Fermentacja alkoholowa to proces rozkładu cukrów prostych do alkoholu etylowego (etanolu) ${\text{C}}_2{\text{H}}_5\text{OH}$ i tlenku węgla($\text{IV}$) ${\text{CO}}_2$. Fermentacja alkoholowa jest procesem oddychania beztlenowego. W reakcji tej substrat oddechowy ulega rozbiciu i przekształceniu. Jest to przykład reakcji dysproporcjonowania, ponieważ otrzymuje się z niej zarówno bardziej utlenione produkty, jak i bardziej zredukowane.

R1OA0GEgDFVeM

Ilustracja przedstawiająca wzór strukturalny adenozynotrifosforanu <math aria‑label="A T P">ATP. W strukturze występuje grupa trifosforanowa związana z D‑rybozą, która to łączy się z fragmentem adeninowym. Adenina to bicykliczny związek heteroaromatyczny. Pierwszy pierścień stanowi atom azotu o lokancie pierwszym, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla C2, ten związany jest z atomem azotu N3, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z jednym z atomów mostkowych C4, atom C4 łączy się z drugim atomem mostkowym C5, a C5 z C6, który to zamyka pierwszy sześcioczłonowy pierścień i związany jest z grupą ${\text{NH}}_2$. Mostkowe atomy C4 i C5 są wspólne dla obu pierścieni. Zatem drugi pierścień tworzy atom C4, który to łączy się z atomem azotu N7 w pozycji siódmej, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla C8 związanym z atomem azotu N9, który to łączy się z mostkowym atomem C5 oraz węglem pierścienia D‑rybozy czyli monocukru w formie cyklicznej. Pięcioczłonowy pierścień D‑rybozy tworzą cztery atomy węgla i jeden atom tlenu, pierwszy z atomów tworzących pierścień łączy się z adeniną za pomocą wiązania glikozydowego oraz z atomem tlenu tworzącym pierścień. Dwa kolejne atomy węgla tworzące pierścień podstawione są grupami hydroksylowymi. Czwarty atom węgla zaś łączy się z wspomnianym już atomem tlenu oraz z grupą ${\text{CH}}_2$ związaną z grupą trójfosforanową.

RxiQSAtahtf3b

Zdjęcie przedstawiające obraz mikroskopowy drożdży, jednokomórkowych grzybów o owalny kształcie. Na ich powierzchni znajdują się gdzieniegdzie małe okrągłe struktury.

Ogólne równanie fermentacji alkoholowej można zapisać:

W czasie fermentacji alkoholowej powstaje również wiele produktów ubocznych, np. gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy. Inne produkty uboczne, takie jak wyższe alkohole i estry odpowiadają za bukiet smakowo–zapachowy produktu.

Fermentacja alkoholowa rozpoczyna się od fosforylacjifosforylacjafosforylacji glukozy ${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$ do glukozo–6–fosforan z wykorzystaniem enzymu heksokinazy.

R288ivp2FOTEK

Ilustracja przedstawiająca równanie reakcji przedstawione w modelu kulkowym: glukoza, strzałka w prawo, nad strzałką zapis: <math aria‑label="A T P">ATP, kolejna strzałka skierowana do podpisu <math aria‑label="A D P">ADP. Pod strzałką znajduje się zapis ${\text{Mg}}^{2+}$ i heksokinaza. Po prawej stronie od głównej strzałki znajduje się wzór opisany: glukozo‑6-fosforan. Na skutek reakcji katalizowanej przez heksokinazę nastąpiła fosforylacja jednej z grup hydroksylowych glukozy w pozycji szóstej kosztem ATP. Glukoza to monocukier, tutaj przedstawiony w formie cyklicznej, o strukturze sześcioczłonowego pierścienia, w którym pierwszy lokant stanowi atom węgla C1 związany z atomem tlenu wbudowanym w tenże pierścień. Węgiel C5 zamyka pierścień i łączy się z wspomniany atomem tlenu oraz węglem C6, niewbudowanym w pierścień. Od węgli C1, C2, C3 oraz C6 odchodzą grupy hydroksylowe <math aria‑label="O H">OH. W strukturze glukozo‑6-fosforanu atom wodoru zostaje podstawiony przez grupę fosforanową.

