8.4: Fermentação

Objetivos de

• Defina a fermentação e explique por que ela não requer oxigênio
• Descreva as vias de fermentação e seus produtos finais e dê exemplos de microrganismos que usam essas vias
• Compare e contraste a fermentação e a respiração anaeróbica

Muitas células não conseguem respirar devido a uma ou mais das seguintes circunstâncias:

1. A célula carece de uma quantidade suficiente de qualquer aceitador de elétrons final inorgânico apropriado para realizar a respiração celular.
2. A célula carece de genes para criar complexos e portadores de elétrons apropriados no sistema de transporte de elétrons.
3. A célula carece de genes para produzir uma ou mais enzimas no ciclo de Krebs.

Enquanto a falta de um aceitador inorgânico de elétrons finais adequado depende do meio ambiente, as outras duas condições são determinadas geneticamente. Assim, muitos procariontes, incluindo membros do gênero clinicamente importante Streptococcus, são permanentemente incapazes de respirar, mesmo na presença de oxigênio. Por outro lado, muitos procariontes são facultativos, o que significa que, se as condições ambientais mudarem para fornecer um aceitador inorgânico de elétrons finais apropriado para a respiração, organismos contendo todos os genes necessários para isso mudarão para a respiração celular para o metabolismo da glicose porque a respiração permite uma produção muito maior de ATP por molécula de glicose.

Se a respiração não ocorrer, o NADH deve ser reoxidado para NAD ⁺ para reutilização como transportador de elétrons para glicólise, o único mecanismo da célula para produzir qualquer ATP, para continuar. Alguns sistemas vivos usam uma molécula orgânica (comumente piruvato) como um aceitador final de elétrons por meio de um processo chamado fermentação. A fermentação não envolve um sistema de transporte de elétrons e não produz diretamente nenhum ATP adicional além do produzido durante a glicólise por fosforilação em nível de substrato. Organismos que realizam a fermentação, chamados fermentadores, produzem no máximo duas moléculas de ATP por glicose durante a glicólise. A tabela\(\PageIndex{1}\) compara os aceitadores de elétrons finais e os métodos de síntese de ATP na respiração aeróbica, respiração anaeróbica e fermentação. Observe que o número de moléculas de ATP mostradas para a glicólise assume a via Embden-Meyerhof-Parnas. O número de moléculas de ATP produzidas por fosforilação em nível de substrato (SLP) versus fosforilação oxidativa (OP) é indicado.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Comparação entre respiração e fermentação

Tipo de metabolismo	Exemplo	Aceitador final de elétrons	Vias envolvidas na síntese de ATP (tipo de fosforilação)	Rendimento máximo de moléculas de ATP
Respiração aeróbica	Pseudomonas aeruginosa	\(\ce{O2}\)	Glicólise EMP (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte de elétrons e quimiosmose (OP):	2 2 34
			Total	38
Respiração anaeróbica	Paracoccus denitrificans	\(\ce{NO3-}\),\(\ce{SO4^{-2}}\),\(\ce{Fe^{+3}}\),\(\ce{CO2}\), outros produtos inorgânicos	Glicólise EMP (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte de elétrons e quimiosmose (OP):	2 2 1—32
			Total	5 — 36
Fermentação	Cândida albicans	Orgânicos (geralmente piruvato)	Glicólise EMP (SLP) Fermentação	2 0
			Total	2

Os processos de fermentação microbiana foram manipulados por humanos e são amplamente utilizados na produção de vários alimentos e outros produtos comerciais, incluindo produtos farmacêuticos. A fermentação microbiana também pode ser útil para identificar micróbios para fins de diagnóstico.

