivel de sustrato. Como consecuencia de la no participación de un aceptor externo de electrones, el sustrato organico experimenta una serie de reacciones oxidativas y reductoras equilibradas: los piridín nucleótidos reducidos (NADH) que son oxidados para regenerar al NAD.

Este principio general se ilustra en dos fermentaciones:

1) la fermentación alcohólica (típica del metabolismo anaeróbico de la glucosa por levaduras)

GLUCOSA-( 2 PIRUVATO( 2 ACETALDEHÍDO ( 2 ETANOL + 2 CO2

2) y la fermentación homolactica (típica del metabolismo de algunas bacterias lacticas).

Glucosa( 2 piruvico( 2 lactatos

Ambos procesos fermentativos utilizan la ruta Embden-Meyerhof: las dos moléculas de NAD reducidas por esta ruta se reoxidan en reacciones que implican un ulterior metabolismo del piruvato. En el caso de la fermentación homolactica, esta oxidación ocurre como consecuencia directa de la reducción del acido pirúvico a acido lactico. En el caso de la fermentación alcohólica, el acido pirúvico se descarboxila primero para formar acetaldehído y la reoxidación del NADH ocurre en paralelo con la reducción del acetaldehído para formar etanol.
En la mayoría de las levaduras bajo condiciones aeróbeas predomina la oxidación de la glucosa, mientras que la transformación a etanol toma lugar en condiciones anaeróbeas. Sin embargo, también puede presentarse la formación de etanol durante aerobiosis pero solo a altas concentraciones de glucosa, y a este efecto se le denomina Crabtreee. Se a propuesto que para que haya fermentación encondiciones de aerobiosis, la concentración de la glucosa debe ser elevada de manera que se inhiba la respiración al aumentar el calcio citosólico lo que hace que la ATPasa sintasa no continue sintetizando ATP y se desacople la fosforilación .

Otro fenómeno descrito durante la fermentación en levaduras es el conocido como el efecto Pasteur : este se produce en microorganismos capaces de realizar metabolismo fermentador y respiración aerobia (anaerobios facultativos), lo cual le permite inhibir la fermentación por la presencia de Oxígeno, canalizando la glucólisis hacia la obtención de mayaor energía (poco combustible= mas energía). Pasteur fué el primero en observar que el azúcar es convertido en alcohol y CO2 por levaduras en ausencia de aire, y que en presencia de aire se forma muy poco o nada de alcohol, siendo el CO2 el principal producto final de esta reacción aeróbica. Este efecto indica el mayor rendimiento energético de la respiración sobre la fermentación.

De manera teórica, 1 g de glucosa produce cerca de 0.587g de etanol y 0.498 g de CO2. Durante un proceso fermentativo por tanto el rendimiento de los productos finales de fermentación alcanzan valores del 80 -90%

Factores que limitan la producción de etanol y fermentación alcohólica

1) Concentración de etanol resultante. Las levaduras solo toleran un 20% de concentración respecto a su volumen.

2) Acidez del medio. El pH es el factor limitante en un proceso de fermentación, ya que las levaduras se afectan por medio acido o alcalino. El pH que toleran esta entre 3.5 y 5.5, ya que durante aerobiosis pueden acidificar su entorno debido al bombeo de protones al exterior que les permite disminuír hasta dos unidades de pH externo (de 5.5 lo bajan a 3.5)

3) La concentración de azúcares. La concentración excesiva de carbohidratos deshidrata a la levadura (afecta el proceso de osmosis). También las bajas concentraciones frenan el proceso. La concentración adecuada de glucosa en el exterior debe de ser cercana al 0.16%.

4) Contacto con el aire. La presencia del Oxígeno inhibe la fermentación:Efecto Paseteur,

5) La temperatura: El proceso es exotérmico. Las levaduras son organismos mesófilos por lo que no toleran temperaturas mayores a 55°C. la temperatura óptima es de 30°C.

Fermentaciónes bacterianas

Las bacterias pueden producir productos fermentativos finales distintos al acido lactico y al etanol debido a las diferencias en el metabolismo del acido pirúvico. Estos productos finales pueden ser acido fórmico, 2 butanodiol, isopropanol, acido butírico, butanol. La mayor parte de las fermentaciones bacterianas pueden originar varios productos finales, pero ninguna fermentación da lugar a todos los productos finales.

