Wat gebeurt er als er geen zuurstof beschikbaar is aan het einde van de langzame glycolyse?

Glycolyse is de eerste stap in celademhaling en er is geen zuurstof voor nodig. Glycolyse zet een suikermolecuul om in twee moleculen pyruvaat, waarbij ook twee moleculen van adenosinetrifosfaat (ATP) en nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) worden geproduceerd. Wanneer zuurstof afwezig is, kan een cel de pyruvaten metaboliseren door middel van fermentatie.

ATP is het energieopslagmolecuul van de cel, terwijl NADH en zijn geoxideerde versie, NAD+, deelnemen aan de celreacties waarbij elektronen worden overgedragen, de zogenaamde redoxreacties. Als er zuurstof aanwezig is, kan de cel aanzienlijke chemische energie onttrekken door pyruvaat af te breken via de citroenzuurcyclus, die NADH weer omzet in NAD+. Zonder oxidatie moet de cel fermentatie gebruiken om NADH te oxideren voordat het zich ophoopt tot ongezonde niveaus.

Pyruvaat is een molecuul met drie koolstofatomen dat het enzym lactaatdehydrogenase omzet in lactaat via het proces dat bekend staat als homolactische fermentatie. Daarbij wordt NADH geoxideerd tot NAD+ dat nodig is om de glycolyse te laten verlopen. Bij afwezigheid van zuurstof voorkomt homolactische fermentatie dat NADH zich ophoopt, wat de glycolyse zou stoppen en de cel van zijn energiebron zou beroven. Fermentatie levert geen ATP-moleculen op, maar het zorgt er wel voor dat de glycolyse doorgaat en een klein straaltje ATP's produceert. Bij homolactische fermentatie is lactaat het enige product.

Bij afwezigheid van zuurstof kunnen bepaalde organismen zoals gist pyruvaat omzetten in koolstofdioxide en ethanol. Brouwers profiteren van dit proces om graanpuree om te zetten in bier. Heterolactische fermentatie verloopt in twee stappen. Ten eerste zet het enzym pyruvaatdehydrogenase pyruvaat om in aceetaldehyde. In de tweede stap brengt het enzym alcoholdehydrogenase waterstof over van NADH naar het aceetaldehyde en zet het om in ethanol en koolstofdioxide. Het proces regenereert ook NAD+, waardoor de glycolyse kan doorgaan.

Als je ooit je spieren hebt gevoeld tijdens zware lichamelijke activiteit, ervaar je het effect van homolactische fermentatie in je spiercellen. Zware inspanning put tijdelijk de zuurstoftoevoer van een cel uit. Onder deze omstandigheden zetten spieren pyruvaat om in melkzuur, wat het bekende brandende gevoel geeft. Dit is echter een noodoplossing voor lage zuurstofniveaus. Zonder zuurstof kunnen cellen snel afsterven.

Anaërobe fermentatie wordt gebruikt om naast bier verschillende voedingsmiddelen te maken. Kool profiteert bijvoorbeeld van fermentatie om delicatessen zoals kimchee en zuurkool op te leveren. Bepaalde bacteriestammen, waaronder Lactobacillus bulgaricus en Streptococcus thermofielen, zetten melk om in yoghurt door middel van homolactische fermentatie. Het proces stolt de melk, geeft de yoghurtsmaak en verhoogt de zuurgraad van de melk, waardoor het onsmakelijk wordt voor veel schadelijke bacteriën.