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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ciencias Biológicas Lic. en Biotecnología Laboratorio de Bioquímica II

PRÁCTICA 2

FERMENTACIÓN DE LA GLUCOSA POR LEVADURAS

Dra. LAURA MORALES LARA Alumno: RUBÉN ORTIZ AGUILAR 201954684 4to Semestre

Fecha de entrega: 25 de enero de 2020, 14:00

Contenido Glucólisis anaerobia (fermentación en Sacharomyces) ................................................................... 3 Metabolismo de la glucosa en la lavadura Sacharomyces ............................................................... 4 Reacción 6 de la glucólisis en el proceso de glucólisis anaerobia..................................................... 5 Tipos de fermentación ................................................................................................................... 6 Producción de etanol en las levaduras ........................................................................................... 7 Fermentación a ácido láctico en células de músculo esquelético .................................................... 7 Prueba de Benedict........................................................................................................................ 9 Video relacionado ........................................................................................................................ 10 REFERENCIAS ............................................................................................................................... 10

Glucólisis anaerobia (fermentación en Sacharomyces) La glucólisis anaerobia o anaeróbica es una ruta catabólica empleada por muchos tipos de células para la degradación de la glucosa en ausencia de oxígeno. La glucosa no es oxidada completamente a dióxido de carbono y agua, como en la glucólisis aeróbica, sino que se generan productos fermentativos.

CARACTERÍSTICAS Tiene lugar sin la presencia del oxígeno. • Funciona como aceptor final de Figura 1. Levadura de la especie Saccharomyces cerevisiae. electrones en la cadena Recuperado de: (“Archivo:Saccharomyces cerevisiae transportadora de SEM.jpg - Wikipedia, la enciclopedia libre,” 2016) la mitocondria. • Producción de ácido láctico (células musculares) o de etanol (levaduras). • El rendimiento energético cae drásticamente. • Sólo se producen dos moles La diferencia en el número de moléculas de de ATP por cada mol de glucosa que es ATP tiene que ver con la reoxidación del NADH, procesado. que no genera ATP adicional, contrario a lo que •

sucede en la glucólisis aeróbica, que por cada NADH se obtienen 3 moléculas de ATP.

La fermentación es el término que se emplea para indicar que la glucosa u otros nutrientes son degradados en ausencia de oxígeno, con el fin de obtener energía. En ausencia de oxígeno la cadena transportadora de electrones no posee un aceptor final y por ende no ocurre la fosforilación oxidativa que rinde grandes cantidades de energía en forma de ATP. El NADH no es reoxidado por vía mitocondrial sino por vías alternas, que no producen ATP. Sin suficiente NAD+ la vía glucolítica se detiene, puesto que la transferencia del fosfato al GAP requiere de la reducción concomitante de este cofactor. Saccharomyces cerevisiae un tipo de levadura utilizado industrialmente en la fabricación de pan, cerveza y vino. La fermentación alcohólica de las levaduras (Saccharomyces cerevisiae) se inicia con la ruta conocida como glicolisis, que conduce a la obtención de dos moléculas de piruvato por cada molécula de azúcar metabolizada. Posteriormente el piruvato se descarboxila y conduce a la producción de etanol y CO2.

Metabolismo de la glucosa en la lavadura Sacharomyces La característica común en el metabolismo de las levaduras es la conversión de glucosa 6-fosfato o fructosa 6- fosfato a piruvato a través de la glucólisis. En anaerobiosis la glucosa que ingresa a la vía glucolítica permite obtener energía en estos microorganismos mediante la fermentación alcohólica, por acción sucesiva sobre el piruvato del piruvato decarboxilasa y el alcohol deshidrogenasa.

Figura 2. Esquema de la fermentación alcohólica. Fuente: (“Saccharomyces cerevisae. Al pan, pan, y al

En aerobiosis, parte del piruvato es vino, vino.,” 2012) oxidado completamente a CO2 mediante la respiración celular. Sin embargo, una proporción de la glucosa que depende de la especie considerada sigue siendo metabolizada mediante fermentación láctica, aun en aerobiosis. En la fermentación, la levadura re-oxida NADH a NAD+ en una reacción de dos pasos a partir de piruvato. Primero, el piruvato es descarboxilado por la piruvato descarboxilasa seguido por la reducción de acetaldehído, catalizado por la alcohol deshidrogenasa (ADH). El piruvato es convertido en acetaldehído y CO2 por la piruvato descarboxilasa. El acetaldehído luego es empleado por la alcohol deshidrogenasa, que lo reduce produciendo etanol y regenerando una molécula de NAD+ por cada molécula de piruvato que ingresa por esta vía.

