Fermentação

A fermentação é um processo bioquímico, com a ausência de gás oxigênio, que consiste na síntese de ATP sem o envolvimento da cadeia respiratória, etapa característica do processo de respiração celular.^[1] Na fermentação, o aceitador final de hidrogênios é um composto orgânico e por este motivo constitui um metabolismo contrastante com a respiração celular, em que os elétrons são doados a aceitadores de elétrons exógenos, como o oxigênio, em uma cadeia transportadora de elétrons. Dessa forma, trata-se de um mecanismo muito importante na obtenção de energia em condições anaeróbicas, uma vez que nestes casos não há o processo de fosforilação oxidativa para manter a produção de ATP.^[2]

As bactérias podem realizar tanto fermentação como respiração aeróbica. Para algumas bactérias anaeróbias o gás oxigênio pode ser letal, restringindo a ocorrência desses organismos a solos profundos e regiões em que o teor de oxigênio é praticamente zero. A esses organismos damos o nome de anaeróbios estritos. Há, no entanto, outros organismos que são considerados anaeróbios facultativos, uma vez que realizam a fermentação na ausência de oxigênio e a respiração aeróbia na presença desse gás, como é o caso de certos fungos (Saccharomyces cerevisiae — levedura) e de muitas bactérias.^[1]

Durante o processo da glicólise, a glicose é inicialmente degradada em piruvato,e este por sua vez é metabolizado em diferentes compostos de acordo com o tipo de fermentação. Na fermentação láctica o piruvato é convertido a ácido láctico, enquanto na fermentação alcoólica o mesmo é convertido a etanol com a liberação de CO₂; já no caso da fermentação heterocíclica, o piruvato é convertido a ácido láctico e outros ácidos e alcoóis. Apesar de ser um processo que ocorre na ausência de oxigênio, alguns organismos realizam esse metabolismo mesmo na presença de grandes concentrações de oxigênio, como é o caso da levedura.^[2]

O açúcar é o substrato mais comumente utilizado no metabolismo fermentativo. Essa molécula sofre uma degradação parcial a moléculas orgânicas menores fornecendo energia na forma de ATP para a célula.^[3] O saldo energético desse processo é de apenas 2 moléculas de ATP por molécula de glicose degradada, um ganho energético inferior ao processo de Respiração Celular. Vale ressaltar que esse ganho energético é totalmente proveniente da glicólise, uma etapa comum a ambos processos do metabolismo energético.^[1] Trata-se de um processo utilizado por diversos micro-organismos e algumas células de mamíferos — como as hemácias, as fibras musculares brancas e as fibras musculares vermelhas sob contração vigorosa. No último caso, quando fibras vermelhas são submetidas a esforço intenso, o oxigênio transportado pelo sangue torna-se insuficiente para promover a oxidação da grande quantidade de NADH resultante do trabalho muscular, expondo a célula a uma situação de anaerobiose relativa.^[4]

Bioquímica

Glicólise

Todos os processos de utilização de glicose (C₆H₁₂O₆) para obtenção de energia iniciam-se com a conversão deste açúcar a duas moléculas de piruvato (C₃H₄O₃), através de enzimas específicas, caracterizando assim a fase denominada glicólise. Essa conversão se dá em dez etapas e utiliza-se de substâncias e moléculas das células, dentre elas ATP (adenosina trifosfato) e átomos de fósforo — para a formação de ATP — e a coenzima NAD⁺ (nicotinamida adenina dinucleotídeo) — como molécula intermediária para a oxidação dos aldeídos formados a partir da quebra da glicose, sendo reduzida a NADH através da incorporação do H⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Essa etapa é produtora de energia, isto é, tem como produto, além do piruvato, 2 moléculas de ATP (adenosina trifosfato). As coenzimas NAD⁺, por sua vez, precisam ser regeneradas e, para tanto, é necessário reoxidar as moléculas de NADH ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

A equação geral desta fase é representada por:

