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Fermentação e Respiração

FERMENTAÇÃO

Uma mudança química em matéria animal e vegetal provocada por leveduras microscópicas, bactérias, ou mofos é chamada de fermentação. Exemplos de fermentação são o azedamento de leite, o crescimento da massa de pão, e a conversão de açúcares e amidos em álcool. Muitas substâncias químicas industriais e vários antibióticos usados em medicamentos modernos são produzidos através de fermentação sob condições controladas. O resultado da fermentação é que uma substância seja quebrada em compostos mais simples. Em alguns casos a fermentação é usada para modificar um material cuja modificação seria difícil ou muito cara se métodos químicos convencionais fossem escolhidos. A fermentação é sempre iniciada por enzimas formadas nas celas dos organismos vivos. Uma enzima é um catalisador natural que provoca uma mudança química sem ser afetado por isto.

A levedura comum é um fungo composto de minúsculas células tipo vegetais similares às bactérias. Suas enzimas invertase e zimase quebram açúcar em álcool e gás carbônico. Elas crescem o pão e transformam suco de uva em vinho. Bactérias azedam o leite produzindo ácidos láctico e buturico. Células do corpo humano produzem enzimas digestivas, como pepsina e renina que transformam comida em uma forma solúvel.

Os produtos de fermentação foram usados desde a antigüidade Habitantes das cavernas descobriram que a carne emvelhecida tem um sabor mais agradável que a carne fresca. Vinho, cerveja, e pão são tão velhos quanto a agricultura. Queijo, que envolve a fermentação de leite ou creme é outra comida muito antiga. O valor medicinal de produtos fermentados é conhecido de há muito tempo. Os chinêses usavam coalho de feijão-soja mofado para curar infecções de pele há 3.000 anos atrás. Os índios da America Central tratavam feridas infetadas com fungos.

A verdadeira causa de fermentação, porém, não era compreendida até o século XIX. O cientista francês Louis Pasteur, enquanto estudando problemas dos cervejeiros e vinicultores da França, encontrou que um tipo de levedura produz vinho bom, mas um segundo tipo torna-o azedo. Esta descoberta conduziu à teoria da origem de doenças de Pasteur .

A química das fermentações é uma ciência nova que ainda está em suas fases mais iniciais. É a base de processos industriais que convertem matérias-primas como grãos, açúcares, e subprodutos industriais em muitos produtos sintéticos diferentes. Cepas cuidadosamente selecionadas de mofos, leveduras e bactérias, e são usadas.

A Penicilina é um antibiótico que destrói muitas bactérias causadoras de doenças. É derivado de um mofo que cresce em uma mistura fermentativa de substâncias cuidadosamente selecionadas para este propósito. A Penicilina industrial e muitos outros antibióticos se tornaram uma área muito importante da indústria farmaceutica.

O Ácido cítrico é uma das muitas substâncias químicas produzidas por microorganismos. É usado em limpadores de metal e como um preservativo e agente de sabor em alimentos. O Ácido cítrico é responsável pelo sabor azedo de frutas cítricas. Poderia ser obtido delas, mas necessitaria muitos milhares de frutos para produzir a quantia de ácido cítrico atualmente feita pela fermentação de melado com o mofo Aspergillus niger.

Um produto de fermentação, Terramicina, é adicionado a rações animais para acelerar o crescimento dos animais e os proteger de doenças. Certas vitaminas são feitas através de fermentação de mofos; e as próprias enzimas, extraídas de vários microorganismos, têm muitos usos na fabricação de alimentos e medicamentos.