Figura 3. Fermentación alcohólica. (Fuente: Arobson1 [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)] Wikimedia Commons)

4.0 vía

Reacción 6 de la glucólisis en el proceso de glucólisis anaerobia Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH): emplea dos moléculas de NAD+ y 2 moléculas de fosfato inorgánico (Pi) para fosforilar el GAP, rinde 1,3bifosfoglicerato (1,3-BPG) y 2 NADH. El Glicerol es una fuente no fermentable que funciona como soluto compatible en levaduras osmotolerantes capaces de crecer en condiciones ambientales de alta concentración de azúcares o sales. Varias especies de levadura son capaces de desarrollarse en glicerol como única fuente de carbono bajo condiciones aerobias, entre ellas se encuentra S. cerevisiae. Para servir como fuente de carbono, el glicerol después de su internalización deb e ser convertido por una glicerol cinasa a glicerol-3-fosfato, el cual puede ser transformado a dihidroxiacetona Figura 4. Proceso de Oxidación y fosforilación (Glucolisis). fosfato por la enzima triosa fosfato Fuente: (n.d.). BLOQUE III.-Metabolismo isomerasa. http://www3.uah.es/bioquimica/Tejedor/bioquimica_quimica/T1 3-completo-pagina.pdf

La dihidróxiacetona y el glicerol-3-fosfato son sustratos en la gluconeogénesis y la glucólisis. Dependiendo de las necesidades de la célula (síntesis de componentes celulares o sustratos glucolíticos) la dihidróxiacetona puede unirse a una molécula de glicerol-3-fosfato por una enzima aldolasa y producir fructosa 1,6bifosfato que puede seguir la ruta de la gluconeogénesis. Por otro lado, el glicerol-3-fosfato puede convertirse a 1,3-bifosfoglicerato por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) e integrarse a la ruta de la glucólisis.

Tipos de fermentación Hay dos tipos de fermentación: la fermentación láctica y la alcohólica. Fermentación láctica En la fermentación láctica, el ácido pirúvico de la glucólisis cambia a ácido láctico. En el proceso, la NAD + se forma a partir de NADH. La NAD +, en cambio, permite que la glucólisis continúe. Esto resulta en moléculas adicionales de ATP. Este tipo de fermentación se lleva a cabo por las bacterias en el yogur. También es utilizado por las células musculares cuando las trabajas intensamente.

Figura 5: Fermentación Láctica (Fuente: Sjantoni [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] vía Wikimedia Commons)

Fermentación alcohólica

El piruvato es convertido en acetaldehído y CO2 por la piruvato descarboxilasa. El acetaldehído luego es empleado por la alcohol deshidrogenasa, que lo reduce produciendo etanol y regenerando una molécula de NAD+ por cada molécula de piruvato que ingresa por esta vía.

Este tipo de fermentación se lleva a cabo por levaduras y algunas bacterias. Se utiliza para hacer pan, vino y biocombustibles. Figura 6: Fermentación Alcohólica. (Fuente: Sjantoni [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] vía Wikimedia Commons)

Producción de etanol en las levaduras “Las levaduras son organismos quimiótrofos debido a que obtienen su energía por oxidación de los compuestos químicos, además son organismos heterótrofos debido a que oxidan moléculas orgánicas de las cuales el tipo más común son los azúcares” (Bamforth. 2007). La Saccharomyces cerevisiae, es la especie de levadura usada con más frecuencia. la secuencia de transformaciones para degradar la glucosa hasta dos moléculas de alcohol y dos moléculas de bióxido de carbono es un proceso muy complejo, pues al mismo tiempo la levadura utiliza la glucosa y nutrientes adicionales para reproducirse. La producción de etanol está íntimamente ligada con el crecimiento celular lo que significa que la levadura se presenta como un coproducto del proceso de fermentación. Saccharomyces cerevisiae ha sido uno de los microorganismos más utilizados en la producción de etanol. Esta emplea como ruta metabólica la Glicólisis para la fermentación y/o producción de etanol.

Los principales elementos que ayudan a la levadura a su crecimiento son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno. Debido a que estos elementos son los constituyentes elementales de los componentes celulares clave (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos). El fósforo y azufre también son importantes en este aspecto. El calcio, magnesio, potasio, hierro y sodio, entre otros son demandados por la levadura en pequeñas cantidades, debido a que sirven como balance iónico, precursores de aminoácidos y vitaminas o incluso como reguladores de estrés por temperatura y etanol en el caso particular del magnesio.

Existen varios factores que pueden afectar las capacidades fermentativas de las levaduras como lo son: la temperatura, el pH, la aireación y la composición del mosto de fermentación. Para contar con un crecimiento adecuado de la levadura es necesario desarrollar inóculos, que mejorarán significativamente los rendimientos, la productividad y el tiempo de fermentación. Sin embargo, aunque se consiga un desarrollo adecuado del inóculo, la levadura debe poseer una alta capacidad de adaptación a las deficiencias nutricionales y a la presencia de inhibidores.

Figura 8: Fermentación Alcohólica. Fuente: (Pedro Benito Sáez, 2014)

Fermentación a ácido láctico en células de músculo esquelético Las células musculares normalmente utilizan, la respiración aeróbica, obteniendo 38 ATP por molécula de glucosa, pero también son capaces de sobrevivir sin O2, con las dos moléculas de ATP de la glucólisis. El inconveniente de utilizar esta vía está en el suministro de NAD (oxidado), que debe ser capaz de reponer el NADH (reducido). Las células musculares mantienen el suministro de NAD (oxidado), a costa de la reducción del ácido pirúvico obtenido en la glucólisis. De esta manera, el ácido pirúvico queda como ácido láctico (lactato). La producción de ácido láctico a partir de la glucosa se denomina fermentación láctica. Tus músculos producen ácido láctico durante el ejercicio rápido, cuando el cuerpo no puede proporcionar suficiente oxígeno a los tejidos. Cuando hay poco oxígeno, el cuerpo no puede producir todo el ATP que hace falta. Cuando se realiza un ejercicio intenso como correr, nadar o montar en bicicleta tan rápido como puedes, los músculos grandes de brazos y piernas agotan rápidamente el oxígeno.

Figura 9: Fermentación láctica en Músculo e Hígado. (“Fermentación láctica en el músculo - Escuelapedia - Recursos Educativos,” 2014)

Las células musculares aceleran su producción de ATP mediante la fermentación de ácido láctico. Al acumularse el ácido láctico en la musculatura, baja el pH, provocando dolores musculares (calambres).

Prueba de Benedict La Prueba de Benedict se usa para detectar la presencia de azúcares reductores porque el reactivo de Benedict contiene cobre que se reduce en presencia de azúcares reductores. Durante esta reacción el azúcar se oxida. La reacción antes mencionada se conoce como una reacción oxidación-reducción (REDOX) porque la oxidación del azúcar sucede simultáneamente con la reacción de reducción del cobre. Cuando se añade el reactivo de Benedict al azúcar reductor, y se aplica calor, el color de la mezcla cambia a naranja o ladrillo intenso mientras mayor sea la abundancia de azúcares reductores. •

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Figura 10: Reactivo de Benedict (REDOX).

Un cambio a color verde Fuente: . (n.d.). Moléculas esenciales para la vida Objetivos. Retrieved from indica la presencia de https://academic.uprm.edu/~jvelezg/labmoleculas.pdf menos azúcares reductores. Las azúcares que no reducen, como la sacarosa, no producen cambios en color y la solución se mantiene azul. Los monosacáridos que forman anillos no son azúcares reductores porque no tienen un grupo aldehído libre, pero pueden reducir si se convierten en monosacáridos abiertos.

Video relacionado

IntroBio UNSa. (2017). Trabajo Práctico N° 3.| FERMENTACIÓN | [YouTube Video]. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=ES5otbrsZaE

REFERENCIAS •

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Moléculas esenciales para la vida Objetivos. https://academic.uprm.edu/~jvelezg/labmoleculas.pdf Fermentación» Blog de Biología. (2014, February 22). Enero 25, 2021, from Blog de Biología website: https://www.blogdebiologia.com/fermentacion.html Luis, V., Mario, M., Gustavo, V., Pablo, V., Fernando, J., Juan, P., … Ecuador, Q. (n.d.). Tema de actualidad Current topic 27 27 Fisiología, bioquímica y metabolismo del ácido láctico: revisión de la literatura Physiology, biochemistry and metabolism of lactic acid: review of the literature . website: https://docs.bvsalud.org/biblioref/2019/03/986636/metro-junio-out-2017-125-29.pdf Montserrat, I., Valle, A., Anne, D., Gschaedler, C., Asesor, M., Melchor, M., & Plaza, A. (n.d.). website: https://ciatej.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1023/91/1/Elba%20M ontserrat%20Alcazar%20Valle.pdf Vázquez, H. J., & Dacosta, O. (2012). Fermentación alcohólica: Una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas. Ingeniería, Investigación Y Tecnología, 8(4), 249 –259. https://doi.org/ Jacome, M. (2009). ESTUDIO DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN DE GLUCOSA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE LEVADURAS NATIVAS. You are using demo version Please purchase full

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