Fermentação: Processo de Obtenção de Energia

Prévia do material em texto

Fermentação 
É um processo de obtenção de energia em anaerobiose. 
Os processos de fermentação são feitos por muitas bactérias, algumas arqueas, algumas 
leveduras (microrganismos eucarióticos). Essas células usam moléculas orgânicas para obter 
energia e vão por esse mecanismo de fermentação realizar esse processo de obtenção de 
energia. 
Aonde esses mecanismos de fermentação vão acontecer? 
A onde esses seres vivos vão ser encontrados (solo, sedimentos marinhos, trato intestinal, 
mucosas, cavidade oral de animais...). 
O principal método utilizado nas fermentações para a obtenção de energia é a via glicolítica 
clássica. Tem o rendimento baixo de energia. 
A fermentação serve para que? 
O objetivo da fermentação é dá um destino final a um dos produtos da via glicolítica que são as 
coenzimas NADH na sua forma reduzida. 
O objetivo principal das fermentações é reoxidar as coenzimas que foram reduzidas durante a 
oxidação da molécula de glicose ou outra molécula orgânica. 
Por que isso é fundamental? 
As concentrações de coenzima NAD em uma célula é baixa. Vai chegar um momento em que 
depois de várias etapas de via glicolítica todas as coenzimas NAD de uma célula vão estar na 
sua forma reduzida (NADH). Se uma célula não tem mais coenzimas NAD na sua forma oxidada 
para continuar recebendo elétrons a tendência é a via glicolítica parar (se isso acontece a 
célula para de obter ATP). 
O objetivo das fermentações é reciclar essas enzimas que foram reduzidas justamente durante 
a ocorrência da via glicolítica. 
A principal maneira de reciclar essas coenzimas é utilizar a molécula formada no fim da via 
glicolítica (piruvato) como aceptor desses prótons e elétrons gerando uma variedade absurda 
de produtos finais. Então se a via glicolítica é a principal via de obtenção de energia nessas 
células a produção de ATP é ao nível do substrato, ou seja, intermediários que vão doar esse 
fosfato para moléculas de ATP gerando um saldo final de duas moléculas de ATP. 
Essas coenzimas são recicladas quando elas doam seus elétrons e prótons para a cadeia 
transportadora de elétrons. Como na fermentação não tem isso essa reciclagem será feita 
quando essas coenzimas doarem prótons e elétrons para o piruvato. 
O que é formado quando o piruvato recebe prótons e elétrons da coenzima NADH? 
Por conta dessas variedades de processos que acontecem e pelas variedades de produtos 
finais que podem ser encontrados, existe uma enorme variedade de processos fermentativos. 
Tudo isso depende das enzimas que vão catalisar essa transferência de prótons e elétrons do 
NADH para o piruvato. Para cada processo a gente dá o nome do produto final que será 
formado. 
Para que esses mecanismos (os produtos finais formados pela redução do piruvato) são 
importantes? 
Em um primeiro momento para a identificação dos microrganismos; 
São importantes também para uso industrial; 
São importantes para os microrganismos que os produzem, pois inibem o crescimento de 
outros microrganismos. 
Obs.: geralmente esses produtos finais gerados pela redução do piruvato são excretados pelas 
bactérias, ou seja, não é mais utilizado pela bactéria/não tem mais utilidade metabólica. Sendo 
assim ele é mandado para fora da célula sendo chamado de fluxo do produto final. 
Um outro aspecto que é bem importante quando a gente fala de fermentação é que na 
fermentação não se tem uma cadeia transportadora de elétrons funcionando (ao contrário da 
respiração). 
Mesmo não existindo uma cadeia transportadora de elétrons em microrganismos que estão 
fazendo fermentação, existe a presença de ATPase membranar. Essa ATPase é fundamental, 
pois ao invés de estar envolvida no processo de formação de ATP (como acontece na 
respiração celular), essa ATPase quebra o ATP. 
Obs.: A ATPase também pode ser chamada de ATPsintase, pois ela pode sintetizar quanto 
quebrar ATP. 
Esse ATP que é quebrado é importante, pois ao ser quebrado libera energia permitindo a 
formação de um gradiente de prótons, ou seja, essa energia liberada vai expulsar os prótons 
contra o gradiente de concentração. 
Dessa maneira o que está acontecendo na superfície da célula que faz fermentação? 