RuZWfD7Vd395w

Ilustracja przedstawiająca reakcję izomeryzacji katalizowaną przez izomerazę glukozofosforanową przedstawioną w modelu kulkowym. Glukozo‑6-fosforan strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami zapis izomeraza glukozofosforanowa, za strzałkami fruktozo‑6-fosforan. W wyniku izomeryzacji doszło do kontrakcji pierścienia, to znaczy pierścień sześcioczłonowy przekształca się do izomeru, w którym występuje pierścień pięcioczłonowy zbudowany z czterech atomów węgla i atomu tlenu. Atomy węgla tworzące pierścień i związane z atomem tlenu podstawione są grupami ${\text{CH}}_2$, pierwsza z nich podstawiona jest grupą hydroksylową, zaś druga fosforanową.

Przekształcenie glukozo–6–fosforanu we fruktozo–6–fosforan następuje przy udziale izomerazy glukozo–6–fosforanowej. Jest to reakcja odwracalna.

RCvbol65kNGL8

Ilustracja przedstawiająca równanie reakcji katalizowanej przez fosfofruktokinazę. Cząsteczka fruktozo‑6-fosforanu, strzałka w prawo, nad strzałką zapis: fosfofruktokinaza i ${\text{Mg}}^{2+}$, pod strzałką zapis: <math aria‑label="A T P">ATP, łukowata strzałka do <math aria‑label="A D P">ADP W reakcji powstaje produkt: fruktozo‑1,6‑bisfosforan, w którym atomy węgla C1 i C4 tworzące pierścień i związane z atomem tlenu również tworzącym tenże pięcioczłonowy pierścień podstawione są grupami ${\text{CH}}_2$, które to związane są z grupami fosforanowymi.

Fosforylację fruktozo–6–fosforanu przy użyciu $\text{ATP}$ przeprowadza enzym fosfofruktokinaza. Powstaje fruktozo–1,6‑bisfosforanu oraz $\text{ADP}$.

R10ONno0B5doZ

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanych przez dwa enzymy, aldolazę i izomerazę trifosforanową. Jedna cząsteczka fruktozo‑1,6‑bisfosforanu pod wpływem aldolazy ulega rozpadowi do jednej cząsteczki aldehydu 3‑fosfoglicerynowego i jednej cząsteczki fosfodihydroksyacetonu. Izomeraza trifosforanowa katalizuje z kolei przekształcenie fosfohydroksyacetonu do aldehydu 3‑fosfoglicerynowego.

Kolejny etap stanowi reakcja, która polega na rozszczepieniu fruktozo–1,6–bisfosforanu na aldehyd 3–fosfoglicerynowy oraz fosfodihydroksyaceton. Enzym przeprowadzający tę reakcję to aldolaza. Jest to reakcja odwracalna.

Przekształcenie fosfodihydroksyacetonu w aldehyd 3–fosfoglicerynowy jest katalizowane przez izomerazę triozofosforanową. Dzięki izomerazie triozofosforanowej możliwe jest szybkie wytworzenie aldehydu 3–fosfoglicerynowego, niezbędnego do dalszego zachodzenia glikolizy. Jest to reakcja odwracalna.

R1F4zX2LXI7ER

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. Cząsteczka aldehydu 3‑fosfoglicerynowego, strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami zapis dehydrogenaza aldehydu 3‑fosfoglicerynowego oraz ${\text{Mg}}^{2+}$. Pod strzałką znajduje się zapis przekształcenia <math aria‑label="N A D indeks górny plus koniec indeksu">NAD+, P indeks dolny i, łukowata strzałka strzałka w prawo do <math aria‑label="N A D H">NADH oraz protonu. Za strzałkami znajduje się 1,3‑bisfosfoglicerynian o strukturze grupa ${\text{CH}}_2$ związana z grupą fosforanową , która to łączy się z grupą CH związaną z grupą hydroksylową oraz grupą estrową $\text{COO}$, podstawioną na atomie tlenu grupą ${\text{PO}}^{2-}$.

