La produzione di energia da composti organici, come il glucosio, per ossidazione utilizzando composti chimici (solitamente organici) dall'interno di una cellula come "accettori di elettroni" è chiamata fermentazione.
Questa è un'alternativa alla respirazione cellulare in cui gli elettroni del glucosio e di altri composti che vengono ossidati vengono trasferiti a un accettore portato dall'esterno della cellula, tipicamente ossigeno. Questa è un'alternativa alla respirazione cellulare (senza ossigeno, la respirazione cellulare non può avvenire).
Fermentazione vs. Respirazione cellulare
Mentre la fermentazione può avvenire in condizioni anaerobiche (mancanza di ossigeno), può avvenire anche quando l'ossigeno è abbondante.
Il lievito, ad esempio, preferisce la fermentazione alla respirazione cellulare se è disponibile abbastanza glucosio per supportare il processo, anche se è disponibile molto ossigeno.
Glicolisi: la scomposizione dello zucchero prima della fermentazione
Quando lo zucchero ricco di energia, in particolare il glucosio, entra in una cellula, viene scomposto in un processo chiamato glicolisi.
È un percorso comune per la scomposizione dello zucchero, che può portare alla fermentazione o respirazione cellulare.
La glicolisi non richiede ossigeno
La glicolisi è un antico processo biochimico, emerso molto presto nella storia evolutiva. Le reazioni principali per la glicolisi sono state "inventate" dai microrganismi molto prima che si evolvesse la fotosintesi, che emerse all'incirca 3,5 miliardi di anni fa, ma ci vorrebbero circa 1,5 miliardi di anni per riempire i mari e l'atmosfera con una quantità apprezzabile di ossigeno.
Pertanto, anche gli eucarioti complessi (il dominio biologico che include i regni animale, vegetale, fungino e protista) sono in grado di produrre energia senza respirazione, senza ossigeno, ecc. Nel lievito, che appartiene al regno dei funghi, i prodotti chimici della glicolisi vengono fatti fermentare per produrre energia per la cellula.
Dalla glicolisi alla fermentazione
Alla fine della glicolisi, la struttura a sei atomi di carbonio del glucosio sarà stata scissa in due molecole del composto a tre atomi di carbonio chiamato piruvato. Viene prodotta anche la sostanza chimica NADH, da una sostanza chimica più "ossidata" chiamata NAD+.
Nel lievito, il piruvato subisce una "riduzione", l'acquisizione di elettroni, che vengono poi trasferiti dal NADH prodotto in precedenza nella glicolisi per produrre acetaldeide e anidride carbonica.
L'acetaldeide viene poi ridotta ulteriormente ad alcol etilico, il prodotto finale della fermentazione. Negli animali, compreso l'uomo, il piruvato può essere fermentato quando la disponibilità di ossigeno è bassa. Questo è particolarmente vero nelle cellule muscolari. Quando ciò accade, sebbene vengano prodotte piccole quantità di alcol, la maggior parte del piruvato della glicolisi viene ridotta non ad alcol, ma piuttosto a acido lattico.
Mentre l'acido lattico può lasciare le cellule animali ed essere utilizzato per produrre energia nel cuore, può accumularsi all'interno dei muscoli, causando dolore e diminuzione delle prestazioni atletiche. Questa è la sensazione di "bruciore" che provi dopo aver sollevato pesi, correndo per un lungo periodo di tempo, facendo uno sprint, sollevando scatole pesanti, ecc.
ATP e produzione di energia tramite fermentazione
Il vettore energetico universale nelle cellule è una sostanza chimica nota come ATP (adenosina trifosfato). Se utilizzano l'ossigeno, le cellule possono produrre ATP attraverso la glicolisi seguita dalla respirazione cellulare, in modo tale che una molecola di zucchero glucosio produce 36-38 molecole di ATP, a seconda del tipo di cellula.
Di queste 36-38 molecole di ATP, solo due vengono prodotte durante la fase di glicolisi. Quindi, se si usa la fermentazione come alternativa alla respirazione cellulare, le cellule producono molta meno energia di quanto non facciano usando la respirazione. Tuttavia, in condizioni di scarso ossigeno o anaerobiche, la fermentazione può mantenere in vita e sopravvivere un organismo poiché altrimenti non avrebbe respirazione senza ossigeno.
Usi per la fermentazione
Gli esseri umani utilizzano il processo di fermentazione a proprio vantaggio, specialmente quando si tratta di cibo e bevande. La produzione di pane, birra e vino, sottaceti, yogurt e kombucha usano tutti il processo di fermentazione.