Fermentazione alcolica

Alla base di una bevanda alcolica vi è la fermentazione alcolica, processo metabolico anaerobico di cui si servono molti microrganismi per ricavare energia dai carboidrati, producendo come sottoprodotto etanolo, alcole semplice il quale se prodotto oltre una certa concentrazione può rivelarsi mortale anche per essi.

C6H12O6 => 2CO2 + 2C2H6O + (energia)

Le specie che si servono di questa fermentazione sono soprattutto i lieviti, funghi appartenenti alla famiglia dei saccharomycetaceae oppure al genere dei schizosaccharomices. E oltre ai lieviti esistono alcuni batteri che hanno scelto questa via metabolica come lo zymomonas mobilis.

Come con tutti i processi metabolici si parte dalla glicolisi, processo enzimatico che scinde i carboidrati in piruvato. La cui reazione è riassunta sottostante:

Glucosio + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi => 2Piruvato + 2NADH-H+ + 2ATP + 2H2O

Essendo la fermentazione anaerobica e di conseguenza avviene in assenza di ossigeno, come agente riducente del NADH-H+ si utilizza lo stesso piruvato prodotto dalla glicolisi.

In questo processo il piruvato viene inizialmente decarbossilato, per avere l'acetaldeide la quale a sua volta viene poi ridotta in etanolo. Questa reazione può essere osservata nell'immagine sovrastante [4] ed è riassunta con la seguente espressione:

Piruvato + NADH-H+ => Etanolo + CO2 + NAD+

Quindi la fermentazione alcolica si può riassumere con la seguente reazione:

Glucosio + 2ADP + 2Pi => 2Etanolo + 2CO2 + 2(ATP + H2O)

Si può dire allora, che così come la respirazione viene chiamata glicolisi aerobica, la fermentazione alcolica e le altre, possono rientrare nella categoria di glicolisi anaerobica. Nella quale per ogni molecola di glucosio si ricavano solo due molecole di ATP, più un sottoprodotto parzialmente ossidato del glucosio.

Va anche detto che i lieviti sono organismi anaerobici facoltativi, cioè in base alle condizioni ambientali possono passare dal ricavare l'energia dal loro substrato attraverso la respirazione o attraverso la fermentazione. Ma allora perché spesso favoriscono la seconda che da due molecole di ATP rispetto la prima che ne potrebbe dare 38 per ogni molecola di glucosio? 

Questa scelta è causata dall'effetto Crabtree, infatti, se il substrato di crescita dei nostri microrganismi supera una certa soglia di concentrazione di glucosio, 0.25g/l nel caso del s. cerevisieae, essi tendono a reprimere la respirazione cellulare per favorire la fermentazione. Ciò è causato dalla repressione del complesso citocromo a-a3 [2], il quale si trova nella parte terminale della catena di trasporto degli elettroni, e di conseguenza non permettendo la riduzione dell'ossigeno e la rigenerazione della NADH-H+.

L'effetto Crabtree avviene gradualmente ed è reversibile, cioè il lievito mentre fermenta respira pure, perché non tutti i citocromi vengono repressi e una volta che la concentrazione di glucosio si abbassa esso ricaverà energia esclusivamente respirando sempre se c'è abbastanza ossigeno. Quest'ultimo gioca un ruolo fondamentale, infatti, la sua concentrazione può inibire la fermentazione per favorire la respirazione e questo fenomeno è conosciuto come effetto Pasteur, il tutto è schematizzato nell'immagine sovrastante [5].

Fermentazione glicero-piruvica

Come detto all'inizio, se l'etanolo è presente in una certa quantità, esso si può dimostrare dannoso per i nostri microrganismi fermentatori. A risentirne maggiormente è l'enzima alcool deidrogenasi, responsabile della conversione dell'acetaldeide in etanolo attraverso la riduzione della NADH-H+.

