Fermentação e Respiração

Fermentação

Uma mudança química em matéria animal e vegetal provocada por leveduras microscópicas, bactérias, ou mofos é chamada de fermentação. Exemplos de fermentação são o azedamento de leite, o crescimento da massa de pão, e a conversão de açúcares e amidos em álcool. Muitas substâncias químicas industriais e vários antibióticos usados em medicamentos modernos são produzidos através de fermentação sob condições controladas. O resultado da fermentação é que uma substância seja quebrada em compostos mais simples. Em alguns casos a fermentação é usada para modificar um material cuja modificação seria difícil ou muito cara se métodos químicos convencionais fossem escolhidos. A fermentação é sempre iniciada por enzimas formadas nas celas dos organismos vivos. Uma enzima é um catalisador natural que provoca uma mudança química sem ser afetado por isto.

A levedura comum é um fungo composto de minúsculas células tipo vegetais similares às bactérias. Suas enzimas invertase e zimase quebram açúcar em álcool e gás carbônico. Elas crescem o pão e transformam suco de uva em vinho. Bactérias azedam o leite produzindo ácidos láctico e buturico. Células do corpo humano produzem enzimas digestivas, como pepsina e renina que transformam comida em uma forma solúvel.

Os produtos de fermentação foram usados desde a antigüidade Habitantes das cavernas descobriram que a carne emvelhecida tem um sabor mais agradável que a carne fresca. Vinho, cerveja, e pão são tão velhos quanto a agricultura. Queijo, que envolve a fermentação de leite ou creme é outra comida muito antiga. O valor medicinal de produtos fermentados é conhecido de há muito tempo. Os chinêses usavam coalho de feijão-soja mofado para curar infecções de pele há 3.000 anos atrás. Os índios da America Central tratavam feridas infetadas com fungos.

A verdadeira causa de fermentação, porém, não era compreendida até o século XIX. O cientista francês Louis Pasteur, enquanto estudando problemas dos cervejeiros e vinicultores da França, encontrou que um tipo de levedura produz vinho bom, mas um segundo tipo torna-o azedo. Esta descoberta conduziu à teoria da origem de doenças de Pasteur .

A química das fermentações é uma ciência nova que ainda está em suas fases mais iniciais. É a base de processos industriais que convertem matérias-primas como grãos, açúcares, e subprodutos industriais em muitos produtos sintéticos diferentes. Cepas cuidadosamente selecionadas de mofos, leveduras e bactérias, e são usadas.

A Penicilina é um antibiótico que destrói muitas bactérias causadoras de doenças. É derivado de um mofo que cresce em uma mistura fermentativa de substâncias cuidadosamente selecionadas para este propósito. A Penicilina industrial e muitos outros antibióticos se tornaram uma área muito importante da indústria farmaceutica.

O Ácido cítrico é uma das muitas substâncias químicas produzidas por microorganismos. É usado em limpadores de metal e como um preservativo e agente de sabor em alimentos. O Ácido cítrico é responsável pelo sabor azedo de frutas cítricas. Poderia ser obtido delas, mas necessitaria muitos milhares de frutos para produzir a quantia de ácido cítrico atualmente feita pela fermentação de melado com o mofo Aspergillus niger.

Um produto de fermentação, Terramicina, é adicionado a rações animais para acelerar o crescimento dos animais e os proteger de doenças. Certas vitaminas são feitas através de fermentação de mofos; e as próprias enzimas, extraídas de vários microorganismos, têm muitos usos na fabricação de alimentos e medicamentos.

Fermentação Lática 
As bactérias utilizadas industrialmente são as anaeróbias e microaerófilas, para a produção de ácido acético, lático, glucônico, propiônico e outros, ou para a produção de alimentos como queijos, picles, chucrutes, vinagres, leites fermentados e outros. Os fungos também são usados na produção de ácidos por via fermentativa. Os principais ácidos são: cítrico, glucônico, fumárico, lático, gálico, ácidos graxos e outros. As bactérias envolvidas nos processos para obtenção de ácidos são principalmente as do gênero Acetobacter e Lactobacillus. As bactérias podem formar inúmeros ácidos diferentes. São, no entanto, de maior interesse econômico algumas das bactérias produtoras de ácido lático, ácido acético e de ácido propiônico. Os ácidos são provenientes da degradação anaeróbica de glicídeos por oxidação incompleta.

