Fermentação ácida mista - Mixed acid fermentation

A via de fermentação de ácido misto em E. coli . Os produtos finais são destacados em azul.

A fermentação de ácido misto é o processo biológico pelo qual um açúcar de seis carbonos, por exemplo, a glicose, é convertido em uma mistura complexa e variável de ácidos. É uma reação de fermentação anaeróbica comum em bactérias. É característico de membros da Enterobacteriaceae , uma grande família de bactérias Gram-negativas que inclui E. coli .

A mistura de produtos finais produzida pela fermentação de ácido misto inclui lactato , acetato , succinato , formato , etanol e os gases H 2 e CO 2 . A formação desses produtos finais depende da presença de certas enzimas- chave na bactéria. A proporção em que são formados varia entre as diferentes espécies bacterianas. A via de fermentação com ácido misto difere de outras vias de fermentação, que produzem menos produtos finais em quantidades fixas. Os produtos finais da fermentação com ácido misto podem ter muitas aplicações úteis na biotecnologia e na indústria . Por exemplo, o etanol é amplamente utilizado como biocombustível . Portanto, várias cepas bacterianas foram metabolicamente modificadas em laboratório para aumentar os rendimentos individuais de certos produtos finais. Esta pesquisa foi realizada principalmente em E. coli e está em andamento.

Fermentação ácida mista em E. coli

A E. coli usa as vias de fermentação como opção final para o metabolismo energético, pois produzem muito pouca energia em comparação com a respiração. A fermentação ácida mista em E. coli ocorre em duas etapas. Esses estágios são descritos pelo banco de dados biológico de E. coli , EcoCyc .

O primeiro desses dois estágios é uma reação da glicólise . Em condições anaeróbicas, ocorre uma reação de glicólise em que a glicose é convertida em piruvato :

      glicose → 2 piruvato

Há uma produção líquida de 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH por molécula de glicose convertida. O ATP é gerado por fosforilação em nível de substrato . O NADH é formado a partir da redução do NAD.

No segundo estágio, o piruvato produzido pela glicólise é convertido em um ou mais produtos finais por meio das seguintes reações. Em cada caso, ambas as moléculas de NADH geradas pela glicólise são reoxidadas em NAD + . Cada via alternativa requer uma enzima chave diferente em E. coli . Depois que as quantidades variáveis ​​de diferentes produtos finais são formadas por essas vias, elas são secretadas pela célula.

A conversão do piruvato em lactato é catalisada pela enzima lactato desidrogenase .

Formação de lactato

O piruvato produzido pela glicólise é convertido em lactato . Esta reação é catalisada pela enzima lactato desidrogenase (LDHA).

      piruvato + NADH + H +lactato + NAD +

Formação de acetato

O piruvato é convertido em acetil-coenzima A (acetil-CoA) pela enzima piruvato desidrogenase . Este acetil-CoA é então convertido em acetato em E. coli , enquanto produz ATP por fosforilação em nível de substrato . A formação de acetato requer duas enzimas: fosfato acetiltransferase e acetato quinase.

A via de fermentação de ácido misto é característica da família Enterobacteriaceae , que inclui E. coli

      acetil-CoA + fosfato → acetil-fosfato + CoA

      acetil-fosfato + ADP → acetato + ATP

Formação de etanol

O etanol é formado em E. coli pela redução da acetil coenzima A usando NADH. Esta reação em duas etapas requer a enzima álcool desidrogenase (ADHE).

      acetil-CoA + NADH + H + → acetaldeído + NAD + + CoA

      acetaldeído + NADH + H +etanol + NAD +

Formação de formato

O formato é produzido pela clivagem do piruvato. Esta reação é catalisada pela enzima piruvato-formato liase (PFL), que desempenha um papel importante na regulação da fermentação anaeróbia em E. coli .

      piruvato + CoA → acetil-CoA + formato

Formação de succinato

Estrutura esquelética do succinato

O succinato é formado em E. coli em várias etapas.