As bactérias utilizadas industrialmente são as anaeróbias e microaerófilas, para a produção de ácido acético, lático, glucônico, propiônico e outros, ou para a produção de alimentos como queijos, picles, chucrutes, vinagres, leites fermentados e outros. Os fungos também são usados na produção de ácidos por via fermentativa. Os principais ácidos são: cítrico, glucônico, fumárico, lático, gálico, ácidos graxos e outros. As bactérias envolvidas nos processos para obtenção de ácidos são principalmente as do gênero Acetobacter e Lactobacillus. As bactérias podem formar inúmeros ácidos diferentes. São, no entanto, de maior interesse econômico algumas das bactérias produtoras de ácido lático, ácido acético e de ácido propiônico. Os ácidos são provenientes da degradação anaeróbica de glicídeos por oxidação incompleta.

Fermentação lática

Na fermentação lática, o ácido pirúvico é transformado em ácido lático pela utilização de íons hidrogênio transportados pelos NADH2 formados na glicólise.

A fermentação lática é realizada por algumas bactérias, alguns protozoários e fungos e por células do tecido muscular.

No tecido muscular do nosso corpo, quando a atividade física é muito intensa, há insuficiência de oxigênio para manter a respiração e liberar a energia necessária. Nesses casos, as células degradam anaerobiamente a glicose em ácido lático. Esse ácido lático pode ser acumulado nos tecidos, originando a fadiga muscular. Cessada a atividade física, o ácido lático formado é transformado novamente em ácido pirúvico , que continua a ser degradado pelo processo da respiração.

Outros exemplos de fermentação lática são o azedamento do leite e a produção de conservas, como o picles.

Fermentação alcoólica

Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico libera, inicialmente, uma molécula de CO2, formando um composto com 2 carbonos que sofre redução pelo NADH2, originando álcool etílico.

A fermentação alcoólica ocorre principalmente em bactérias e leveduras. Entre as leveduras, que são fungos microscópicos, a espécie Saccharomyces cerevisiae é utilizada na produção de bebidas alcoólicas. Esse levedo transforma açúcares contidos em sucos de uva e de malte em vinho e cerveja, respectivamente.

O levedo também é empregado para fazer pão. Nesse caso, o CO2 produzindo por fermentação fica armazenado no interior da massa, em pequenas câmaras, fazendo-a crescer. Ao se assar a massa, as paredes dessas câmaras se enrijecem, mantendo a estrutura alveolar.

 

RESPIRAÇÃO

As reações químicas que ocorrem na respiração podem ser agrupadas em duas fases:

  • Fase anaeróbia: ocorre na ausência de oxigênio no citosol da célula;
  • Fase aeróbia: ocorre na presença de oxigênio; nas células eucarióticas, ocorre dentro das mitocôndrias.

Fase anaeróbia

Na fase anaeróbia ocorre a glicólise, com formação ocorre a glicólise, com formação de ácido pirúvico, que entrará na mitocôndria, onde se iniciam as seqüências de reações da fase aeróbia: ciclo de krebs e cadeia respiratória. 

Algumas bactérias podem realizar um tipo particular de respiração, denominado respiração anaeróbia. Nesse caso, em vez de O2, utilizam nitritos, nitratos, mitratos, sulfatos ou carbonatos para oxidar a matéria orgânica. É o caso das bactérias desnitrificantes do solo, como a Pseudomonas denitrificans.

Elas participam do ciclo do nitrogênio, devolvendo à atmosfera o N2. Como só realizam esse processo na ausência de O2, a desnitrificação não é um mecanismo muito freqüente em solos oxigenados, mas é muito comum em regiões pantanosas onde a taxa de O2 é reduzida.

Fase aeróbia da respiração: ciclo de krebs e cadeia respiratória

Essa fase da respiração nas células eucarióticas ocorre dentro das mitocôndrias, em presença de oxigênio. É dividida em duas seqüências de reações: ciclo de krebs, que ocorre na matriz mitocondrial, e cadeia respiratória, que ocorre nas cristas mitocondriais.