Reakcja ta przebiega w dwóch etapach. W pierwszym z nich aldehyd 3–fosfoglicerynowy łączy się z grupą tiolową $\text{Cys}$–$149$, tworząc tym samym hemitioacetal. W drugim etapie jon wodorkowy przenoszony jest na ${\text{NAD}}^{+}$, połączonym z enzymem w pobliżu reszty cysteiny. Powstaje 1,3–bisfosfoglicerynian. Reakcja jest odwracalna.

RfaZXSDmfjLiA

Ilustracja przedstawiająca schemat przemiany pod wpływem kinazy fosfoglicerynianowej. Wzór 1,3‑fosfoglicerynianu o strukturze grupa ${\text{CH}}_2$ związana z grupą fosforanową oraz z grupą $\text{CH}$, która to łączy się z grupą hydroksylową oraz z grupą estrową ${{\text{COOPO}}_3}^{2-}$. Strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami zapis kinaza fosfoglicerynianowa, ${\text{Mg}}^{2+}$, pod strzałką przekształcenie <math aria‑label="A D P">ADP w <math aria‑label="A T P">ATP. Produkt reakcji cząsteczka 3‑fosfoglicerynianu o strukturze grupa ${\text{CH}}_2$ związana z grupą fosforanową oraz z grupą $\text{CH}$ która to łączy się z grupą hydroksylową i z grupą ${\text{COO}}^{-}$.

Przeniesienie grupy fosforanowej z 1,3–$\text{BPG}$ na $\text{ADP}$ i utworzenie $\text{ATP}$ (fosforylacja substratowa) oraz 3–fosfoglicerynianu – reakcja katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową.

Przekształcenie 3–fosfoglicerynianu w 2–fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę.

RxHwQGCGknlOv

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej fosfogliceromutazą. Wzór 3‑fosfoglicerynianu, strzałka w lewo, strzałka w prawo, nad strzałką zapis fosfogliceromutaza. Za strzałkami 2‑fosfoglicerynian, w którym grupa fosforanowa została przeniesiona do sąsiedniego atomu węgla. Struktura 2‑fosfoglicerynianu grupa ${\text{CH}}_2$ związana z grupą hydroksylową oraz z grupą $\text{CH}$, która to łączy się z grupą fosforanową oraz grupą ${\text{COO}}^{-}$.

Odwodnienie 2–fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu ($\text{PEP}$) katalizowane jest przez enolazę.

ROTxDa1tujSAs

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej przez enolazę. Wzór 2‑fosfoglicerynianu, strzałka w lewo, strzałka w prawo, nad strzałką zapis enolaza, ${\text{Mg}}^{2+}$. Następuje dehydratacja, czyli odejście cząsteczki wody ${\text{H}}_2\text{O}$. Za strzałkami produkt fosfoenolopirogronian o strukturze grupa ${\text{CH}}_2$ połączona wiązaniem podwójnym za atomem węgla związanym z grupą fosforanową oraz z grupą ${\text{COO}}^{-}$.

R6yABkaDPhng6

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej przez kinazę pirogronianową. Wzór fosfoenolopirogronianu, strzałka w prawo, nad strzałką zapis: <math aria‑label="A D P">ADP plus proton powstaje <math aria‑label="A T P">ATP, pod strzałką zapis kinaza pirogronianowa i ${\text{Mg}}^{2+}$. Za strzałką produkt reakcji, pirogronian o strukturze grupa ${\text{CH}}_3$ związana z atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz z grupą ${\text{COO}}^{-}$.

Przeniesienie grupy fosforanowej z $\text{PEP}$ na $\text{ADP}$ i powstanie $\text{ATP}$ oraz pirogronianu katalizowane jest przez kinazę pirogronianową.