Bactérias

Seres unicelulares pertencentes à classe dos esquizomícetos, de estrutura muito simples e núcleo difuso, que se reproduzem por cissiparidade. As bactérias formam um ramo do reino vegetal segundo alguns autores. As bactérias têm importante papel na natureza, não só pela variedade de espécies, como também pela reprodução rápida e diversidade de fenômenos em que tomam parte. Devido à sua rápida multiplicação e ação bioquímica, as bactérias constituem um grupo de importância capital para o equilíbrio da natureza. São células procarióticas(anucleadas) que se destinguem do vírus por conterem, como as células eucarióticas(nucleadas) os ácidos desoxirribonucléico e ribonucléico, assim como pelo fato de poderem reproduzir-se independentemente do organismo que parasitam. Distinguem-se das células eucariontes por não possuírem membrana que separa núcleo e citoplasma(membrana nuclear), nem aparelho respiratório organizado(mitocôndrias).Muitas bactérias apresentam formas resistentes denominadas esporos, que lhes permitem sobreviver por determinado tempo em condições adversas: temperaturas, ambientes secos, etc. Apesar do tamanho minúsculo, as bactérias podem ser vistas em microscópios ópticos.

Certas bactérias são móveis, graças a prolongamentos muito delgados chamados "cílios"; as não ciliadas são imóveis. No entanto, é principalmente a forma que diferencia umas das outras: podem ser esféricas(cocos), cilíndricas(bastonetes ou bacilos), espiraladas(espirilos) ou recurvadas(vibriões). Os cocos podem ser isolados(micrococos) ou agrupados de dois em dois(diplococos) ou em cubos(sárcinas), em cadeia(estréptococos), em cachos(estafilococos). A bactéria é constituída por citoplásma com núcleo difuso, limitada por uma menbrana cuja camada externa contém mucilagem e cera. Vários tipos de coloração permitem distinguir diversos grupos de bactérias. A coloração explicita certos detalhes das bactérias e suas afinidades com corantes: algumas adquirem a coloração de Gram(Gram+ positivo), ao passo que outras não adquirem(Gram- negativo). As culturas evidenciam colônias visíveis a olho nu e permitem o estudo morfológico dos germes. Algumas bactérias necessitam de oxigênio(aeróbias), outras não suportam o oxigênio livre(anaeróbias) e muitas podem adaptar-se à presença ou ausência desse gás(anaeróbias mistas ou facultativas). A maioria das bactérias são parasitas ou saprófitas. Algumas são autotróficas. Sua riqueza enzimática lhes confere intensa atividade bioquímica: degradação de substâncias orgânicas, produção de gases, pigmentos e toxinas(exotoxinas e endotoxinas), depósitos de ferro ou enxofre. Sua proliferação só se é possível em certos limites de temperatura; as bactérias do solo desenvolvem-se à temperatura ambiente, as bactérias patogênicas entre 37 e 40º C. As bactérias são os agentes das fermentações e das putrefações; transformam as substâncias orgânicas do solo em substâncias minerais e em gases, fixam os gases do ar e enriquecem o solo de nitrogênio, fornecendo, assim, aos vegetais uma parte dos alimentos inorgânicos de que necessitam, interferindo também na digestão intestinal de muitos animais superiores. Algumas são patogênicas para o homem e animais, atuando pelas toxinas e pela perturbação digestiva que acarretam. Outras são comensais dos meios internos do homem e de animais, podendo até mesmo intervir em seu metabolismo: assim o bacilo amylobacter do tubo digestivo dos mamíferos permite que os herbívoros utilizem a celulose. Quanto às bactérias do solo, a maioria delas assegura a mineralização dos excrementos e dos cadáveres(nitrificação, por ex.), fechando assim os cíclos bioquímicos, enquanto algumas espécies(bacilos tetânicos, botúlico, perfringente, etc.) podem tornar-se patógenas. Reconhecidas em estado fóssil nos terrenos primários, as bactérias também têm contribuído para a formação de rochas combustíveis(carvão, petróleo). 