A bactéria que faz fermentação dessa maneira cria um gradiente de prótons importantes para 
a obtenção de ATP, movimentação do flagelo e transporte de moléculas contra o seu gradiente 
de concentração (simporte ou antiporte com H+). Então todas as células procarióticas têm que 
ter um acumulo de prótons na parte de fora. 
A gente define esse processo de fermentação como oxidação parcial dos átomos de carbono 
com menor rendimento energético. 
No processo de respiração faz a oxidação completa dos átomos de carbono com maior 
rendimento energético. 
Exemplos dos processos de fermentação: 
1 - Fermentação homolática: 
- Produto final – lactato 
- Reação total: Glicose + 2 ADP + 2 Pi → 2 lactato + 2 ATP 
- Lactato desidrogenase (enzima que catalisa esse processo): uso de NADH como coenzima 
- Lactato – C3H6O3 C3 = 0 (mesmo estado de oxidação da glicose) 
A fermentação homolática é feita por várias bactérias anaeróbicas (Streptococcus, 
Lactobacillus, Bifidobacterium). 
O lactato (ou ácido lático), que é o produto final dessa reação, não é mais utilizado por essa 
célula (passa a ser um resto metabólico) que é excretado e passa a se acumular no lado de fora 
dessa célula (acidificação do ambiente). 
Uma das importâncias dessa acidificação desses processos, por exemplo, é que essas bactérias 
são encontradas nas nossas mucosas impedem a colonização por espécies patogênicas (pH 
neutro). 
Probióticos (adição em alimentos) são organismos vivos que, quando administrados em 
quantidades adequadas, conferem benefício à saúde do hospedeiro. 
Intolerância à lactose – falta da produção da enzima lactase (β-galactosidase) no intestino 
delgado.  Parte da população perde a capacidade de produzir essas enzimas com o tempo. 
Acúmulo de lactose – fermentação lática no intestino grosso. 
Tratamento: remoção do leite e derivados da dieta ou uso da enzima lactase – Ou: Leite 
acidófilo: leite contendo Lactobacillus acidophilus (produção de ácido lático). 
O leite acidófilo vai diminuir o teor de lactose encontrado no leite tornando esse leite melhor 
tolerado por esse indivíduo e fornece a enzima lactase ao organismo. 
Leite acidófilo: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei 
Como esse leite é feito? 
- Leite pasteurizado / esterilizado (tirar todos os microrganismos ali presente); 
- Inoculação da bactéria homolática; 
- Fermentação homolática por 12 horas a 37°C; 
- Ácido lático 0,6 – 0,7%; 
- Resfriamento a 5°C. 
“Leites fermentados” - alimentos probióticos: 
- Leite acidófilo 
- Iogurtes 
- Kefir 
(Outras vantagens (dos probióticos), além da produção de ácido lático). 
- Acidificação de alimentos → preservação (iogurte, picles): 
Iogurte: 
- Uso da lactose do leite como fonte de energia; 
- Redução do teor de água do leite (20-30%) (através de aquecimento); 
- Aquecimento para eliminação dos microrganismos presentes; 
- Adição de bactérias láticas: Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus termophilus (podem ser 
bactérias modificadas geneticamente); 
- 3-5 horas, 45°C – alteração da textura para iogurte pela fermentação homolática; 
- Resfriamento a 4°C para interromper o crescimento. 
Obs.: o iogurte tem que ser mantido na geladeira, porque esses microrganismos continuam 
vivos. Se não tiver um controle da temperatura essas bactérias vão continuar crescendo 
alterando assim o aspecto do iogurte. 
Queijo: 
- Adição de Streptococcus lactis ao leite; 
- Incubação entre 20-37°C – fermentação homolática; 
- Queda drástica do pH – coagulação das proteínasdo leite (caseína) – precipitação; 
- Separação do soro e do coalho; 
- Coalho prensado e imerso em salmoura – inibição do crescimento de microrganismos; 
- Maturação do queijo – possível adição de novos microrganismos. 
Aspecto maléfico da fermentação homolática: 
Streptococcus mutans: 
Tem uma cápsula que permite sua adesão aos esmaltes do dente. Ao se aderir ela começa a se 
multiplicar e forma uma superfície que permite a adesão de novas bactérias criando um 
biofilme. Esse biofilme é formado na conexão dos dentes e gengiva (região anaeróbia). É nessa 
região onde será feita a fermentação homolática (utilizando carboidratos consumidos na 
alimentação como fonte para a obtenção de energia). Ocorre uma queda drástica do pH nessa 
superfície e é isso que danifica o esmalte dos dentes, formando assim a cárie. 