A fermentação por algumas bactérias, como as do iogurte e outros produtos alimentícios azedos, e por animais nos músculos durante a depleção de oxigênio, é a fermentação com ácido lático. A reação química da fermentação do ácido lático é a seguinte:

\[\ce{Pyruvate + NADH \leftrightarrow lactic\: acid + NAD+}\]

Bactérias de vários gêneros gram-positivos, incluindo Lactobacillus, Leuconostoc e Streptococcus, são conhecidas coletivamente como a bactéria do ácido lático (LAB), e várias cepas são importantes na produção de alimentos. Durante a produção de iogurte e queijo, o ambiente altamente ácido gerado pela fermentação do ácido lático desnatura as proteínas contidas no leite, fazendo com que ele se solidifique. Quando o ácido lático é o único produto de fermentação, diz-se que o processo é a fermentação homolática; é o caso do Lactobacillus delbrueckii e do S. thermophiles usados na produção de iogurte. No entanto, muitas bactérias realizam fermentação heterolática, produzindo uma mistura de ácido lático, etanol e/ou ácido acético e CO ₂ como resultado, devido ao uso da via ramificada da pentose fosfato em vez da via EMP para glicólise. Um importante fermentador heterolático é o Leuconostoc mesenteroides, que é usado para azedar vegetais como pepino e repolho, produzindo picles e chucrute, respectivamente.

As bactérias do ácido lático também são importantes do ponto de vista médico. A produção de ambientes de baixo pH no corpo inibe o estabelecimento e o crescimento de patógenos nessas áreas. Por exemplo, a microbiota vaginal é composta principalmente por bactérias do ácido lático, mas quando essas bactérias são reduzidas, o fermento pode proliferar, causando uma infecção por fungos. Além disso, as bactérias do ácido lático são importantes para manter a saúde do trato gastrointestinal e, como tal, são o principal componente dos probióticos.

Outro processo de fermentação familiar é a fermentação do álcool, que produz etanol. A reação de fermentação do etanol é mostrada na Figura\(\PageIndex{1}\). Na primeira reação, a enzima piruvato descarboxilase remove um grupo carboxila do piruvato, liberando gás CO ₂ enquanto produz a molécula de dois carbonos acetaldeído. A segunda reação, catalisada pela enzima álcool desidrogenase, transfere um elétron do NADH para o acetaldeído, produzindo etanol e NAD ⁺. A fermentação com etanol do piruvato pela levedura Saccharomyces cerevisiae é usada na produção de bebidas alcoólicas e também faz com que os produtos de panificação aumentem devido à produção de CO ₂. Fora da indústria alimentícia, a fermentação com etanol de produtos vegetais é importante na produção de biocombustíveis.

Figura\(\PageIndex{1}\): As reações químicas da fermentação do álcool são mostradas aqui. A fermentação do etanol é importante na produção de bebidas alcoólicas e pão.

Além da fermentação com ácido lático e da fermentação com álcool, muitos outros métodos de fermentação ocorrem em procariontes, todos com o objetivo de garantir um suprimento adequado de NAD ⁺ para glicólise (Tabela\(\PageIndex{2}\)). Sem essas vias, a glicólise não ocorreria e nenhum ATP seria extraído da quebra da glicose. Deve-se notar que a maioria das formas de fermentação, além da fermentação homolática, produz gás, geralmente CO ₂ e/ou gás hidrogênio. Muitos desses diferentes tipos de vias de fermentação também são usados na produção de alimentos e cada um resulta na produção de diferentes ácidos orgânicos, contribuindo para o sabor único de um determinado produto alimentício fermentado. O ácido propiônico produzido durante a fermentação do ácido propiônico contribui para o sabor característico do queijo suíço, por exemplo.

Vários produtos de fermentação são importantes comercialmente fora da indústria alimentícia. Por exemplo, solventes químicos como acetona e butanol são produzidos durante a fermentação de acetona-butanol-etanol. Compostos farmacêuticos orgânicos complexos usados em antibióticos (por exemplo, penicilina), vacinas e vitaminas são produzidos por meio de fermentação ácida mista. Os produtos de fermentação são usados em laboratório para diferenciar várias bactérias para fins de diagnóstico. Por exemplo, as bactérias entéricas são conhecidas por sua capacidade de realizar fermentação ácida mista, reduzindo o pH, que pode ser detectado usando um indicador de pH. Da mesma forma, a produção bacteriana de acetoína durante a fermentação do butanodiol também pode ser detectada. A produção de gás a partir da fermentação também pode ser vista em um tubo de Durham invertido que retém o gás produzido em uma cultura de caldo.