Avviene così la fermentazione gliceropiruvica [3], che vede un intermedio della glicolisi prendere una strada diversa rispetto al solito. Il diidrossiacetone fosfato normalmente verrebbe convertito in gliceraldeide-3-fosfato dall'enzima trioso fosfato isomerasi e produrre piruvato (per una maggiore comprensione guardare lo schema della glicolisi del post sulla respirazione cellulare). Questo passaggio viene omesso perché la NADH-H+ prodotta con il piruvato, non viene rigenerata sull'acetaldeide, ma si rigenera sul diidrossiacetone fosfato. Così facendo si produce glicerol-3-fosfato, il quale andrà a produrre a sua volta glicerolo.

Quindi avremo tre passaggi, riassumibili con le seguenti reazioni:

Glucosio + 2ATP => Gliceraldeide-3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato + 2ADP

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + 2ADP + Pi => Piruvato + NADH-H+ + 2ATP + H2O

Diidrossicetone fosfato + NADH-H+ + H2O => Glicerolo + NAD+ + Pi

Le quali sommate danno la seguente reazione globale:

Glucosio => Glicerolo + Piruvato

Il glicerolo prodotto viene espulso dalla cellula, questo essendo polialcole darà dolcezza alla bevanda alcolica. Mentre il piruvato può prendere diverse strade per essere smaltito, schematizzato sopra [3], producendo tutta una serie di sotto prodotti come:

Piruvato => Acetaldeide + CO2

2Piruvato => Acetolattato + CO2

Acetolattato => Diacetile + CO2

Acetolattato => Acetoino + CO2

Acetoino + NADH-H+ <=> 2,3-butandiolo + NAD+

Acetoino + NAD+ <=> Diacetile + NADH-H+

Questi sottoprodotti contribuiscono al bouquet di aromi delle bevande alcoliche e vengono prodotti in base alla disponibilità di NAD+ o di NADH-H+. L'acetaldeide o etanale (C2H4O) come visto in precedenza è un prodotto intermediario della fermentazione prima di essere convertita in etanolo, e presenta un odore fruttato. L'acetolattato (C5H8O4) è un intermedio prodotto dalla fusione di due molecole di piruvato e che tende a ossidarsi e decarbossidarsi spontaneamente in diacetile oppure essere decarbossidata enzimaticamente in acetoino. Il diacetile (C4H6O2) è un dichetone che presenta un aroma di burro, che può tendere al caramello se presente in alte quantità, viene prodotto dal s. pastorianus, se lavora a temperature troppo basse. L'acetoino o acetoina (C4H8O2) è un ossichetone,  presenta un odore burroso che si avvicina a quello delle mandorle. Il 2,3-butandiolo (C4H10O2) è un polialcole, che presenta un odore tendente al burroso o meglio al "pannoso", comunque minore del diacetile.

Un altro sottoprodotto della fermentazione gliceropiruvica del s. cerevisiaea è l'acido succinico (C4H6O4), un acido bicarbossilico generato dalla modifica del ciclo TCA, come si può vedere nell'immagine sopra [1]. E il tutto può essere riassunto con la seguente reazione:

Piruvato + CO2 + 2NADH-H+ => Succinato + H2O + 2NAD+

Questo acido è molto importante per la regolazione del pH, contribuendo in parte all'acidità della bevanda fermentantata. Comunque tutte le molecole elencate sono prodotte in piccole quantità e permettono di dare complessità alla bevanda fermentata, infatti, senza di esse, i vini e le birre sarebbero tutti sensorialmente più spenti.

La via di Entner-Doudoroff

Come detto in precedenza, oltre ai lieviti vi sono i batteri del genere zymomonas in grado di fermentare gli zuccheri e produrre etanolo.

Solo che questo genere non è in grado di scindere i carboidrati attraverso la glicolisi e come si può osservare nell'immagine sopra [6], utilizzando la via di Entner-Doudoroff per la produzione di acido piruvico da fermentare, questa via metabolica parte dal glucosio-6-fosfato il quale viene ossidato inizialmente in acido 6-fosfogluconico e successivamente disidrato in acido 2-cheto-3-deossi-6-fosfogluconico. Questo prodotto attraverso l'enzima aldosi viene scisso in acido piruvico e in gliceraldeide-3-fosfato.