Na fermentação, a glicose é degradada, na ausência de oxigênio, em substâncias mais simples, como o ácido lático (fermentação lática) e o álcool etílico ( fermentação alcoólica). Nesses processos, há um saldo de apenas 2 moléculas de ATP.

Na respiração, processo que utiliza oxigênio, a glicose é completamente degradada, formando gás carbônico e água. A energia liberada é suficiente para haver um saldo de 36 ou 38 moléculas de ATP. Portanto, o ganho energético é maior na respiração do que na fermentação. 

Fermentação lática

Glicose ácido lático + 2ATP

Fermentação alcoólica

Glicose álcool etílico +CO2+ 2ATP

Respiração

Glicose + O2CO2+ H2O + 36 ou 38 ATP

A fermentação ocorre no citosol. Inicialmente, a molécula de glicose é degradada em duas moléculas de ácido pirúvico, cada uma com 3 carbonos ( C3H4O3 ). Essa etapa é denominada glicólise e é comum tanto para a fermentação como para a respiração.

A glicólise é um processo exotérmico, mas para que se inicie, há necessidade de duas moléculas de ATP. Na glicólise, uma molécula de glicose libera energia para formar quatro moléculas de ATP, duas das quais repõem as utilizadas na própria ativação inicial da glicose, ficando um saldo final de 2 ATP. Além disso, são formadas duas moléculas de NADH2, que são transportadoras de hidrogênio.

  Fermentação lática

Na fermentação lática, o ácido pirúvico é transformado em ácido lático pela utilização de íons hidrogênio transportados pelos NADH2 formados na glicólise.

A fermentação lática é realizada por algumas bactérias, alguns protozoários e fungos e por células do tecido muscular.

No tecido muscular do nosso corpo, quando a atividade física é muito intensa, há insuficiência de oxigênio para manter a respiração e liberar a energia necessária. Nesses casos, as células degradam anaerobiamente a glicose em ácido lático. Esse ácido lático pode ser acumulado nos tecidos, originando a fadiga muscular. Cessada a atividade física, o ácido lático formado é transformado novamente em ácido pirúvico , que continua a ser degradado pelo processo da respiração.

Outros exemplos de fermentação lática são o azedamento do leite e a produção de conservas, como o picles. 

Fermentação alcoólica

Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico libera, inicialmente, uma molécula de CO2, formando um composto com 2 carbonos que sofre redução pelo NADH2, originando álcool etílico.

A fermentação alcoólica ocorre principalmente em bactérias e leveduras. Entre as leveduras, que são fungos microscópicos, a espécie Saccharomyces cerevisiae é utilizada na produção de bebidas alcoólicas. Esse levedo transforma açúcares contidos em sucos de uva e de malte em vinho e cerveja, respectivamente.

O levedo também é empregado para fazer pão. Nesse caso, o CO2 produzindo por fermentação fica armazenado no interior da massa, em pequenas câmaras, fazendo-a crescer. Ao se assar a massa, as paredes dessas câmaras se enrijecem, mantendo a estrutura alveolar:   

RESPIRAÇÃO

As reações químicas que ocorrem na respiração podem ser agrupadas em duas fases:

- Fase anaeróbia: ocorre na ausência de oxigênio no citosol da célula;

- Fase aeróbia: ocorre na presença de oxigênio; nas células eucarióticas, ocorre dentro das mitocôndrias.

Fase anaeróbia

Na fase anaeróbia ocorre a glicólise, com formação ocorre a glicólise, com formação de ácido pirúvico, que entrará na mitocôndria, onde se iniciam as

seqüências de reações da fase aeróbia: ciclo de krebs e cadeia respiratória. 

