BIOSINTESIS DE ETANOL

1. DESCRIPCIÓN

La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol

La fermentación alcohólica es la base de las siguientes aplicaciones: en la alimentación humana, pan, cerveza, vino y otras bebidas fermentadas.

La síntesis de la materia viva es endergónica, es decir que necesita un gasto de energía. En función de las condiciones de aerobiosis, las levaduras pueden degradar los azúcares utilizando dos vías metabólicas: la fermentación y la respiración, ambos procesos tienen su inicio común en la glicólisis. La sucesión de reacciones que transforman la glucosa en piruvato con formación de ATP, constituye una vía casi universal en los sistemas biológicos.

El significado de la palabra fermentación hace referencia a los fenómenos de descomposición de la materia orgánica (líquido azucarado) con rápido y tumultuoso desprendimiento de gas. Como síntesis sobre las fermentaciones podemos establecer:

1. Las fermentaciones son reacciones en cadena catalizadas por una serie de enzimas.

2. Las secreciones enzimáticas de las distintas especies microbianas que tienen en común una fundamental actividad fermentativa presentan una gran diversidad cualitativa y cuantitativa, y a menudo sucede, aunque en menor medida, entre cepas, variedades o razas de una misma especie.

3. Los agentes fisicoquímicos del medio influyen notablemente sobre la producción y funcionalidad de las enzimas microbianas. Por lo tanto, el desarrollo de cada fermentación y el resultado final pueden ser diferentes tanto por las características fisiológicas de las levaduras como por las condiciones en que se realice la fermentación.

En una vinificación un cierto número de moléculas de azúcar es degradado por otra vía llamada fermentación gliceropirúvica, que se realiza según la ecuación de Neuberg, que conduce a cantidades equivalentes de glicerol, CO2 y acetaldehído.

C6 H12 O6 CH2OH - CHOH - CH2OH + CH3 - CO - COOH

Glucosa glicerol ácido pirúvico

Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.

La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos como consecuencia de la fermentación.

2. RUTAS BIOQUIMICAS DE SINTESIS

RUTA BIOQUÍMICA DE LA SÍNTESIS DEL ETANOL

QUIMISMO DEL PROCESO FERMENTATIVO

El transporte de hexosas del mosto a través de la membrana, pone en juego un complejo sistema de transportadores proteicos incompletamente dilucidado. Aunque no se trata de un transporte activo que requiere de gasto de energía, ya que el movimiento se realiza a favor de un gradiente de concentración, lo que es energéticamente favorable. Luego la glicólisis se efectúa enteramente en el citosol de la célula de levadura.

La fermentación alcohólica es una transformación enzimática que, si parte de la glucosa, tiene 11 reacciones y termina en la producción de etanol y CO2. La transformación de la fructosa o levulosa tiene una reacción enzimática menos. La primera parte, llamada etapa inductiva, comprende reacciones de fosforilación, y transfosforilación, mecanismo bioquímico basado en razones energéticas. El adenosin trifosfato (ATP), compuesto rico en energía, impulsa estas reacciones y los ésteres formados poseen enlaces ricos en energía. Se pierden dos ATP por mol de azúcar. La energía que la fructosa-1,6-difosfato tiene acumulada es suficiente para producir la escisión de la molécula formándose dos triosas isómeras.

Saccharomyces cerevisiae posee dos hexokinasa (PI y PII) capaces de fosforilar la glucosa y la fructosa. La PII es constitutiva y mayoritariamente se expresa sobre la fase de crecimiento en un medio rico en azúcar. La PI es parcialmente reprimible por glucosa, sólo se expresaría a partir de la fase estacionaria (Bisson, 1993).

El segundo estadio de de la glicólisis es la formación del gliceraldehido-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato, bajo la acción catalítica de una aldolasa. La fructosa-1,6-difosfato está fragmentada en dos triosas. Aunque en equilibrio la forma cetosa sea más abundante que la aldosa, la transformación de la dihidroxicetona al gliceraldehído es rápida, pues este compuesto es eliminado en las siguientes reacciones de la glicólisis.

La tercera fase de la glicólisis incluye dos etapas que intentan recuperar una parte de la energía del gliceraldehido-3-fosfato. Las moléculas de fosfato pueden dar con ciertos radicales orgánicos enlaces ricos en energía. Esto ocurre al formarse el ácido 1-3 difosfoglicérico ya que el NAD+ permite la nueva fosforilación del gliceraldehído-3-fosfato y produce NADH2, que es necesario en la fase final para pasar el etanal a etanol. Esta reacción está catalizada por la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa.

Cuatro ATP vuelven a la levadura cuando el ácido 1-3, difosfoglicérico se convierte en ácido 3, fosfoglicérico y el ácido fosfoenolpirúvico pasa a ácido pirúvico. Por ello, la ganancia neta es de 2 ATP. La fosfogliceromutasa cataliza la conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato. La deshidratación de este último, catalizada por una enolasa conduce al fosfoenolpiruvato; este compuesto posee un alto potencial de transferencia del grupo fosforilo y se forma por fosforilación, ácido pirúvico y ATP. Con la formación del ácido pirúvico termina la glicólisis que constituye el primer estadio de la FA. Luego, la piruvato descarboxilasa (cofactor tiamina pirofosfato), transforma el ácido pirúvico en acetaldehído. Esta es la única fase donde se desprende CO2. Finalmente, el etanal es reducido a alcohol por la enzima alcohol deshidrogenasa en presencia de NAD reducido. El etanol es el otro producto principal de la FA.

En resumen, la ganancia neta de la glicólisis es de dos moléculas de ATP por molécula de hexosa metabolizada. Es en este sentido, marcando el fin del tronco común de la glicólisis que se diferencian la fermentación alcohólica, la fermentación gliceopirúvica y la respiración.

En algunos pasos también se requiere el concurso de algunos cationes como Mg++, Zn++, Co++,

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