La glicolisi è il primo passo nella respirazione cellulare e non richiede ossigeno per procedere. La glicolisi converte una molecola di zucchero in due molecole di piruvato, producendo anche due molecole ciascuna di adenosina trifosfato (ATP) e nicotinammide adenina dinucleotide (NADH). Quando l'ossigeno è assente, una cellula può metabolizzare i piruvati attraverso il processo di fermentazione.
Metabolismo energetico
L'ATP è la molecola di accumulo di energia della cellula, mentre NADH e la sua versione ossidata, NAD+, partecipano alle reazioni cellulari che comportano il trasferimento di elettroni, note come reazioni redox. Se l'ossigeno è presente, la cellula può estrarre una notevole energia chimica scomponendo il piruvato attraverso il ciclo dell'acido citrico, che riconverte il NADH in NAD+. Senza ossidazione, la cellula deve usare la fermentazione per ossidare il NADH prima che si accumuli a livelli malsani.
Fermentazione Omolattica
Il piruvato è una molecola a tre atomi di carbonio che l'enzima lattato deidrogenasi converte in lattato attraverso il processo noto come fermentazione omolattica. Nel processo, NADH viene ossidato in NAD+ che è necessario affinché la glicolisi proceda. In assenza di ossigeno, la fermentazione omolattica impedisce l'accumulo di NADH, che arresterebbe la glicolisi e priverebbe la cellula della sua fonte di energia. La fermentazione non produce molecole di ATP, ma consente alla glicolisi di continuare e produrre un piccolo rivolo di ATP. Nella fermentazione omolattica, il lattato è l'unico prodotto.
Fermentazione eterolattica
In assenza di ossigeno, alcuni organismi come il lievito possono convertire il piruvato in anidride carbonica ed etanolo. I birrai sfruttano questo processo per convertire la poltiglia di cereali in birra. La fermentazione eterolattica si svolge in due fasi. Innanzitutto, l'enzima piruvato deidrogenasi converte il piruvato in acetaldeide. Nella seconda fase, l'enzima alcol deidrogenasi trasferisce l'idrogeno dal NADH all'acetaldeide, convertendolo in etanolo e anidride carbonica. Il processo rigenera anche NAD+, che consente alla glicolisi di continuare.
Sentire l'ustione
Se hai mai sentito i tuoi muscoli bruciare durante un'attività fisica pesante, stai sperimentando l'effetto della fermentazione omolattica nelle tue cellule muscolari. Un intenso esercizio fisico esaurisce temporaneamente l'apporto di ossigeno di una cellula. In queste condizioni, i muscoli metabolizzano il piruvato in acido lattico, che produce la familiare sensazione di bruciore. Tuttavia, questa è una reazione di ripiego a bassi livelli di ossigeno. Senza ossigeno, le cellule possono morire rapidamente.
Cavolo e Yogurt
La fermentazione anaerobica viene utilizzata per creare diversi alimenti oltre alla birra. Ad esempio, il cavolo beneficia della fermentazione per produrre prelibatezze come kimchee e crauti. Alcuni ceppi di batteri, tra cui Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophiles, convertono il latte in yogurt attraverso la fermentazione omolattica. Il processo congela il latte, conferisce sapore allo yogurt e aumenta l'acidità del latte, che lo rende sgradevole a molti batteri nocivi.