Fase aeróbia da respiração: ciclo de krebs e cadeia respiratória

Essa fase da respiração nas células eucarióticas ocorre dentro das mitocôndrias, em presença de oxigênio. É dividida em duas seqüências de reações: ciclo de krebs, que ocorre na matriz mitocondrial, e cadeia respiratória, que ocorre nas cristas mitocondriais.

Apesar de o oxigênio participar diretamente da cadeia respiratória apenas como aceptor final de hidrogênios, formando água, as demais reações dessa fase podem cessar na ausência de oxigênio, sendo, portanto, um reagente fundamental na seqüência de reações. Na ausência de oxigênio, alguns organismos e mesmo células do nosso tecido muscular continuam a realizar a glicólise, desviando o metabolismo para a fermentação. A glicólise, portanto, não depende do oxigênio para ocorrer, mas o ciclo de krebs e a cadeia respiratória sim.
 

- Ciclo de krebs ou ciclo do ácido tricarboxílico 

O ciclo de krebs foi descoberto por Hans Krebs, daí seu nome, embora krebs o tenha denominado ciclo do ácido tricarboxílico ou ciclo do ácido cítrico.

A descrição desse ciclo está resumida na figura a seguir:

O gás carbônico liberado na respiração é proveniente da formação de acetil e do ciclo do ácido cítrico.

- Cadeia respiratória 

Na cadeia respiratória há transferência dos hidrogênios transportados pelo NAD e FAD ( flavina-adenina-dinucleotídeo ) para o oxigênio, formando água.

Nessas transferências há liberação de elétrons excitados, que vão sendo captados por aceptores intermediários, denominados citocromos. Nesse processo, os elétrons perdem gradativamente energia, que, em parte, será utilizada para a formação de calor. A função básica da cadeia respiratória é a formação de ATP, processo denominado fosforilação oxidativa.

Na cadeia respiratória, os elétrons vão perdendo energia até o último elemento da cadeia, que é o oxigênio. Esse oxigênio recebe os íons hidrogênio, formando água. Na respiração, então, o aceptor final de hidrogênios é o oxigênio.

Na degradação da glicose por meio dos mecanismos respiratórios tem-se, inicialmente, a glicólise, que ocorre no citosol, durante a qual há produção de 2 moléculas de ácido pirúvico e saldo de 2 ATP e 2 NADH2.

As moléculas de NADH2 atravessam as membranas da mitocôndria e, nesse processo, há um gasto de 2 ATPs. Assim, ao final da cadeia respiratória, essas moléculas de NADH2 provenientes da glicólise dão um saldo energético de apenas 4 ATPs. Os demais NADH2 que se formam na respiração já se encontram dentro da matriz mitocondrial, não hevendo, portanto, gasto de energia para incorpora-los a essa organela. Nesses casos, cada NADH2 ao final da cadeia respiratória forma, como saldo, 3 moléculas de ATP. Cada FADH2 produzido no ciclo de Krebs forma, ao final da cadeia respiratória, 2 moléculas de ATP.

Nos procariontes, como não há mitocôndrias, todo o processo da respiração membrana plasmática. Nesses casos, o saldo é de 38 moléculas de ATP que ocorre nos NADH2 do citoplasma para o interior da mitocôndria.

Podemos, assim, resumir o saldo energético da respiração do seguinte modo:

Etapa                       saldo direto em ATP         Formação
Glicólise	2	2 NADH2
Síntese de Acetil-Coa	--	2 NADH2
Ciclo de Krebs	2	6 NADH2
Cadeia respiratória	32 nos eucariontes ou 34 nos procariontes	2 FADH­2
SALDO TOTAL EM ATP  36 nos eucariontes e 38 procariontes

 
RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA 

Algumas bactérias podem realizar um tipo particular de respiração, denominado respiração anaeróbia. Nesse caso, em vez de O2, utilizam nitritos, nitratos, mitratos, sulfatos ou carbonatos para oxidar a matéria orgânica. É o caso das bactérias desnitrificantes do solo, como a Pseudomonas denitrificans.