Glicose + 2NAD⁺ + 2ADP + 2P_i → 2 Piruvato + 2 NADH + 2H⁺ + 2ATP + 2H₂O

A glicólise é comum tanto aos processos aeróbios quanto aos anaeróbios, porém as etapas que se seguem para reoxidar o NADH diferem de acordo com a disponibilidade ou não de oxigênio ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Em condições aeróbias essa reoxidação se dá com a transferência de elétrons da coenzima para o oxigênio, através dos complexos enzimáticos da cadeia de transporte de elétrons, caracterizando a fosforilação oxidativa. Já em condições de anaerobiose, a reoxidação se dá através da transferência dos elétrons para aceptores endógenos, geralmente compostos orgânicos, sendo esse processo chamado de fermentação ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Os diferentes tipos de fermentação (alcoólica, láctica, heterocíclica) não possuem os complexos enzimáticos, sendo coordenados por enzimas específicas a cada tipo e, ao contrário da fosforilação oxidativa, a transferência de elétrons não gera gradientes eletroquímicos e iônicos capazes de gerar ATP, sendo, portanto, um processo não produtivo energeticamente ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Cadeia Respiratória

Durante os processos aeróbios de quebra de moléculas de glicose (Glicólise e Ciclo de Krebs) a produção energética é muito reduzida, ficando a energia oriunda dessa quebra armazenada nas coenzimas. A reoxidação das mesmas, através da cadeia de transporte de elétrons, permite a liberação dessa energia e está intimamente relacionada à fosforilação oxidativa, isto é, à produção de ATP ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

A membrana interna das mitocôndrias possui quatro complexos enzimáticos com diversos transportadores com potenciais de oxirredução diferentes, ordenados de maneira crescente quanto a esses potenciais, até chegar ao oxigênio, que possui o maior deles (aceptor final de elétrons) liberado pelo aldeído.^[4]

Os átomos de hidrogênio que estão associados ao NADH são transportados através dessa sequência de compostos, transportando também os elétrons através desse complexo, diminuindo assim gradualmente a energia livre armazenada. Os átomos de H⁺ vão sendo lançados para o espaço intermembranoso e isso gera um gradiente de prótons, isto é, concentrações diferentes desses prótons entre a porção interna e externa a essa membrana. Ao mesmo tempo os elétrons vão ficando aprisionados na matriz tornando-a mais negativa em relação a outra porção da membrana — gerando assim um gradiente eletroquímico ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

A membrana é impermeável a prótons exceto nos sítios formados pela ATP sintase, e os mesmos só conseguem retornar à matriz mitocondrial através desse poro. A variação da energia livre associada à transferência de elétrons é suficientemente grande para promover a síntese de ATP. Estando essa síntese associada à oxidação das coenzimas e sendo ela própria uma fosforilação, este processo denomina-se fosforilação oxidativa ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Fermentação

Quando um organismo opta pelo processo de fermentação — seja por opção ou pela ausência de O₂ — o processo da quebra da glicose completa a fase de glicólise, porém não o faz com a etapa do Ciclo de Krebs nem tampouco inicia o processo da Cadeia Respiratória — ambos dependentes da molécula de O₂. A formação de ATP, isto é, a produção energética, restringe-se então a glicólise e a célula inicia o processo de fermentação para a reoxidação das coenzimas. As moléculas de piruvato, que contém grandes quantidades de energia armazenada, são reduzidas a outros compostos, e essa energia permanece então aprisionada, sem possibilidade de utilização da mesma pelas células. Estes são, portanto, processos que não sintetizam ATP, isto é, energeticamente improdutivos ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Fermentação láctica

Conversão de piruvato a lactato pela ação da enzima lactato desidrogenase

Neste processo de fermentação o piruvato é reduzido a lactato através da enzima lactato desidrogenase. Essa redução é o que permite a reoxidação das moléculas de NADH, sendo o próprio piruvato o aceptor de elétrons ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Este processo é observado em algumas espécies de bactérias, nas hemácias sanguíneas, nas fibras musculares de contração rápida e nas fibras musculares em geral, neste último caso quando a quantidade de oxigênio torna-se insuficiente (anaerobiose relativa), devido a um trabalho muscular muito intenso. O acúmulo de ácido láctico oriundo desse processo no músculo é o que causa a dor característica posterior aos exercícios físicos de grande intensidade. Tal mecanismo é muito importante, uma vez que permite a continuidade do exercício, mesmo em ausência relativa de oxigênio ⁺ liberado pelo aldeído.^[4]

