Proizvodnja energije iz organskih spojin, kot je glukoza, z oksidacijo z uporabo kemičnih (običajno organskih) spojin znotraj celice kot "sprejemnikov elektronov" se imenuje fermentacija.
To je alternativa celičnemu dihanju, pri katerem se elektroni iz glukoze in drugih oksidiranih spojin prenesejo v akceptor, pripeljan zunaj celice, običajno kisik. To je alternativa celičnemu dihanju (brez kisika celično dihanje ne more priti).
Fermentacija vs. Celično dihanje
Medtem ko lahko fermentacija poteka v anaerobnih pogojih (pomanjkanje kisika), se lahko zgodi tudi, kadar je kisika v izobilju.
Kvas, na primer, raje fermentacijo kot celično dihanje, če je na voljo dovolj glukoze, ki podpira proces, tudi če je na voljo veliko kisika.
Glikoliza: razgradnja sladkorja pred fermentacijo
Ko energijsko bogat sladkor - zlasti glukoza - vstopi v celico, se razgradi v procesu, imenovanem glikoliza. Glikoliza je predpogojni korak za celično dihanje in fermentacijo.
To je običajna pot za razgradnjo sladkorja, ki lahko privede do fermentacije oz celično dihanje.
Glikoliza ne zahteva kisika
Glikoliza je starodaven biokemijski proces, ki se je pojavil zelo zgodaj v evolucijski zgodovini. Jedro reakcij za glikolizo so mikroorganizmi "izumili" že dolgo preden se je razvila fotosinteza, ki se je pojavila približno pred milijardami let, vendar bi to potrebovalo približno 1,5 milijarde let, da bi se morja in ozračje napolnili s kakršno koli občutno količino kisik.
Tako so tudi zapleteni evkarionti (biološka domena, ki vključuje živali, rastline, glive in protistična kraljestva) sposobni proizvajati energijo brez dihanja, brez kisika itd. V kvasu, ki spada v kraljestvo gliv, se kemični produkti glikolize fermentirajo, da proizvedejo energijo za celico.
Od glikolize do fermentacije
Na koncu glikolize bo struktura ogljika s šestimi ogljiki razdeljena na dve molekuli tri-ogljikove spojine, imenovane piruvat. Proizvaja se tudi kemikalija NADH iz bolj "oksidirane" kemikalije, imenovane NAD +.
V kvasovkah se piruvat "reducira", pridobi elektrone, ki se nato prenesejo iz NADH, ki je bil proizveden prej v glikolizi, da nastane acetaldehid in ogljikov dioksid.
Nato se acetaldehid nadalje reducira v etilni alkohol, končni produkt fermentacije. Pri živalih, vključno z ljudmi, lahko piruvat fermentira, kadar je razpoložljivost kisika nizka. To še posebej velja za mišične celice. Ko se to zgodi, čeprav nastane majhna količina alkohola, se večina piruvata iz glikolize ne zmanjša na alkohol, temveč na mlečna kislina.
Medtem ko lahko mlečna kislina zapusti živalske celice in se uporablja za proizvodnjo energije v srcu, se lahko kopiči v mišicah, kar povzroča bolečino in zmanjšuje atletske rezultate. To je "pekoč" občutek, ki ga čutite po dvigovanju uteži, daljšem teku, sprintanju, dvigovanju težkih škatel itd.
ATP in proizvodnja energije s fermentacijo
Univerzalni nosilec energije v celicah je kemikalija, znana kot ATP (adenozin trifosfat). Če izkoristijo kisik, lahko celice proizvajajo ATP z glikolizo, ki ji sledi celično dihanje - tako da ena molekula glukoznega sladkorja da 36-38 molekul ATP, odvisno od vrste celice.
Od teh 36-38 molekul ATP v fazi glikolize nastaneta le dve. Če torej fermentacijo uporabljamo kot alternativo celičnemu dihanju, celice proizvedejo veliko manj energije kot pri dihanju. Vendar pa lahko v fermentaciji z nizko vsebnostjo kisika ali anaerobnimi pogoji organizem ohranja življenje in preživi, saj brez kisika sicer ne bi dihal.
Uporabe za fermentacijo
Ljudje izkoriščamo postopek fermentacije v lastno korist, zlasti ko gre za hrano in pijačo. Proizvodnja kruha, proizvodnja piva in vina, kumarice, jogurt in kombuča uporabljajo vse proces fermentacije.