Produkcja energii ze związków organicznych, takich jak glukoza, poprzez utlenianie przy użyciu związków chemicznych (zwykle organicznych) z wnętrza komórki jako „akceptorów elektronów” nazywa się fermentacja.
Jest to alternatywa dla oddychania komórkowego, w którym elektrony z glukozy i innych utlenianych związków są przenoszone do akceptora przyniesionego z zewnątrz komórki, zazwyczaj tlenu. Jest to alternatywa dla oddychania komórkowego (bez tlenu oddychanie komórkowe nie może wystąpić).
Fermentacja vs. Oddychania komórkowego
Chociaż fermentacja może odbywać się w warunkach beztlenowych (brak tlenu), może się również zdarzyć, gdy tlen jest obfity.
Na przykład drożdże wolą fermentację niż oddychanie komórkowe, jeśli dostępna jest wystarczająca ilość glukozy, aby wesprzeć proces, nawet jeśli dostępna jest duża ilość tlenu.
Glikoliza: rozkład cukru przed fermentacją
Kiedy bogaty w energię cukier – w szczególności glukoza – wchodzi do komórki, jest rozkładany w procesie zwanym glikolizą. Glikoliza jest niezbędnym etapem zarówno dla oddychania komórkowego, jak i fermentacji.
Jest to powszechna droga rozkładu cukru, która może prowadzić do fermentacji lub oddychania komórkowego.
Glikoliza nie wymaga tlenu
Glikoliza to starożytny proces biochemiczny, który pojawił się bardzo wcześnie w historii ewolucji. Podstawowe reakcje glikolizy zostały „wynalezione” przez mikroorganizmy na długo przed ewolucją fotosyntezy, która pojawiła się około 3,5 miliard lat temu, ale wypełnienie mórz i atmosfery jakąkolwiek znaczącą ilością tlen.
Tak więc nawet złożone eukarionty (domena biologiczna obejmująca królestwa zwierząt, roślin, grzybów i protistów) są w stanie wytwarzać energię bez oddychania, bez tlenu itp. W drożdżach, które należą do królestwa grzybów, chemiczne produkty glikolizy są fermentowane w celu wytworzenia energii dla komórki.
Od glikolizy do fermentacji
Pod koniec glikolizy sześciowęglowa struktura glukozy zostanie podzielona na dwie cząsteczki trzywęglowego związku zwanego pirogronianem. Produkowany jest również chemiczny NADH, z bardziej „utlenionej” substancji chemicznej zwanej NAD+.
W drożdżach pirogronian podlega „redukcji”, pozyskiwaniu elektronów, które są następnie przenoszone z NADH wytworzonego wcześniej w glikolizie, aby uzyskać aldehyd octowy i dwutlenek węgla.
Aldehyd octowy jest następnie dalej redukowany do alkoholu etylowego, końcowego produktu fermentacji. U zwierząt, w tym ludzi, pirogronian może ulegać fermentacji, gdy dostępność tlenu jest niska. Dotyczy to zwłaszcza komórek mięśniowych. Kiedy tak się dzieje, chociaż produkowane są niewielkie ilości alkoholu, większość pirogronianu z glikolizy jest redukowana nie do alkoholu, ale raczej do kwas mlekowy.
Chociaż kwas mlekowy może opuszczać komórki zwierzęce i być wykorzystywany do wytwarzania energii w sercu, może gromadzić się w mięśniach, powodując ból i obniżając wyniki sportowe. Jest to uczucie „pieczenia”, które odczuwasz po podnoszeniu ciężarów, bieganiu przez długi czas, sprintach, podnoszeniu ciężkich pudeł itp.
Produkcja ATP i energii poprzez fermentację
Uniwersalnym nośnikiem energii w komórkach jest substancja chemiczna znana jako ATP (trójfosforan adenozyny). Jeśli wykorzystują tlen, komórki mogą wytwarzać ATP poprzez glikolizę, po której następuje oddychanie komórkowe – tak, że jedna cząsteczka cukru glukozy daje 36-38 cząsteczek ATP, w zależności od typu komórki.
Z tych 36-38 cząsteczek ATP tylko dwie powstają podczas fazy glikolizy. Tak więc, jeśli stosuje się fermentację jako alternatywę dla oddychania komórkowego, komórki wytwarzają znacznie mniej energii niż podczas oddychania. Jednak w warunkach niskotlenowych lub beztlenowych fermentacja może utrzymać organizm przy życiu i przetrwaniu, ponieważ w przeciwnym razie nie miałby oddychania bez tlenu.
Zastosowania do fermentacji
Ludzie wykorzystują proces fermentacji dla własnej korzyści, zwłaszcza jeśli chodzi o jedzenie i picie. Wypiekanie chleba, produkcja piwa i wina, marynaty, jogurt i kombucha – wszystko to wykorzystuje proces fermentacji.