El metabolito final mas relevante de la primera fase del catabolismo de la glucosa es el acido pirúvico (piruvato) que se forma en las rutas EM, ED y PF (en esta ruta, tal y como se ha descrito, se forman intermediarios que pueden conducir a la formación de piruvato). El metabolismo central continúa, con el catabolismo del piruvato.

DESTINO DEL PIRUVATO EN FERMENTACIONES


OJO: Ejercita: Escribe los valores de oxidación a cada uno de los productos finales.

Las bacterias destinan el piruvato diferente que los eucariotes; en las bacterias la oxidación incompleta es la regla, acumulandose gran cantidad de metabolitos finales de la fermentación. El estudio y conocimiento de las fermentaciones bacterianas tiene importancia practica, ya que, proporcionan productos de valor industrial, y son de utilidad en el laboratorio para la identificación de diferentes especies. Entonces, de acuerdo a los productos finales de la fermentación, tenemos

- Fermentación alcohólica: el tipo de fermentación mas antigua que se conoce es la producción de etanol a partir de la glucosa. Este tipo de fermentación al igual que la homolactica, utilizan la ruta de EMH ( glucólisis), por tanto se les llama Fermentaciones únicas.Aunque ciertas bacterias producen alcohol, éste es elaborado por otras vías.
- Fermentación homolactica: Todos los miembros del género Streptococcus, Pediococcus y muchas especies de Lactobacillus fermentan la glucosafundamentalmente a acido lactico con poca acumulación de otros productos finales. El piruvato en este caso se reduce a acido lactico por acción de la enzima lactico deshidrogenasa, actuando el NADH como dador de e-. Esto ocurre en la etapa 3 de la vía glucolítica.

- Fermentación heterolactica: En este tipo de fermentación sólo la mitad de la glucosa se convierte en acido lactico, el resto en una mezcla de CO2, acido fórmico, acido acético, etc. En esta fermentación se emplea fundamentalmente el shunt de las pentosas, y se
da en bacterias del género Leuconostoc y Lactobacillus.
Las fermentaciones homolactica y heterolactica ambas producen acido lactico. En la fermentación heterolactica la enzima mas importante es la fosfocetolasa, que utiliza a la Xilulosa 5-P para romperla en dos moléculas, una de 2C y otra de 3C. En la fermentación homolactica, la enzima que realiza el rompimiento del azúcar es la aldolasa (EMHP). Esta diferencia también incluye a la transcetolasa : las bacterias homofermentativas no la contienen debido a que no proceden por la ruta de las pentosas.

- Fermentación del acido propiónico: es característica en algunas bacterias anaerobias como Propionibacterium (bacilo Gram+ no esporulado). Este tipo de fermentación tiene la ventaja de que genera una molécula mas de ATP Fermentación acido-mixta: Es cracterística de la mayoría de las enterobacterias. Bacterias como Shigella,Salmonella y E.coli fermentan las hexosas a través del piruvato a acido lactico, acido acético, succínico y
fórmico.

- Fermentación de butanodiol: Varias bacterias como Enterobacter, Serratia y Bacillus producen 2-3 butanodiol durante la fermentación de la glucosa. Este deriva de la condensación de 2 moléculas de piruvato en una molécula neutra de acetoína que luego es reducida a 2-3 butanodiol.

- Fermentación del acido butírico: Se ve en bacterias del género Clostridium (bacilo Gram+, anaerobio, esporulado). Si bien hasta ahora nos hemos referido sólo a la
fermentación de hidratos de carbono como procedimiento para obtener energía por parte de las bacterias, debemos destacar queotros compuestos organicos pueden ser fermentados como, por ejemplo, aminoacidos (ala-nina, glicina). En el caso de los Clostridium proteolíticos la fermentación de aminoacidos mas característica es la reacción de
Stickland.

Fermentación acido Mixta.