Elas participam do ciclo do nitrogênio, devolvendo à atmosfera o N2. Como só realizam esse processo na ausência de O2, a desnitrificação não é um mecanismo muito freqüente em solos oxigenados, mas é muito comum em regiões pantanosas onde a taxa de O2 é reduzida.

C6H12O6+ 4 NO36CO2+ 6 H2O+2N2+ E  

  (glicose)      (nitrato)

Respiração anaeróbia em bactéria desnitrificante. 

Muitos produtos de importância biológica e econômica, como antibióticos e bebidas alcoólicas, são obtidos com técnicas em que a ação de microrganismos provoca a decomposição de certas substâncias, no processo conhecido como fermentação.

Fermentação é um processo, próprio de certas células animais e vegetais, que causa a fragmentação de moléculas de açúcares, reação em que se desprende gás carbônico e há liberação de energia.

Normalmente, a fermentação realiza-se na presença de catalisadores biológicos denominados enzimas, que aceleram as reações envolvidas no processo sem, no entanto, serem consumidos. Um catalisador de origem inorgânica, tal como o íon hidrogênio de um ácido mineral, tem a faculdade generalizada de hidrolisar tanto os carboidratos, as proteínas e as graxas como outras substâncias orgânicas, e a característica adicional de tornar essas reações completas.

As enzimas, pelo contrário, são mais específicas em sua ação catalisadora. Assim o ácido mineral (por exemplo, o ácido sulfúrico) transforma o amido em glicose, pela hidrólise, enquanto a diástase (uma enzima) transforma o mesmo amido em maltose, também pela hidrólise, e a maltase (outra enzima) converte a maltose em glicose. Pela hidrólise os ácidos minerais transformam as proteínas em aminoácidos, ao passo que as proteases não levam a reação além dos peptídeos (acúmulo de dois ou mais aminoácidos).

Existem ainda substâncias, denominadas co-enzimas, que acompanham muitas enzimas e são indispensáveis a sua atividade, enquanto as chamadas antienzimas são compostos presentes em um tecido e  evitam a ação da enzima sobre o substrato.

Evolução histórica. Baseada num processo de fermentação, a fabricação do vinho é praticada há mais de dez mil anos, embora só no século XVII se iniciassem os estudos sobre os fundamentos químicos do processo. Descobriu-se que a espuma gerada pela fermentação correspondia ao desprendimento de gás carbônico ou dióxido de carbono (CO2).

Foi o cientista francês Louis Pasteur, descobridor do microrganismo causador da raiva, quem criou, no final do século XIX, o termo fermentação, que reservou exclusivamente para os processos em que as transformações provocadas por leveduras e outros microrganismos ocorriam na ausência de ar. Em 1897, Eduard Buchner, ao isolar enzimas de levedura, mostrou que eram elas, e não as leveduras, as verdadeiras responsáveis pela fermentação alcoólica. Atualmente, emprega-se o termo fermentação para designar todas as reações em que ocorre a transformação de açúcares, seja nos músculos, produzindo ácido lático, seja em plantas ou em microrganismos.

Classificação. As fermentações são aeróbicas quando se realizam em presença de oxigênio atmosférico, e anaeróbicas quando não há intervenção do oxigênio, o qual é nocivo a esse tipo de fermentação. Em geral, nestas últimas, há produção de gases, seja hidrogênio, seja CO2, provenientes das reações de descarboxilação.

A natureza dos produtos finais não depende unicamente do substrato inicial, mas também do mecanismo do processo. Se há predominância de um só produto, o processo é denominado homofermentativo; no caso de vários produtos serem elaborados simultaneamente, o processo é heterofermentativo.