Os micróbios também podem ser diferenciados de acordo com os substratos que podem fermentar. Por exemplo, a E. coli pode fermentar a lactose, formando gás, enquanto alguns de seus parentes gram-negativos próximos não. A capacidade de fermentar o álcool açucarado sorbitol é usada para identificar a cepa patogênica enterohemorrágica O157:H7 de E. coli porque, diferentemente de outras cepas de E. coli, ela é incapaz de fermentar o sorbitol. Por último, a fermentação com manitol diferencia o Staphylococcus aureus fermentador de manitol de outros estafilococos não fermentadores de manitol.

Tabela\(\PageIndex{2}\): Vias comuns de fermentação

Caminho	Produtos finais	Exemplo de micróbios	Produtos comerciais
Acetona-butanol-etanol	Acetona, butanol, etanol, CO 2	Clostridium acetobutylicum	Solventes comerciais, alternativa à gasolina
Álcool	Etanol, CO 2	Cândida, Saccharomyces	Cerveja, pão
Butanodiol	Ácido fórmico e lático; etanol; acetoína; 2,3 butanodiol; CO 2; gás hidrogênio	Klebsiella, Enterobacter	Vinho Chardonnay
Ácido butírico	Ácido butírico, CO 2, gás hidrogênio	Clostridium butyricum	Manteiga
Ácido lático	Ácido lático	Estreptococo, Lactobacillus	Chucrute, iogurte, queijo
Ácido misto	Ácidos acético, fórmico, lático e succínico; etanol, CO 2, gás hidrogênio	Escherichia, Shigella	Vinagre, cosméticos, produtos farmacêuticos
Ácido propiônico	Ácido acético, ácido propiônico, CO 2	Propionibacterium, Bifidobacterium	queijo suíço

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Quando um micróbio metabolicamente versátil realizaria a fermentação em vez da respiração celular?

Identificação de bactérias usando painéis de teste de API

A identificação de um isolado microbiano é essencial para o diagnóstico e tratamento adequados dos pacientes. Cientistas desenvolveram técnicas que identificam bactérias de acordo com suas características bioquímicas. Normalmente, eles examinam o uso de fontes de carbono específicas como substratos para fermentação ou outras reações metabólicas, ou identificam produtos de fermentação ou enzimas específicas presentes nas reações. No passado, os microbiologistas usavam tubos e placas de ensaio individuais para realizar testes bioquímicos. No entanto, cientistas, especialmente aqueles em laboratórios clínicos, agora usam com mais frequência painéis plásticos descartáveis de vários testes que contêm vários tubos de reação em miniatura, cada um normalmente incluindo um substrato específico e um indicador de pH. Após a inoculação do painel de teste com uma pequena amostra do micróbio em questão e a incubação, os cientistas podem comparar os resultados com um banco de dados que inclui os resultados esperados para reações bioquímicas específicas para micróbios conhecidos, permitindo assim a identificação rápida de uma amostra de micróbio. Esses painéis de teste permitiram aos cientistas reduzir custos e, ao mesmo tempo, melhorar a eficiência e a reprodutibilidade ao realizar um número maior de testes simultaneamente.

Muitos painéis de testes bioquímicos comerciais miniaturizados abrangem vários grupos clinicamente importantes de bactérias e leveduras. Um dos painéis de teste mais antigos e populares é o painel Analytical Profile Index (API), inventado na década de 1970. Uma vez que alguma caracterização laboratorial básica de uma determinada cepa tenha sido realizada, como determinar a morfologia de Gram da cepa, uma tira de teste apropriada que contém de 10 a 20 testes bioquímicos diferentes para diferenciar cepas dentro desse grupo microbiano pode ser usada. Atualmente, as várias tiras de API podem ser usadas para identificar de forma rápida e fácil mais de 600 espécies de bactérias, tanto aeróbicas quanto anaeróbicas, e aproximadamente 100 tipos diferentes de leveduras. Com base nas cores das reações quando os produtos finais metabólicos estão presentes, devido à presença de indicadores de pH, um perfil metabólico é criado a partir dos resultados (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os microbiologistas podem então comparar o perfil da amostra com o banco de dados para identificar o micróbio específico.