R10sxgwFir29A

Ilustracja przedstawiająca schemat przemian w procesie glikolizy. W reakcjach biorą udział enzymy z grupy kinaz które odpowiadają za przeniesienie reszt fosforanowych z <math aria‑label="A T P">ATP na <math aria‑label="A D P">ADP i odwrotnie. Aldolaza katalizuje rozkład, izomerazy umożliwiają izomeryzację. Dehydrogenaza powoduje odszczepienie wodoru. Mutaza pozwala na przeniesienie grup fosforanowych na inną grupę hydroksylową. Enolaza powoduje odwodnienie. W rezultacie glikolizy glukoza ulega przekształceniu do pirogronianu. 1. Kosztem <math aria‑label="A T P">ATP glukoza ulega przekształceniu w gluokozo‑6-fosforan. 2. Glukozo‑6-fosforan pod wpływem izomerazy glukozofosforanowej ulega izomeryzacji polegającej na kontrakcji pierścienia prowadzącej do fruktozo‑6-fosforanu. 3. Fruktozo‑6-fosforan na skutek działania fosfofruktokinazy, kosztem <math aria‑label="A T P">ATP daje fruktozo‑1,6‑bisfosforan. 4. Zostaje on rozłożony do fosfodihydroksyacetonu i aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. 5. Wspomniany fosfodihydroksyaceton ulega izomeryzacji z udziałem izomerazy trifosforanowej do aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. 6. Aldehyd 3‑fosfoglicerynowy pod wpływem dehydrogenazy aldehydu 3‑fosfoglicerynowego przekształca się do 1,3‑bisfosfoglicerynianu. 7. Kinaza fosfoglicerynianowa katalizuje utworzenie 3‑fosfoglicerynianu z 1,3‑bisfosfoglicerynianu. 8. 3‑fosfoglicerynian pod wpływem fosfogliceromutazie przekształca się do 2‑fosfoglicerynianu. 9. 2‑fosfoglicerynian ulega dehydratacji pod wpływem enolazy, prowadząc do fosfoenolopirogronianu. 10. Fosfoenolopirogronian na skutek działania kinazy pirogronianowej oraz przy udziale <math aria‑label="A D P">ADP przekształca się do pirogronianu.

Zachodzi dekarboksylacjadekarboksylacjadekarboksylacja kwasu pirogronowego. Produktem jest aldehyd octowy i tlenek węgla($\text{IV}$).

RjEZVEc9sDbyP

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej przez dekarboksylazę pirogronianową. Jedna cząsteczka pirogronianu o strukturze grupa ${\text{CH}}_3$ związana z atomem węgla połączonym z atomem tlenu za pomocą wiązania podwójnego oraz z grupą ${\text{COO}}^{-}$. Strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami przemiana odwracalna <math aria‑label="N A D H dodać H indeks górny plus koniec indeksu">NADH+H+ daje <math aria‑label="N A D indeks górny plus koniec indeksu">NAD+. Pod strzałką zapis dekarboksylaza pirogronianowa. Powstają produkty: jedna cząsteczka aldehydu octowego oraz jedna cząsteczka dwutlenku węgla.

R1LpMVYBv1vCE

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę alkoholową. Jedna cząsteczka aldehydu octowego, to jest etanalu dodać cząsteczka tlenku węgla(<math aria‑label="cztery">"IV), strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałką przemiana odwracalna <math aria‑label="N A D H dodać H indeks górny plus koniec indeksu">NADH+H+ daje <math aria‑label="N A D indeks górny plus koniec indeksu">NAD+. Pod strzałką zapis dehydrogenaza alkoholowa. W wyniku redukcji za pomocą NADH aldehyd przekształca się w alkohol etylowy.

Później następuje zredukowanie aldehydu octowego (etanalu) do etanolu pod wpływem zredukowanego ${\text{NAD}}^{+}$ (dinukleotyddinukleotyd nikotynoamidoadeninowydinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) i enzymuenzymenzymu dehydrogenazy alkoholowej.

Ciekawostka

Czym jest „kac”?

„Kac” to nic innego jak nieprzyjemne samopoczucie pojawiające się dnia następnego po spożyciu zbyt dużej ilości alkoholu etylowego.

Tylko niewielka część alkoholu etylowego jest usuwana z naszego organizmu z moczem lub za pomocą dróg oddechowych. Druga część tego związku ulega przemianie w hepatocytach wątroby, gdzie następuje jego transformacja w etanal w obecności enzymu dehydrogenazy alkoholowej, kolejno w kwas octowy za pomocą dehydrogenazy acetaldehydowej. A to nie alkohol etylowy tylko etanal jest bardziej toksyczny dla naszego organizmu.