Ora il primo segue la normale fermentazione alcolica il secondo viene convertito in acido piruvico e poi in etanolo. L'intero processo da la seguente reazione:

Glucosio + ATP + 2ADP + Pi + 2NAD+ + 2NADH-H+ => 

2Etanolo + 2CO2 + ADP + 2ATP + 2NADH-H+ + 2NAD+ + H2O

La quale si può riassumere nel seguente modo:

Glucosio  + ADP + Pi => 2Etanolo + 2CO2 +  ATP + H2O

Questa fermentazione è sicuramente più svantaggiosa rispetto quella attuata dai lieviti, in quanto energeticamente rende una molecola di ATP per ognuna di glucosio, ma utilizza meno enzimi per la scissione di quest'ultimo, rendendola una via più pratica.

Bibliografia

[1] Daojiang Yan, Caixia Wanga, Jiemin Zhou, Yilan Liu, Maohua Yang, Jianmin Xing; Construction of reductive pathway in Saccharomyces cerevisiae for effective succinic acid fermentation at low pH value; Bioresource Technology 156 (2014) 232–239;

[2] Tomoko Ohnishi; Mechanism of electron transport and energy corservation in the site I region of the respiratory chain; Biochimica et Biophysica Acta, 301 (1973) 105-128;

[3] Victoria Moreno-Arribas M., Carmen Polo M.; Wine chemistry and biochemistry;  Springer Science+Business Media, LLC 2009;

[4] https://commons.wikimedia.org/

[5] https://oncohemakey.com/the-metabolism-of-cell-growth-and-proliferation/

[6] https://textbookofbacteriology.net/metabolism_3.html

Le informazioni presenti su questo blog sono a scopo informativo, quindi mi esento da qualsiasi responsabilità per i danni che potreste causare.

Respirazione cellulare

La forma più efficiente che esista al mondo per ricavare energia dai carboidrati è la respirazione cellulare. Essa è un processo esotermico di ossidoriduzione, cioè che produce energia e quindi anche calore, attraverso l'ossidazione di una sostanza (glucosio in anidride carbonica) e la riduzione di un altra (ossigeno in acqua).

C6H12O6 + 6O2 => 6CO2 + 6H2O + (energia)

Nel mondo microscopico ci sono i lieviti, che generalmente possono ricavare energia per via aerobica con la respirazione, ma solo in determinate condizioni. Quindi prima di introdurre la fermentazione ci tenevo a spiegare questo processo, sperando di non appesantire troppo il contenuto del blog.

Glicolisi

Alla base della respirazione e di quasi tutte le fermentazioni vi è la glicolisi, una serie di reazioni enzimatiche atte a scindere i carboidrati come glucosio e fruttosio in piruvato.

L'immagine sopra [2], mostra tutti i passaggi enzimatici dell'intero processo di glicolisi, si può notare che il secondo enzima, isomerizza il glucosio in fruttosio, ciò significa che il processo come detto prima può partire direttamente dal fruttosio saltando questo passaggio. Mentre tutto il processo vede una serie di reazioni che coinvolgono la produzione di ATP (adenosintrifosfato), molecola che fa da vettore energetico all'interno della cellula, insieme a tutte una serie di sostanze usate per ossidare il glucosio.

L'intero processo può essere riassunto nella seguente reazione:

Glucosio + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi = 2Piruvato + 2ADP + 2NADH-H+ + 4ATP

che semplificando si ha:

Glucosio + 2NAD+ + 2ADP  + 2Pi => 2Piruvato + 2NADH-H+ + 2ATP

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico (TCA  TriCarboxylic Cycle) è un processo ciclico enzimatico atto a massimizzare il rendimento energetico del piruvato. Esso inizialmente viene decarbossilato e legato al CoA (coenzima A), per produrre anidride carbonica e acetil-CoA. Il tutto grazie al complesso enzimatico del piruvato deidrogenasi (PDH). L'acetil-CoA serve per poter trasportare il radicale acetilico all'interno dei mitocondri, le centrali energetiche delle cellule, e avviare il ciclo di Krebs.