½ glucosa
-2ATP
2H+ 2ADP( 2ATP 1
CO2
------- PEP
10
2 ADP(ATP
OXALOACETATO
4
11 PIRUVATO LACTATO
3 +CoA CO2 2H+
MALATO 5
ACETIL CoA + FORMIATO CO2 + H2
12
Pi 2H+ 6
FUMARATO 8 - CoA

13 ACETIL-P ACETALDEHÍDO
ADP
SUCCINATO ATP 9 2H+ 7

ACETATO ETANOL

Rendimiento neto de ATP : 2 ATP

ENZIMAS:

1. Enzimas glucolíticas (EMHP)
2. Piruvatao Cinasa
3. Piruvato Formiato Liasa
4. Lactato Deshidrogenasa
5. Formiato Hidrogeno Liasa
6. Acetaldehído Deshidrogenasa
7. Alcohol Deshidrogenasa
8. Fosfotransacetolasa
9. Acetato cinasa
10. PEP carboxilasa
11. malato DH
12. Fumarasa
13. Fumarato reductasa.
Microorganismos: patógenos intestinales (E coli, Salmonera y Shiguella). En ausencia de oxígeno ocurren las siguientes adaptaciones
1. Se reemplazanlas oxidasas por reductasas en la cadena de transporte de electrones.
2. El Ciclo de los acidos tricarboxílicos se modifica hacia una ruta reductiva: la α-cetoglutarato Deshidrogenada y la Succinato Deshidrogenada no se encuentran o estan en niveles muy bajos.
3. La piruvato Formiato lIasa sustituye a la Piruvato Deshidrogenada. Esto significa que las células oxidan piruvato a acetil CoA y formiato, en lugar de Acetil Coa+ CO2 y NADH.
4. Las bacterias entéricas realizan tanto fermentación Acido Mixta o butanodiolica. Ambas fermentaciones son similares en que
- Producen Ac. Organicos, CO2 H2 y etanol (pH acido)
- Pero la fermentación butanodiolica se distingue por producir grandes cantidades de 2,3 butanodiol, acetoína , ++CO2 , etanol y menor cantidad de acidos (pH mayor que acido mixta).

Fermentación Butanodiolica.
Se caracteriza por la formación de 2 butanodiol. El primer intermediario libre es el α-acetolactato. Los microorganismos que la utilizan son Serratia, Erwinia y enterobacter.

Fermentación Butanodiolica

½ Glucosa
-2H+
-2ATP Formiato CO2 +H2
2H+ CoA
Lactato Piruvato

Acetil CoA
TPP 2H+
Acetaldehido

α-acetolactato Etanol
CO2Sintetasa CH3-C=TPP*E
OH Acetaldehído “activo”

O
CH3-C-COOH TPP-E

OH
CH3-C-C-COOH α-acetolactato
O
COOH

- CO2 α-acetolactato descarboxilasa

O
CH3-CH-C-CH3
Acetoína
OH

CH3CH-CH-CH3
OH OH 2,3 Butanodiol
RECUERDA LOS TIPOS DE FERMENTACIONES Y PRODUCTOS FINALES
|Tipo de fermentación |Productos |Organismos |
|Alcohólica |Etanol + CO2 |Levadura (Saccharomyces) |
|Acido lactico |Acido lactico |Bacterias del acido lactico |
|(Streptococcus, lactobacillus, etc) |
|Acido mixto |Acido lactico, acido acético, etanol, CO2,|Bacterias entéricas (Escherichia, |
||H2 |Salmonella) |
|Butanediol |Butanediol, acido lactico, acido acético, |Bacterias entéricas (Aerobacter, Serratia)|
etanol, CO2, H2
|Acido buritico |Acido burítico, acido acético, CO2, H2 |Algunos clostridios (Clostridium |
|butyricum) |
|Acetona – butanol |Acetona, butanol, etanol |Algunos clostridios (Clostridium |
|acetobutylicum) |
|Acido propiónico |Acido propiónico |Propionibacterium |

 
BALANCE DE FERMENTACIÓN.

