Proceso y productos de fermentación bacteriana

Metabolismo bacteriano anaeróbico

Las bacterias deben capturar energía de las fuentes alimentarias para crecer y reproducirse, o en otras palabras, para mantenerse vivas. Cuando hablamos de bacterias que capturan energía, de lo que realmente estamos hablando es de la capacidad de las células bacterianas para utilizar un sustrato químico (un alimento) para generar ATP . El ATP es la molécula de alta energía que se utiliza para almacenar energía y construir todos los componentes celulares necesarios.

En entornos anaeróbicos, las bacterias pueden capturar energía y almacenarla en ATP mediante respiración anaeróbica o fermentación. Esta lección introducirá la fermentación. La fermentación ocurre en una amplia gama de entornos, pero en caso de que piense que personalmente no le importa la fermentación, solo piense en la última vez que tomó una cerveza refrescante, un yogur cremoso, un queso fragante o una rebanada de pan tibia. El proceso y los productos de fermentación por bacterias y levaduras son responsables de los ricos sabores y texturas que se encuentran en estos alimentos.

Conceptos básicos de fermentación

La fermentación es el catabolismo anaeróbico de un único compuesto químico que utiliza una serie de transformaciones redox con el objetivo de generar ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato . Esa definición suena complicada, así que analicémosla un poco.

El catabolismo simplemente se refiere a la descomposición de un compuesto químico. Durante la fermentación, la ruptura ocurre a través de una serie de transformaciones redox, que es solo un término elegante para las reacciones de aceptación y donación de electrones. Todas las transformaciones redox que tienen lugar actúan sobre los átomos que se encuentran en la molécula de sustrato original. Algunos átomos actuarán como donantes de electrones y otros como aceptores de electrones. La mezcla de electrones requiere una serie de enzimas que aceleran la reacción y catalizan la producción de varias formas intermedias del sustrato inicial.

A través de estas reacciones de fermentación, la energía presente en los enlaces químicos del sustrato se puede capturar para producir ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. La fosforilación a nivel de sustrato es la producción de ATP mediante la transferencia de grupos fosfato de alta energía de una molécula orgánica a ADP .

La glucólisis es una forma de fermentación

Veamos el ejemplo clásico de fermentación: la glucólisis.

Glyco- significa azúcar y se refiere a glucosa y -lisis significa dividir . ¡Entonces la glucólisis es la división de la glucosa! A la primera etapa de la glucólisis la llamaremos etapa de preparación. En esta etapa, se utilizan cuatro enzimas para preparar glucosa para el resto de la vía. La glucosa se divide en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. En la etapa de preparación, todavía no hay transformaciones redox y no se ha liberado ni capturado energía. De hecho, en esta etapa se pone energía para transformar la glucosa.

En la segunda etapa, aquí es donde ocurre la acción importante. Aquí es donde tienen lugar las transformaciones redox que conducen a la generación de ATP. Primero, una enzima agrega un grupo fosfato a esas dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato de la etapa de preparación. Estos grupos fosfato son de alta energía y las siguientes enzimas en la ruta transfieren los grupos fosfato al ADP para producir ATP. ¡Ahora estamos generando algo de energía! El resultado final de esta etapa es ATP, el portador de electrones NADH y piruvato .

En la etapa final de la glucólisis, todo se envuelve y las reacciones redox se equilibran. Varias enzimas actúan sobre el piruvato, utilizando NADH como donante de electrones para transformar el piruvato en varios productos finales de fermentación. Estos productos finales pueden ser cosas como etanol, dióxido de carbono, hidrógeno o lactato. Para la célula, se logra el objetivo de generar ATP y equilibrar los niveles de NADH. Los productos finales de la fermentación son simplemente desechos que pueden excretarse de la célula. A menos, por supuesto, que sea cervecero, panadero o quesero, en cuyo caso esos productos finales le dan sabor y textura a sus productos alimenticios.

Otros sustratos de fermentación

Por supuesto, ¡no podemos limitar nuestra discusión solo a la fermentación de glucosa! Las bacterias son conocedores de la cocina y tienen paladares que prefieren sustratos más allá de la glucosa. Muchos organismos fermentan varios azúcares, pero muchos también fermentan aminoácidos, precursores de nucleótidos y compuestos aromáticos. Incluso hay algunos especialistas que fermentan compuestos extraños que no se sabe que fermenten otros organismos. Pero en todos los casos ocurren los pasos básicos, transformaciones redox del sustrato, generación y consumo de NADH y producción de ATP.

Diferencias entre respiración y fermentación

Comparemos dos formas principales que utilizan las bacterias para capturar energía: la respiración y la fermentación. Si bien existen numerosas diferencias entre estas dos formas de metabolismo, hay dos diferencias principales que debe recordar.

Primero, la fermentación utiliza un solo sustrato como donante y aceptor de electrones . Todas las transformaciones redox actúan sobre los átomos que se encuentran en el sustrato inicial. Por el contrario, la respiración tiene un donante de electrones, pero luego una molécula aceptora de electrones diferente.

En segundo lugar, la fermentación utiliza la fosforilación a nivel de sustrato para sintetizar ATP . Esto significa que la energía requerida para la fosforilación de ADP para formar ATP proviene de la energía y los electrones presentes en el sustrato original utilizado para la fermentación. Por el contrario, durante la respiración, el ATP se produce por fosforilación oxidativa utilizando una fuerza motriz de protón. La molécula aceptora de electrones está unida a una cadena de transporte de electrones de membrana que bombea protones fuera de la célula para generar una fuerza motriz de protones. Esta fuerza de gradiente se usa para sintetizar ATP usando la ATP sintasa.

Resumen de la lección

Repasemos los aspectos clave de la fermentación:

La fermentación es un proceso metabólico utilizado por las bacterias en condiciones anaeróbicas para generar energía para el crecimiento celular . El proceso de fermentación utiliza un único sustrato que se oxida y reduce mediante una serie de enzimas . Durante estas reacciones, se generan intermedios que contienen grupos fosfato de alta energía. Los grupos fosfato de alta energía se pueden transferir a ADP para formar ATP . Este proceso se denomina fosforilación a nivel de sustrato . La glucólisis es un ejemplo clásico de fermentación, pero hay una multitud de sustratos que las bacterias pueden utilizar.

Resultado de la lección

Una vez finalizada la lección, los estudiantes deberían poder:

• Defina el proceso de fermentación: un proceso que utiliza bacterias para crear energía y, por lo tanto, el crecimiento celular.
• Describir las etapas y productos de la glucólisis.
• Diferenciar entre fermentación y respiración.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador