En bioquímica , la fermentación ácida mixta es el proceso metabólico por el cual un azúcar de seis carbonos (por ejemplo, glucosa , C 6 H 12 O 6 ) se convierte en una mezcla compleja y variable de ácidos . Es una reacción de fermentación anaeróbica (que no requiere oxígeno) que es común en las bacterias . Es característica de los miembros de Enterobacteriaceae , una gran familia de bacterias Gram-negativas que incluye a E. coli . [3]
La mezcla de productos finales producida por la fermentación ácida mixta incluye lactato , acetato , succinato , formato , etanol y los gases H2 y CO2 . La formación de estos productos finales depende de la presencia de ciertas enzimas clave en la bacteria. La proporción en la que se forman varía entre diferentes especies bacterianas. [4] La vía de fermentación ácida mixta difiere de otras vías de fermentación, que producen menos productos finales en cantidades fijas. Los productos finales de la fermentación ácida mixta pueden tener muchas aplicaciones útiles en biotecnología e industria . Por ejemplo, el etanol se usa ampliamente como biocombustible . [5] Por lo tanto, se han diseñado metabólicamente múltiples cepas bacterianas en el laboratorio para aumentar los rendimientos individuales de ciertos productos finales. [2] Esta investigación se ha llevado a cabo principalmente en E. coli y está en curso. Las variaciones de la fermentación ácida mixta ocurren en varias especies bacterianas, incluidos patógenos bacterianos como Haemophilus influenzae, donde se producen principalmente acetato y succinato y el lactato puede servir como sustrato de crecimiento. [6]
La E. coli utiliza las vías de fermentación como una opción final para el metabolismo energético, ya que produce muy poca energía en comparación con la respiración. [7] La fermentación ácida mixta en la E. coli ocurre en dos etapas. Estas etapas están descritas en la base de datos biológica de la E. coli , EcoCyc . [1]
La primera de estas dos etapas es una reacción de glucólisis. En condiciones anaeróbicas, se produce una reacción de glucólisis en la que la glucosa se convierte en piruvato :
glucosa → 2 piruvato
Por cada molécula de glucosa convertida se produce una producción neta de 2 moléculas de ATP y 2 de NADH . El ATP se genera por fosforilación a nivel de sustrato . El NADH se forma a partir de la reducción del NAD.
En la segunda etapa, el piruvato producido por la glucólisis se convierte en uno o más productos finales a través de las siguientes reacciones. En cada caso, ambas moléculas de NADH generadas por la glucólisis se reoxidan a NAD + . Cada vía alternativa requiere una enzima clave diferente en E. coli . Después de que se forman cantidades variables de diferentes productos finales mediante estas vías, se secretan de la célula. [1]
El piruvato producido por la glucólisis se convierte en lactato . Esta reacción está catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa (LDHA). [1]
piruvato + NADH + H + → lactato + NAD +
El piruvato se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA) por acción de la enzima piruvato deshidrogenasa . Esta acetil-CoA se convierte luego en acetato en E. coli , mientras se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato . La formación de acetato requiere dos enzimas: fosfato acetiltransferasa y acetato quinasa. [1]
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acetil-CoA + fosfato → acetil-fosfato + CoA
acetilfosfato + ADP → acetato + ATP
El etanol se forma en E. coli mediante la reducción de la acetil coenzima A con NADH. Esta reacción de dos pasos requiere la enzima alcohol deshidrogenasa (ADHE). [1]
acetil-CoA + NADH + H + → acetaldehído + NAD + + CoA
acetaldehído + NADH + H + → etanol + NAD +
El formato se produce por la escisión del piruvato. Esta reacción está catalizada por la enzima piruvato-formiato liasa (PFL), que desempeña un papel importante en la regulación de la fermentación anaeróbica en E. coli . [8]
piruvato + CoA → acetil-CoA + formato
El succinato se forma en E. coli en varios pasos.
El fosfoenolpiruvato (PEP), un intermediario de la vía de la glucólisis , es carboxilado por la enzima PEP carboxilasa para formar oxaloacetato . [9] A esto le sigue la conversión de oxaloacetato en malato por la enzima malato deshidrogenasa . Luego, la fumarato hidratasa cataliza la deshidratación del malato para producir fumarato . [10]
fosfoenolpiruvato + HCO 3 → oxaloacetato + fosfato
oxaloacetato + NADH + H + → malato + NAD +
malato → fumarato + H 2 O
La reacción final en la formación del succinato es la reducción del fumarato, catalizada por la enzima fumarato reductasa .
fumarato + NADH + H + → succinato + NAD +
Esta reducción es una reacción de respiración anaeróbica en E. coli , ya que utiliza electrones asociados con la NADH deshidrogenasa y la cadena de transporte de electrones . El ATP se genera mediante un gradiente electroquímico y la ATP sintasa . Este es el único caso en la vía de fermentación ácida mixta donde el ATP no se produce a través de la fosforilación a nivel de sustrato. [1] [2]
La vitamina K 2 , también conocida como menaquinona, es muy importante para el transporte de electrones al fumarato en E. coli . [11]
El formato se puede convertir en gas hidrógeno y dióxido de carbono en E. coli . Esta reacción requiere la enzima formato-hidrógeno liasa. Se puede utilizar para evitar que las condiciones dentro de la célula se vuelvan demasiado ácidas. [1]
formato → H 2 y CO 2
La prueba del rojo de metilo (MR) puede detectar si se produce la vía de fermentación ácida mixta en los microbios cuando se les administra glucosa. Se utiliza un indicador de pH que tiñe de rojo la solución de prueba si el pH cae por debajo de 4,4. [12] Si se ha producido la vía de fermentación, la mezcla de ácidos que ha producido hará que la solución sea muy ácida y provocará un cambio de color rojo.
La prueba del rojo de metilo pertenece a un grupo conocido como pruebas IMViC .
Se han modificado metabólicamente múltiples cepas bacterianas para aumentar los rendimientos individuales de los productos finales formados por la fermentación ácida mixta. Por ejemplo, se han desarrollado cepas para aumentar la producción de etanol, lactato, succinato y acetato debido a la utilidad de estos productos en la biotecnología . [2] El principal factor limitante para esta modificación es la necesidad de mantener un equilibrio redox en la mezcla de ácidos producida por la vía de fermentación. [13]
El etanol es el biocombustible más utilizado y se puede producir a gran escala mediante fermentación. El rendimiento teórico máximo para la producción de etanol se alcanzó alrededor de los 20 años. [14] [15] Los científicos utilizaron un plásmido que contenía los genes de la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa de la bacteria Z. mobilis . Este se insertó en E. coli y dio como resultado un mayor rendimiento de etanol. El genoma de esta cepa de E. coli , KO11, se ha secuenciado y mapeado más recientemente. [16]
La cepa W3110 de E. coli fue modificada genéticamente para generar 2 moles de acetato por cada mol de glucosa que pasa por fermentación. Esto se conoce como vía del homoacetato. [17]
El lactato se puede utilizar para producir un bioplástico llamado ácido poliláctico (PLA). Las propiedades del PLA dependen de la proporción de los dos isómeros ópticos del lactato (D-lactato y L-lactato). El D-lactato se produce mediante fermentación ácida mixta en E. coli . [18] Los primeros experimentos diseñaron la cepa de E. coli RR1 para producir uno de los dos isómeros ópticos del lactato. [19]
Experimentos posteriores modificaron la cepa de E. coli KO11, desarrollada originalmente para mejorar la producción de etanol. Los científicos lograron aumentar el rendimiento de D-lactato de la fermentación realizando varias deleciones . [20]
El aumento del rendimiento de succinato a partir de la fermentación ácida mixta se realizó primero sobreexpresando la enzima PEP carboxilasa . [21] Esto produjo un rendimiento de succinato que fue aproximadamente 3 veces mayor que lo normal. Se han realizado varios experimentos con un enfoque similar.
Se han aplicado enfoques alternativos para alterar el equilibrio redox y ATP para optimizar el rendimiento de succinato. [22]
Existen otras vías de fermentación que se dan en los microbios. [4] Todas estas vías comienzan con la conversión de piruvato, pero sus productos finales y las enzimas clave que requieren son diferentes. Estas vías incluyen:
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