Figura\(\PageIndex{2}\): A fita de teste API 20NE é usada para identificar cepas específicas de bactérias gram-negativas fora das Enterobacteriaceae. Aqui está um resultado da tira de teste API 20NE para Photobacterium damselae ssp. piscicida.

Foco clínico: Parte 2

Muitos dos sintomas de Hannah são consistentes com várias infecções diferentes, incluindo gripe e pneumonia. No entanto, seus reflexos lentos, juntamente com sua sensibilidade à luz e rigidez no pescoço, sugerem algum possível envolvimento do sistema nervoso central, talvez indicando meningite. A meningite é uma infecção do líquido cefalorraquidiano (LCR) ao redor do cérebro e da medula espinhal que causa inflamação das meninges, as camadas protetoras que cobrem o cérebro. A meningite pode ser causada por vírus, bactérias ou fungos. Embora todas as formas de meningite sejam graves, a meningite bacteriana é particularmente grave. A meningite bacteriana pode ser causada por várias bactérias diferentes, mas a bactéria Neisseria meningitidis, um diplococo gram-negativo em forma de feijão, é uma causa comum e leva à morte em 1 a 2 dias em 5% a 10% dos pacientes.

Dada a gravidade potencial das condições de Hannah, seu médico aconselhou seus pais a levá-la ao hospital na capital gambiana de Banjul e lá testá-la e tratá-la para uma possível meningite. Depois de uma viagem de 3 horas até o hospital, Hannah foi imediatamente internada. Os médicos coletaram uma amostra de sangue e realizaram uma punção lombar para testar seu líquido cefalorraquidiano. Eles também iniciaram imediatamente um tratamento com o antibiótico ceftriaxona, o medicamento de escolha para o tratamento da meningite causada por N. meningitidis, sem esperar pelos resultados dos exames laboratoriais.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

1. Como os testes bioquímicos podem ser usados para confirmar a identidade de N. meningitidis?
2. Por que os médicos de Hannah decidiram administrar antibióticos sem esperar pelos resultados do teste?

Conceitos principais e resumo

• A fermentação usa uma molécula orgânica como um aceitador final de elétrons para regenerar o NAD ⁺ do NADH para que a glicólise possa continuar.
• A fermentação não envolve um sistema de transporte de elétrons e nenhum ATP é produzido diretamente pelo processo de fermentação. Os fermentadores produzem muito pouco ATP — apenas duas moléculas de ATP por molécula de glicose durante a glicólise.
• Os processos de fermentação microbiana têm sido usados para a produção de alimentos e produtos farmacêuticos e para a identificação de micróbios.
• Durante a fermentação com ácido lático, o piruvato aceita elétrons do NADH e é reduzido a ácido lático. Os micróbios que realizam a fermentação homolática produzem apenas ácido lático como produto da fermentação; os micróbios que realizam a fermentação heterolática produzem uma mistura de ácido lático, etanol e/ou ácido acético e CO ₂.
• A produção de ácido lático pela microbiota normal impede o crescimento de patógenos em certas regiões do corpo e é importante para a saúde do trato gastrointestinal.
• Durante a fermentação do etanol, o piruvato é primeiro descarboxilado (liberando CO ₂) em acetaldeído, que então aceita elétrons do NADH, reduzindo o acetaldeído a etanol. A fermentação com etanol é usada para a produção de bebidas alcoólicas, para fazer com que os produtos de panificação cresçam e para a produção de biocombustíveis.
• Produtos de fermentação de vias (por exemplo, fermentação com ácido propiônico) fornecem sabores distintos aos produtos alimentícios. A fermentação é usada para produzir solventes químicos (fermentação de acetona-butanol-etanol) e produtos farmacêuticos (fermentação ácida mista).
• Tipos específicos de micróbios podem ser diferenciados por suas vias e produtos de fermentação. Os micróbios também podem ser diferenciados de acordo com os substratos que são capazes de fermentar.