Fermentação Alcoólica

Fermentação alcoólica

Em certos organismos, como as leveduras e alguns tipos de bactérias, a regeneração do NAD⁺ é feita por meio da fermentação alcoólica.^[4] Nesse processo, inicialmente, cada molécula de piruvato é convertida a um composto com dois carbonos (acetaldeído) em uma reação de descarboxilação através da ação da enzima Piruvato Descarboxilase (PPP), que gera uma molécula de CO₂ e uma molécula de NADH.^[1][4] Esse acetaldeído serve de aceptor dos elétrons do NADH e reduz-se a álcool etílico (etanol) a partir da ação da enzima álcool desidrogenase.

Esse tipo de fermentação ocorre principalmente em bactérias e leveduras, sendo que no último caso são usadas na produção de bebidas alcoólicas e na panificação. No primeiro uso, o levedo é responsável por transformar um substrato altamente açucarado (suco de uva ou suco de cevada) em uma bebida com álcool etílico em sua composição (vinho e cerveja, respectivamente) através do processo de fermentação no qual o CO₂ resultante é evaporado do líquido, restando apenas o etanol.^[1][5] Por esse mesmo princípio o suco de cana-de-açúcar fermentado e destilado produz o etanol, usado como combustível ou na produção de aguardente. No segundo uso mencionado, ao contrário do relatado anteriormente, o CO₂ produzido pela fermentação fica armazenado no interior da massa, em pequenas câmaras, promovendo o "crescimento" da massa. Ao assar a massa tanto o CO₂ como o álcool etílico evaporam, porém as paredes das câmaras formadas anteriormente se enrijecem e mantém a estrutura alveolar.^[1][6]

Fermentação Acética

Esse tipo de fermentação é realizada por bactérias fermentativas conhecidas como acetobactérias, bactérias da família Pseudomonaceae, como a Acetobacter ou Gluconobacter. Essas bactérias fazem com que o ocorra a oxidação parcial do álcool etílico em acido acético.^[7]

A reação química ocorre em condições aeróbicas, pois as acetobactérias necessitam de oxigênio para realizar a transformação, além de ter o ácido acético como produto, temos também a formação de água.^[8]

Assim a reação pode ser escrita da seguinte forma: C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O.

Esse tipo de reação é utilizada para a produção de vinagres e de acido acético industriais. Além disso, o ácido acético de desenvolve na deterioração de bebidas de baixo teor alcoólico e de certos alimentos como os que contém carboidrato.^[8]

Histórico

A primeira evidência sólida da natureza viva das leveduras apareceu entre 1837 e 1838 com três publicações de autores diferentes: C. Cagniard de la Tour, Swann T, e Kuetzing F. Cada um deles concluiu independente, como resultado de investigações microscópicas, que o levedo é um organismo vivo que se reproduz por brotamento.^[9] Talvez porque o vinho, a cerveja e o pão foram alimentos básicos na Europa, a maioria dos primeiros estudos sobre a fermentação foram feitos em levedura, o organismo responsável pela produção destes alimentos. Pouco tempo depois as bactérias também foram descobertas; o termo foi usado pela primeira vez em Inglês em 1840, mas não entrou em uso geral até a década de 1870, e depois foi relacionado em grande parte com a "teoria do germe de doenças".^[10]

Louis Pasteur (1822-1895), durante os anos de 1850 e 1860, mostrou através de uma série de investigações que a fermentação é iniciada por organismos vivos.^[11] Em 1857, Pasteur demonstrou a geração de ácido láctico por organismos vivos através do processo de fermentação^[12] para em 1860 demonstrar que são as bactérias as responsáveis pela acidificação do leite, um processo anteriormente considerado apenas uma mudança química. Seu trabalho em identificar o papel de microrganismos em deterioração dos alimentos foi responsável pelo desenvolvimento posterior do processo de pasteurização.^[13] Já em 1877, ao trabalhar para melhorar a indústria cervejeira francesa, Pasteur publicou seu famoso texto sobre a fermentação "Etudes sur la Bière", traduzido para o Inglês em 1879 como " "Studies on Fermentation" ("Estudo sobre a Fermentação").^[14] Pasteur definiu incorretamente fermentação como "A vida sem ar",^[15] mas corretamente mostrou que tipos específicos de microrganismos realizam tipos específicos de fermentações que, por sua vez, geram produtos finais diferentes.