El Balance puede hacerse por diferentes maneras. Todas ellas concuerdan en que la cantidad de atomos de carbono que entran tiene que ser aproximadamente igual a los que se producen en el proceso de la fermentación (100%). Una manera sencilla es la siguiente
Recuerda siempre estas dos reglas:

1) m moles de C = m moles del compuesto x el Número de atomos de C.
2) Valor de Oxidación = No de Atomos de Oxígeno- No Atomos de Hidrógeno /2
3) C1 Calculado = Cantidad de C esperado por cada compuesto de 2C observado.
p.ej. Piruvato = etanol (2C) + CO2 (1)
o
Piruvato= Acetato (2C) + CO2 (1).
Ejemplo:

|Compuesto | mmol |mmol C |Valor de |Prod (+) |Prod (-) |Cobs |C calc |
oxidación |oxidados |reducidos |
|glucosa |100 |600| 0 |
|lactato |96 |288 |0 |
|Glicerol |7 |21 |-1 7 |
|etanol |86 |172 |-2 172 86 |
|acetato |7 |14 |0 7 |
|CO2 |89 |89 |+2 |178 89
|TOTAL ∑= 584 ∑= 178 |∑= 179 |∑= 89 |∑= 93 |

Notas:
1. Siempre tienes que partir de 100 mmol de glucosa y los compuestos obtenidos a partir de esta cantidad debido a que sera tu referencia al 100%, por tanto, ajusta los valores que se obtengan diferentes a 100 mmol a esta cantidad.
p. ej si te dieron 126 mmoles de glucosa que produjeron 76 mmoles de lactato, para referir todo a 100 mmoles ajusta con una regla de tres:
126 ----100
76 --- x = 7600/126 = 60.3, Esto significa que en 100 m moles de glucosa tu produciras (en esas mismas condiciones que utilizaste 126) 60.3 mmoles de lactato.
2. Para obtener los moles de Carbono (columna 3) basta con multiplicar tus valores de la columna 2 (todos ajustados a los 100 mmoles de glucosa) por el numero de atomos de carbono del compuesto obtenido. P ej: lactato: 3 C (96 288.

3. Para obtener el valor de oxidación, aplica la regla no 2 que se menciona arriba
Glicerol: CH2—OH
CH—OH Valor de Oxidación= 3(O) – 8H/2= 3-4= -1
CH2—OH etc..
4. Para obtener los valores de productos reducidos yoxidados se multiplica la columna de los moles /100 (primera columna) por el valor de oxidación

P ej: Glicerol: 7 x 1 = 7
Etanol: 86 x 2 = 172
CO2 : 89 x 2 = 178 etc.

No olvides colocar los valores en sus respectivas columnas.

5. Recuperación de Carbono
El calculo se obtiene tomando en cuenta:
%C= mmoles de Productos x 100 Estos valores deberan estar cercanos a 100%
mmoles de sustrato

Valor de oxido-reducción :

O/R= Productos Oxidados Este valor debera estar cercano a 1
Productos reducidos

Balance de C1 (o de CO2) Recuperado.

Se consideran solo aquellos compuestos que tienen 2 atomos de C
C-recuperado= Obs C1 = 1
Calc C1

Utilización del Piruvato.

El piruvato como producto de la glucólisis es el sustrato para la producción de Acetil CoA. Dependiendo de las condiciones en que se encuentre la bacteria (anaerobiosis o aerobiosis) las enzimas que participan en su utilización son las siguientes:

Hay tres sistemas enzimàticos que descarboxilan al piruvato:

AEROBIOSIS

Acetil CoA + CO2 +NADH+

Piruvato Deshidrogenasa

PIRUVATO
Piruvato ferredoxin Piruvato Formiato Liasa
Oxido reductasa
+Hidrogenasa

Acetil CoA + CO2+ H2 Acetil CoA + Ac. Formico
(Clostridia y bacterias sulfato reductoras) (bacterias lacticas)

ANAEROBIOSIS

No hay producción de NADH+

Por tanto, en fermentaciones y sistemas anaeróbicos en el que el aceptor de electrones es diferente al oxígeno, los complejos enzimaticos que procesan al piruvato proveniente de la glucólisis reciben diferentes nombres. La Piruvato ferredoxin oxido reductasa, tiene Fdo oxidada ( Fd red.