Fermentação homolática também ocorre em tecido muscular esquelético de vertebrados em 
atividade intensa - fornecimento insuficiente de O2. 
Reciclagem do lactato no fígado: Ciclo de Cori. 
2 - Fermentação heterolática: 
Nessa fermentação (realizada por esses gêneros Leuconostoc, Bifidobacterium) utiliza-se a via 
das pentoses-fosfato. 
Essa fermentação produz lactato, etanol e um dos átomos de carbono é liberado na forma de 
CO2. 
Kefir – alimento probiótico contendo ácido lático (1%) e etanol (máximo 2%). 
Os grãos de kefir são formados por: - bactérias: Lactobacillus, Leuconostoc, Bifidobacterium 
 - leveduras: Saccharomyces cerevisiae 
Como esse alimento (Kefir) é feito? 
- Adição dos grãos de kefir (10%) ao leite pasteurizado; 
- Fermentação 8-12 horas: ácido lático 1%; 
- Separação do kefir – manutenção da cultura microbiana; 
- Resfriamento. 
3 - Fermentação propiônica: 
É chamado assim pois o produto final dessa fermentação é o propionato ou ácido propiônico. 
Ela pode ser realizada a partir da via glicolítica clássica ou a partir do lactato. 
O que é característico dessa fermentação são as etapas inversas do ciclo de Krebs. 
Propionibacterium: queijo suíço (propionato + CO2 - “bolhas”). 
Veilonella: saliva, língua, gengiva periodontite (propionato). 
4 - Fermentação etanólica: 
Pode ser realizada tanto por leveduras (Saccharomyces cerevisiae) e por algumas bactérias 
também (Zymomonas). 
As leveduras fazem a via glicolítica clássica para realizar essa fermentação e as bactérias usam 
as vias das pseudômonas. 
Qual a importância econômica do etanol e do CO2? 
Esse etanol liberado é o que nós exploramos na produção de bebidas alcoólicas e álcool 
combustível. 
O CO2 liberado é o que nós exploramos para o vinho espumante, fermento biológico. 
Cepas selvagens de leveduras – tolerância de 4% etanol (Em 4% a fermentação tende a parar 
porque nem as células toleram aquele acumulo de etanol próximo a elas). 
Algumas cepas específicas – tolerância de até 14% etanol (Saccharomyces ellipsoideus) 
Variações entre bebidas alcoólicas: 
- Fonte de glicose: 
Vinho – fermentação da glicose da uva; 
Cerveja – fermentação da glicose de grãos de cevada; 
Saquê – fermentação da glicose do arroz; 
- Microrganismo envolvido (produção de outros compostos); 
- Realização ou não de destilação após fermentação etanólica: 
Whisky – destilação a partir da fermentação de grãos de cevada; 
5 - Fermentação butírica e acetona-butanol: 
Teve muita importância na Primeira Guerra Mundial. 
É realizada por várias bactérias do gênero Clostridium (dentro desse gênero nós temos várias 
bactérias patogênicas ao homem). 
Glicose  Ácido butírico + 2 CO2 + 2 H2 + 3 ATP 
Produção inicial de ácido butírico (queda de pH)  Produção de solventes industriais neutros 
(acetona, butanol, isopropanol, etanol) 
Obs.: Quando o Ph fica muito baixo as células mudam o processo de fermentação e passam a 
gerar acetona, butanol, isopropanol, etanol. 
Produção de H2: manutenção do equilíbrio de oxi-redução. 
C. acetobutylicum: Produção de acetona (1ª Guerra Mundial). 
Obs.: Hoje em dia não é viável se adquirir esses solventes orgânicos dessa forma. 
6 - Fermentação ácida-mista: enterobactérias 
Escherichia coli, Salmonella, Shigella 
E. coli – indicador de contaminação fecal 
Etapa adicional de fosforilação ao nível do substrato (na produção de acetato). 
7 - Fermentação butileno-glicólica ou acetoínica: enterobactérias 
Enterobacter, Klebsiella, Serratia, mas não E. coli 
8 - Fermentação de aminoácidos: 
Não começa pela glicose e sim por um aminoácido. 