Em relação ao produto ou produtos elaborados, as fermentações podem ser dissimilativas e assimilativas. No primeiro caso os produtos são excretados, como a fermentação alcoólica, a cítrica e a lática. A fermentação é assimilativa, quando os produtos intermediários são assimilados, como ocorre na síntese de gorduras, de vitaminas ou de proteínas.

Aplicações. Os processos de fermentação industrial utilizam os denominados agentes de fermentação, adequados para iniciar o processo, além do controle cuidadoso da concentração do substrato, umidade e temperatura, entre outros parâmetros, importantes nesse tipo de reação bioquímica.

O agente do processo de fermentação é um microrganismo, animal ou vegetal. Os animais unicelulares não apresentam interesse industrial, ao passo que os vegetais unicelulares, como as bactérias e leveduras -- ambas contêm enzimas -- são usados industrialmente em vários tipos de fermentação.

As leveduras compreendem um grupo de vegetais unicelulares bastante primitivos, que se incluem na ampla classificação dos fungos. Sua nutrição depende dos carboidratos, previamente formados, e do amoníaco (ou dos aminoácidos), encontrados na matéria orgânica. Mesmo apresentando caracteres comuns, não constituem um grupo homogêneo e diferem entre si em  forma, tamanho, métodos de reprodução, capacidade fermentativa, exigências nutritivas e proliferação enzimática. As formas das células já observadas no microscópio são redondas, ovaladas e triangulares.

As leveduras do gênero Saccharomyces, sobretudo a espécie S. cerevisiae, são conhecidas mais extensamente, em virtude de seus usos na panificação e na produção de álcool e bebidas fermentadas. As principais aplicações industriais das leveduras derivam de sua capacidade de provocar a fermentação dos açúcares, com produção de dióxido de carbono e álcool etílico.

Outras aplicações da levedura compreendem suplementos alimentícios e matérias-primas, a partir das quais se isolam produtos bioquímicos específicos, como o ergosterol e os ácidos nucléicos. São também usadas como fontes de enzimas, para realizar reações especiais que incluem a liberação de oxigênio, a partir do peróxido de hidrogênio, por meio da ação da catalase - como na produção de borracha esponjosa - e inversão da sacarose pela invertase, o que se verifica na indústria açucareira, e na formação do l-acetilfenilcarbinol, produto intermediário na síntese da l-efedrina. A levedura também tem sido utilizada para produzir glicerina, em presença de sulfito ou em meio alcalino.  

Metabolismo dos Carboidratos

Fermentação 

               

Em microorganismos que vivem na carência de oxigênio, a quebra da glicose termina no piruvato. Isso porque os passos seguintes dependem do oxigênio: a cadeia transportadora de elétrons porque só funciona na presença deste e o ciclo do ácido cítrico que só é viável quando há uma CTE disponível para aproveitar a grande quantidade de NADHs e FADH2s produzidos. A glicólise é viável porque o NADH produzido pode ser devolvido ao piruvato ao final da via. Isto pode ocorrer diretamente (com a formação então de ácido lático – fermentação lática) ou após a descarboxilação do piruvato (com a formação de etanol – fermentação alcoólica).

O baixo aproveitamento energético explica o pequeno desenvolvimento dos organismos estritamente anaeróbios – todos microorganismos. Deste pequeno aproveitamento resulta ainda o ganho da simbiose, por exemplo dos ruminantes, que após a fermentação dos microorganismos,  recebem os produtos que ainda possuem mais de 90% da energia da glicose.

Quando um tecido (mais comumente o músculo) trabalha em anaerobiose (exercício intenso) pode produzir fermentação lática. O ácido lático pode ser reaproveitado no fígado pela neoglicogênese, o que também pode ocorrer diretamente a partir de piruvato, transportado juntamente com o grupamento amino liberado na quebra de aminoácidos (ciclo glicose-alanina). Isto não constitui um ciclo fútil porque é o fígado quem gasta a energia necessária para a regeneração da glicose, podendo então enviá-la para que o músculo (necessitando de energia) ganhe ao quebrá-la novamente.