Pacjenci, u których zdiagnozowano zespół auto‑browaru, po spożyciu pokarmów o wysokiej zawartości węglowodanów wchodzą w stan nietrzeźwości. Przyczyną tego jest obecność w ich organizmie drożdży, np. Candida albicans, Candida krusei, Candida glabrata i Saccharomyces cerevisiae. Nie jest zaskakującym fakt wytwarzania alkoholu z węglowodanów dzięki drożdżom, ponieważ to normalna i powszechna reakcja we florze układu pokarmowego człowieka, lecz ilość tego wyprodukowanego alkoholu. Kolejnym elementem oddziałującym jest nieprawidłowy enzym wątrobowy (dehydrogenaza alkoholowa). Organizm nie jest w stanie szybko przetworzyć alkoholu, w skutek czego dochodzi do stanu upojenia bez wypicia grama alkoholu.

Fermentacja alkoholowa jest więc reakcją wieloetapową, zachodzącą w żywych organizmach. W ogromnym uproszczeniu, biorąc pod uwagę jedynie główny substrat i ostateczne produkty, równanie reakcji chemicznej można skrótowo opisać:

Fermentację alkoholową drożdży wykorzystuje się w:

• piwowarstwie;

• winiarstwie;

• gorzelnictwie;

• spulchnianiu pieczywa – przemysł piekarniczy;

• spulchnianiu ciast – przemysł cukierniczy.

Fermentacja jest sposobem uzyskiwania energii przez organizmy żyjące w środowisku beztlenowym. Jest procesem mniej wydajnym niż oddychanie tlenowe. Brakuje w nim końcowego akceptora elektronów, którym jest tlen.

Słownik

Bibliografia

Bednarski W., Reps A., Adamczak M., Biotechnologia żywności: praca zbiorowa, Warszawa 2003.

Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L., Clarke N. D., Biochemia: Glikoliza i glukoneogeneza, Warszawa 2007, s. 425–464.

Bortel E., Zarys technologii chemicznej, Warszawa 1992.

Cordell B., McCarthy J., A Case Study of Gut Fermentation Syndrome (Auto‑Brewery) with Saccharomyces cerevisiae as the Causative Organism, „International Journal of Clinical Medicine” 2013, t. 4, nr 7.

Fayemiwo S. A., Adgeboro B., Gut Fermentation Syndrome, „Afr. J. Cln. Exper. Microbiol.” 2014, t. 15, nr 1, s. 48‑50.

Gabryś H., Fizjologia roślin: Procesy oddechowe, pod. red. J. Kopcewicza, S. Lewaka, Warszawa 2002, s. 387–420.

Hames B. D., Hooper N. M., Krótkie wykłady. Biochemia: Metabolizm węglowodanów. Warszawa 2005, s. 305–354.

Haynes W. M., CRC Handbook of Chemistry and Physics, USA 2016, s. 3‑10, wyd. 97.

Kuczyński W., Podręcznik do ćwiczeń z technologii chemicznej, Warszawa 1974.

Logan B. K., Jones A. W., ,Endogenous Ethanol „Auto‑Brewery Syndrome” as a DrunkDriving Defence Challenge, „Med Sci Law. Jul.„ 2020, t. 40, nr 3, s. 206‑2015.

Mayes P. A., Murray R. K., Granner D. K.,  Rodwell V. W., Harper H. A., Biochemia Harpera: Glikoliza i utlenianie pirogronianu, Warszawa 1995, s. 207–216.

McMurry J., Chemia organiczna: Podstawowe pojęcia dotyczące metabolizmu i energii biochemicznej, t. 5, Warszawa 2005, s. 1096–1097.

Molenda J., Technologia chemiczna, Warszawa 1997.

Ronimus R.S., Morgan H.W., Distribution and phylogenies of enzymes of the Embden‑Meyerhof‑Parnas pathway from archaea and hyperthermophilic bacteria support a gluconeogenic origin of metabolism, ”Archaea” 2003, t. 1, nr 31, s. 199–221.

Duszyński J., Kozłowska‑Rajewicz A., Krenz‑Niedbała, Biologia Jedność i różnorodność, Warszawa 2008.

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (nr N8285) – karta charakterystyki produktu Sigma‑Aldrich (Merck KGaA) na obszar Polski.

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (DB01907) – informacje o substancji aktywnej (ang.). DrugBank.