- Clostridium – grandes produtores de peptidases 
Obs.: Qualquer aminoácido pode ser fermentado. 
- Fermentação de dois aminoácidos: 
É muito comum a fermentação de pares de aminoácidos. Um aminoácido é oxidado liberando 
elétrons, nessa oxidação liberam-se energias para produzir ATP e o segundo aminoácido vai 
ser o aceptor desses elétrons indo então para uma forma reduzida. O saldo energético é baixo 
por isso essas células precisam consumir uma grande quantidade de aminoácidos para ter uma 
produção razoável de energia. 
A primeira fermentação que foi descrita para pares de aminoácidos foi a reação de Stickland. 
Nessa fermentação nós temos a alanina sendo fermentada com a glicina. A alanina vai ser 
oxidada, durante essa oxidação libera energia para produzir ATP, durante essa oxidação 
coenzimas vão sendo reduzidas. O segundo aminoácido recicla essas coenzimas para o 
processo acontecer indefinidamente. 
Existem fermentações isoladas de aminoácidos. Ou seja, um aminoácido por si só ele é 
fermentado (não precisa de um segundo para completar a fermentação): 
Fermentação de arginina: 
A arginina é primeiro desaminada (perde seu grupamento amina), gera um intermediário 
citrulina que é clivado em ornitina e em Carnamoil-fosfato (essa molécula que por fosforilação 
ao nível do fosfato vai gerar energia para essa via). Os produtos finais vão ser eliminados por 
essa célula assim como essa ornitina também é eliminada. 
A ornitina pode ter sua estrutura modificada gerando compostos que tem um odor 
extremamente desagradável (odor da Gangrena gasosa). 
Antiporte arginina / ornitina 
9 - Metanogênese: 
- Formação de metano a partir da fermentação de moléculas orgânicas; 
- Exclusivo de arqueas; 
- Decomposição de matéria orgânica em anaerobiose (comum em estações de tratamento de 
lixo); 
- Presença obrigatória de bactérias fermentativas que liberam substratos orgânicos para a 
metanogênese. 
- Exemplos: metanogênese aceticlástica (começa a partir de acetato) metanogênese 
metilotrófica (começa a partir de metanol). 
- Uso em estações de tratamento de lixo – geração de energia elétrica a partir de metano - 
Rendimento energético desconhecido 
10 - Fermentações associadas à formação de gradientes de íons: 
- Mecanismos de síntese de ATP em procariotos: 
1) Fosforilação ao nível do substrato 
2) Fosforilação por transporte de elétrons 
3) Fosforilação por força íon-motiva: 
Geração de força próton-motiva a partir do consumo de H+ no citoplasma e transporte da 
molécula que consumiu H+ para o meio extracelular 
Síntese de ATP pela ATP sintase membranar 
Processos envolvidos: 
 - Troca (antiporte) precursor / produto 
- Efluxo do produto final 
- Descarboxilação / transporte Na+ 
- Troca precursor / produto: fermentação do oxalato (Oxalobacter) 
Antiporte precursor/produto + descarboxilação do precursor no citoplasma. 
- Troca precursor / produto: fermentação malolática 
Antiporte precursor/produto + descarboxilação do precursor no citoplasma Lactobacillus, 
Lactococcus, Leuconostoc 
- Efluxo do produto final: fermentação homolática 
Simporte com íons H+ do produto final da fermentação, acumulado no citoplasma 
- Descarboxilação/ transporte Na+: fermentação do succinato 
- Acoplamento de reação de descarboxilação com consumo de H+ e transporte de Na+ na 
membrana 
- Presença de ATP sintase dependente de Na+ 
- Propionigenium 
Efeito Pasteur: 
- Maior consumo de glicose em anaerobiose para a mesma produção de ATP 
 - Inibição alostérica da fosfofrutocinase da via glicolítica por ↑ ATP 
Bactéria facultativa: 
- Com O2 → respiração aeróbia (↑ATP) 
- Sem O2 → respiração anaeróbia ou fermentação 
E. coli: respiração aeróbia/ respiração anaeróbia do nitrato / fermentação 
Presença de O2 → respiração aeróbia (repressão da expressão de nitrato redutase, enzimas de 
fermentação) 
Ausência de O2, presença de NO32- → respiração anaeróbia (ausência da repressão de nitrato 
redutase, repressão da expressão de enzimas de fermentação) 
Ausência de O2 e NO32- → fermentações