Embora a descoberta de que a fermentação é resultado da ação de microrganismos vivos tenha sido um avanço, esta não explica a natureza básica do processo de fermentação e nem sequer prova que tal processo é causado pelos microrganismos que parecem estar sempre presentes. Muitos cientistas, incluindo Pasteur, sem sucesso tentaram extrair a enzima responsável pela fermentação no levedo,^[15] porém o sucesso só veio em 1897, com o químico alemão Eduard Buchner. Este pesquisador moeu fermento e extraiu o sumo dessa solução que colocou em contato com uma solução de açúcar. Para sua perplexidade, o líquido considerado "morto" foi capaz de fermentar a solução e gerar dióxido de carbono e álcool, como as leveduras vivas.^[16] Neste caso o observado foi que os "fermentos não organizados" comportaram-se exatamente como os organizados e, a partir desse momento, o termo enzima passou a ser aplicado a todos os fermentos. Em seguida, foi compreendido que a fermentação é um processo resultante da ação de enzimas produzidas por microorganismos^[17] e em 1907, Buechner ganhou o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho.

Avanços em microbiologia e tecnologia de fermentação continuaram a ser desenvolvidos de forma constante até o presente. Por exemplo, no final de 1970, descobriu-se que determinados fungos podem sofrer mutações selecionáveis através de tratamentos físicos e químicos no intuito de apresentarem um maior rendimento, crescimento mais rápido, maior tolerância a baixas concentrações de oxigênio e serem capazes de utilizar um meio mais concentrado.^[18]

Referências

1. Lopes & Rosso; Bio: volume 1, 1. ed.; São Paulo: Saraiva, 2010.
2. Dickinson, J. R. (1999). "Carbon metabolism". In J. R. Dickinson and M. Schweizer. The metabolism and molecular physiology of Saccharomyces cerevisiae. Philadelphia, PA: Taylor & Francis. ISBN 978-0-7484-0731-6.
3. Amabis & Martho; Fundamentos da Biologia Moderna: Volume único, 4. ed.; São Paulo: Ed. Moderna.
4. Bioquímica Básica, Marzzoco, A. & Torres, B. B.; 3.ed.; Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2007.
5. Ferreira, E. C. ; Montes, R. ; A química da produção de bebidas alcoólicas - QUÍMICA NOVA NA ESCOLA, n. 10, novembro 1999.
6. http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos_grad2004/panificacao/home.htm
7. «O que é fermentação?». Brasil Escola. Consultado em 16 de novembro de 2019
8. «Fermentação acética». sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br. Consultado em 16 de novembro de 2019
9. Sanskrit: yásati "(it) boils" Yeast in dictionary.com
10. A brief history of fermentation, East and West. Soyinfocenter.com. Retrieved on 2011-01-04.
11. A dictionary of applied chemistry, Volume 3. Thorpe, Sir Thomas Edward. Longmans, Green and Co., 1922. p.159
12. Accomplishments of Louis Pasteur. Fjcollazo.com (2005-12-30). Retrieved on 2011-01-04.
13. HowStuffWorks "Louis Pasteur". Science.howstuffworks.com (2009-07-01). Retrieved on 2011-01-04.
14. Louis Pasteur (1879) Studies on fermentation: The diseases of beer, their causes, and the means of preventing them. Macmillan Publishers.
15. Modern History Sourcebook: Louis Pasteur (1822–1895): Physiological theory of fermentation, 1879. Translated by F. Faulkner, D.C. Robb.
16. New beer in an old bottle: Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge. Cornish-Bowden, Athel. Universitat de Valencia. 1997. ISBN 978-84-370-3328-0. p. 25.
17. The enigma of ferment: from the philospher’s stone to the first biochemical Nobel prize. Lagerkvist, Ulf. World Scientific Publishers. 2005. ISBN 978-981-256-421-4. p. 7.
18. Wang, H. L.; Swain, E. W.; Hesseltine, C. W. (1980). "Phytase of molds used in oriental food fermentation".Journal of Food Science 45: 1262. doi:10.1111/j.1365-2621.1980.tb06534.x.

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