O fosfoenolpiruvato (PEP), um intermediário da via da glicólise , é carboxilado pela enzima PEP carboxilase para formar oxaloacetato . Isso é seguido pela conversão de oxaloacetato em malato pela enzima malato desidrogenase . A fumarato hidratase então catalisa a desidratação do malato para produzir fumarato .

      fosfoenolpiruvato + HCO 3 → oxaloacetato + fosfato

      oxaloacetato + NADH + H + → malato + NAD +

      malato → fumarato + H 2 S

A reação final na formação do succinato é a redução do fumarato. É catalisado pela enzima fumarato redutase .

      fumarato + NADH + H +succinato + NAD +

Essa redução é uma reação da respiração anaeróbia em E. coli , pois utiliza elétrons associados à NADH desidrogenase e à cadeia de transporte de elétrons . O ATP é gerado usando um gradiente eletroquímico e ATP sintase . Este é o único caso na via de fermentação de ácido misto em que o ATP não é produzido por meio de fosforilação em nível de substrato.

A vitamina K 2 , também conhecida como menaquinona, é muito importante para o transporte de elétrons para fumarato em E. coli .

Formação de hidrogênio e dióxido de carbono

O formato pode ser convertido em gás hidrogênio e dióxido de carbono em E. coli . Esta reação requer a enzima formato-hidrogênio liase . Ele pode ser usado para evitar que as condições dentro da célula se tornem muito ácidas.

      formato → H 2 e CO 2

Teste de vermelho de metilo

Teste de vermelho de metila : O tubo de teste à esquerda mostra um resultado positivo, pois os produtos finais ácidos são formados pela fermentação de ácido misto em E. coli . O tubo de ensaio à direita mostra um resultado negativo, pois nenhum produto ácido é formado pela fermentação.

O teste de vermelho de metila (MR) pode detectar se a via de fermentação de ácido misto ocorre em micróbios quando administrada glicose. É usado um indicador de pH que torna a solução de teste vermelha se o pH cair abaixo de 4,4. Se o caminho de fermentação ocorreu, a mistura de ácidos que ela produziu tornará a solução muito ácida e causará uma mudança de cor vermelha.

O teste de vermelho de metila pertence a um grupo conhecido como testes IMViC .

Engenharia metabólica

Várias cepas bacterianas foram metabolicamente modificadas para aumentar os rendimentos individuais de produtos finais formados pela fermentação de ácido misto. Por exemplo, cepas para o aumento da produção de etanol, lactato, succinato e acetato têm sido desenvolvidas devido à utilidade desses produtos em biotecnologia . O principal fator limitante para essa engenharia é a necessidade de manter um equilíbrio redox na mistura de ácidos produzida pela via de fermentação.

Para produção de etanol

O etanol é o biocombustível mais comumente usado e pode ser produzido em grande escala por fermentação. O rendimento máximo teórico para a produção de etanol foi alcançado em torno de 20 anos. Um plasmídeo que carregava os genes da piruvato descarboxilase e álcool desidrogenase da bactéria Z. mobilis foi usado pelos cientistas. Este foi inserido em E. coli e resultou em um maior rendimento de etanol. O genoma desta cepa de E. coli , KO11, foi sequenciado e mapeado mais recentemente.

A fórmula esquelética do ácido polilático
Sacos de chá feitos de ácido polilático (PLA)

Para produção de acetato

A cepa de E. coli W3110 foi geneticamente modificada para gerar 2 moles de acetato para cada 1 mol de glicose que sofre fermentação. Isso é conhecido como via do homoacetato.

Para produção de lactato

O lactato pode ser usado para produzir um bioplástico chamado ácido polilático (PLA). As propriedades do PLA dependem da proporção dos dois isômeros ópticos do lactato (D-lactato e L-lactato). O D-lactato é produzido por fermentação de ácido misto em E. coli . Os primeiros experimentos projetaram a cepa RR1 de E. coli para produzir um dos dois isômeros ópticos de lactato.

Experimentos posteriores modificaram a cepa KO11 de E. coli , originalmente desenvolvida para aumentar a produção de etanol. Os cientistas foram capazes de aumentar o rendimento de D-lactato da fermentação, realizando várias deleções .

Para produção de succinato

O aumento do rendimento de succinato da fermentação de ácido misto foi feito primeiro pela superexpressão da enzima PEP carboxilase . Isso produziu um rendimento de succinato que foi aproximadamente 3 vezes maior do que o normal. Seguiram-se vários experimentos usando uma abordagem semelhante.

Abordagens alternativas alteraram o equilíbrio redox e ATP para otimizar o rendimento de succinato.

Vias de fermentação relacionadas

Existem várias outras vias de fermentação que ocorrem nos micróbios. Todas essas vias começam pela conversão do piruvato, mas seus produtos finais e as principais enzimas de que precisam são diferentes. Essas vias incluem:

links externos

Referências