Piruvato + CoA + NAD+ => Acetil-CoA + CO2 + NADH-H+

Sopra [1], si può osservare l'intero processo di ossidazione del piruvato in anidride carbonica del ciclo di Krebs. Anche in questo caso vi sono una serie di reazioni che permettono la produzione di ATP e di altre componenti, il cui destino verrà rivelato più in avanti.

L'intero processo può essere riassunto con la seguente reazione:

Acetil-CoA + 3H2O + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi + CoA => 

2CO2 + H2O + 2CoA + 3NADH-H+ + FADH2 + ATP

La quale una volta semplificata diventa:

Acetil-CoA + 2H2O + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi => 2CO2 + CoA + 3NADH-H+ + FADH2 + ATP

Catena di trasporti degli elettroni

Come si è potuto notare precedentemente, la glicolisi e il ciclo di Krebs oltre a produrre ATP, producono NADH-H+ (nicotinammina adenin dinucletide ridotta) e FADH2 (flavina adenina dinucleotide ridotta). Queste sono dei cofattori redox e vengono impiegate per deidrogenare e una volta prodotte devono essere rigenerate attraverso la loro ossidazione, con la riduzione dell'ossigeno in acqua e produzione di ATP.

Questo processo, illustrato a sinistra [1]. prende il nome di catena di trasporto degli elettroni, poiché costituita da una serie di coenzimi che attraverso uno scambio di elettroni e ioni H+, riescono a convertire questa energia in carburante per la cellula.

Infatti, per la NADH-H+ avremo:

NADH-H+ + 1/2O2 + 3ADP + 3Pi 

=> NAD+ + 3ATP + 4H2O

Mentre per la FADH2 avremo:

FADH2 + 1/2O2 + 2ADP + 2Pi 

=> FAD + 2ATP + 3H2O

Poiché il processo funge da meccanismo di produzione dell'ATP, esso prende anche il nome di fosforilazione ossidativa, visto che l'energia data dall'ossidazione della NADH-H+ in NAD+ e della FADH2 in FAD viene utilizzata per la fosforilazione dell'ADP in ATP.

Conclusione

Tirando le somme avremo che la respirazione cellulare (glicolisi e ciclo di Krebs) può essere riassunta inizialmente con la seguente equazione:

Glucosio + 2CoA + 4H2O + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4Pi

=> 6CO2  + 2CoA + 10NADH-H+ + 2FADH2 + 4ATP + 2H2O

La cui formula includendo la catena di trasporto degli elettroni diventa:

Glucosio + 4H2O + 10(NAD+ + 3ADP + 3Pi +1/2O2) + 2(FAD+ 2ADP + 2Pi +1/2O2) + 4ADP + 4Pi

=>

 6CO2  + 10(NAD+ 3ATP + 4H2O) + 2(FAD + 2ATP + 3H2O) + 4ATP + 2H2O

Che può essere semplificata e riassunta in:

Glucosio + 6O2 + 38(ADP + Pi) => 6CO2 + 6H2O + 38(ATP + H2O)

Quindi la respirazione non fa che scindere gli atomi di carbonio del glucosi e ossidarli in presenza di ossigeno, ricavandone energia, infatti, uno dei nomi alternativi di tutto questo processo è glicolisi aerobica, dove una molecola di glucosio può rendere fino a 38 molecole di ATP, benché non sempre la resa è assoluta e in media si hanno 36 molecole di ATP.

Bibliografia

[1] Biochimica della fermentazione alcolica e vie metaboliche dei lieviti enologici;

[2] https://commons.wikimedia.org/

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