Apesar de o oxigênio participar diretamente da cadeia respiratória apenas como aceptor final de hidrogênios, formando água, as demais reações dessa fase podem cessar na ausência de oxigênio, sendo, portanto, um reagente fundamental na seqüência de reações. Na ausência de oxigênio, alguns organismos e mesmo células do nosso tecido muscular continuam a realizar a glicólise, desviando o metabolismo para a fermentação. A glicólise, portanto, não depende do oxigênio para ocorrer, mas o ciclo de krebs e a cadeia respiratória sim.

• Ciclo de krebs ou ciclo do ácido tricarboxílico 

O ciclo de krebs foi descoberto por Hans Krebs, daí seu nome, embora krebs o tenha denominado ciclo do ácido tricarboxílico ou ciclo do ácido cítrico.

O gás carbônico liberado na respiração é proveniente da formação de acetil e do ciclo do ácido cítrico.

Cadeia respiratória 

Na cadeia respiratória há transferência dos hidrogênios transportados pelo NAD e FAD ( flavina-adenina-dinucleotídeo ) para o oxigênio, formando água.

Nessas transferências há liberação de elétrons excitados, que vão sendo captados por aceptores intermediários, denominados citocromos. Nesse processo, os elétrons perdem gradativamente energia, que, em parte, será utilizada para a formação de calor. A função básica da cadeia respiratória é a formação de ATP, processo denominado fosforilação oxidativa.

Na cadeia respiratória, os elétrons vão perdendo energia até o último elemento da cadeia, que é o oxigênio. Esse oxigênio recebe os íons hidrogênio, formando água. Na respiração, então, o aceptor final de hidrogênios é o oxigênio.

Na degradação da glicose por meio dos mecanismos respiratórios tem-se, inicialmente, a glicólise, que ocorre no citosol, durante a qual há produção de 2 moléculas de ácido pirúvico e saldo de 2 ATP e 2 NADH2.

As moléculas de NADH2 atravessam as membranas da mitocôndria e, nesse processo, há um gasto de 2 ATPs. Assim, ao final da cadeia respiratória, essas moléculas de NADH2 provenientes da glicólise dão um saldo energético de apenas 4 ATPs. Os demais NADH2 que se formam na respiração já se encontram dentro da matriz mitocondrial, não hevendo, portanto, gasto de energia para incorpora-los a essa organela. Nesses casos, cada NADH2 ao final da cadeia respiratória forma, como saldo, 3 moléculas de ATP. Cada FADH2 produzido no ciclo de Krebs forma, ao final da cadeia respiratória, 2 moléculas de ATP.

Nos procariontes, como não há mitocôndrias, todo o processo da respiração membrana plasmática. Nesses casos, o saldo é de 38 moléculas de ATP que ocorre nos NADH2 do citoplasma para o interior da mitocôndria.
 

DIFERENÇAS

Na fermentação, a glicose é degradada, na ausência de oxigênio, em substâncias mais simples, como o ácido lático (fermentação lática) e o álcool etílico ( fermentação alcoólica). Nesses processos, há um saldo de apenas 2 moléculas de ATP.

Na respiração, processo que utiliza oxigênio, a glicose é completamente degradada, formando gás carbônico e água. A energia liberada é suficiente para haver um saldo de 36 ou 38 moléculas de ATP. Portanto, o ganho energético é maior na respiração do que na fermentação. 

A fermentação ocorre no citosol. Inicialmente, a molécula de glicose é degradada em duas moléculas de ácido pirúvico, cada uma com 3 carbonos ( C3H4O3 ). Essa etapa é denominada glicólise e é comum tanto para a fermentação como para a respiração.

A glicólise é um processo exotérmico, mas para que se inicie, há necessidade de duas moléculas de ATP. Na glicólise, uma molécula de glicose libera energia para formar quatro moléculas de ATP, duas das quais repõem as utilizadas na própria ativação inicial da glicose, ficando um saldo final de 2 ATP. Além disso, são formadas duas moléculas de NADH2, que são transportadoras de hidrogênio.

Por: Deisy Morselli Gysi


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