Vi siete mai chiesti in che modo dall’uva vien prodotto il vino?
In che modo il glucosio contenuto negli acini dell'uva viene trasformato in un alcool l'etanolo?
La produzione di vino, antichissima, si basa, così come la moderna industria enologica, sul particolare metabolismo di organismi come i lieviti, capaci di indurre i processi di fermentazione del glucosio a etanolo. Ma che cosa si intende per processo di fermentazione?
La fermentazione è un processo che avviene nella maggior parte dei casi in condizioni di anaerobiosi, ovvero in assenza di ossigeno. Una condizione che tende a realizzarsi all’interno delle botti usate per la produzione vinicola. La mancanza di ossigeno impedisce alla cellula di "sfruttare" a fondo il potenziale contenuto energetico del glucosio, in quanto non è in grado di avviare processi di respirazione aerobia. La cellula non può quindi ottenere le molecole di ATP che è in grado di produrre con il ciclo di Krebs e l’ATP sintasi.
Di conseguenza le uniche molecole di ATP che la cellula è in grado di "sintetizzare" l’energia prodotta attraverso una demolizione solo parziale del glucosio, sono le 2 ottenute dalla glicolisi. Per questo motivo continuerà ad usare questa via per la propria sopravvivenza energetica, ma dovrà in qualche modo ossidare i 2 NADH prodotti.
La cellula necessita di cofattori ossidati (NAD+) in grado di ossidare il substrato e continuare la glicolisi. Per questo motivo gli elettroni del NADH vengono ceduti al piruvato, che ossida il NADH, riducendosi.
I destini delle due molecole di piruvato ottenute dalla glicolisi sono principalmente due: la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica.
La fermentazione alcolica è tipica di organismi come il lievito, infatti è la via metabolica che porta alla formazione dell'alcol etilico (etanolo) presente negli alcolici come il vino e la birra. Le reazione consiste in due passaggi, catalizzati da altrettanti enzimi. L'enzima chiamato piruvato decarbossilasi (PDC) libera una molecola di anidride carbonica (CO2) dal piruvato (in un processo chiamato decarbossilazione), ottenendo acetaldeide. Quest'ultima viene ridotta a etanolo dall'enzima alcol deidrogenasi (ADH), il quale utilizza come cofattore il NADH (+H+), ossidandolo nuovamente a NAD+, e rendendolo nuovamente disponibile per la glicolisi. La produzione di etanolo a partire da glucosio è interessante non solo per il settore alimentare (per esempio le bevande alcoliche), ma anche per la produzione di biocarburanti di prima e seconda generazione.
La reazione netta a partire da glucosio è quindi:
glucosio → 2 etanolo + 2 CO2
La fermentazione lattica è una via metabolica simile alla fermentazione alcolica, che tuttavia avviene in un unico passaggio, e non comporta la perdita di un atomo di carbonio sotto forma di CO2. L'enzima lattato deidrogenasi, infatti, riduce direttamente il piruvato a lattato, ossidando allo stesso tempo il NADH (+H+) a NAD+. La fermentazione lattica avviene nei muscoli del corpo umano a seguito di grande sforzo che comporta una non più corretta ossigenazione dei tessuti: l'organismo tuttavia produce acido lattico (l'acido carbossilico corrispondente al lattato) per ottenere comunque l’energia necessaria. Il dolore dei crampi è legato alla tossicità dell’acido lattico ai danni delle cellule muscolari. Anche microrganismi come i lattobacilli, tra cui i cosiddetti fermenti lattici utilizzati nella produzione per esempio dello yogurt, compione la fermentazione lattica. L'acido lattico è utilizzato industrialmente nella produzione di plastiche biodegradabili come il PLA (acido polilattico).
La reazione netta a partire da glucosio (chiamata nello specifico fermentazione omolattica) è quindi:
glucosio → 2 lattato
In natura esistono altre fermentazioni, che hanno tutte lo scopo di risintetizzare i cofattori ossidati (NAD+) necessari alla glicolisi: vengono tipicamente prodotti alcoli, come il propanolo e il butanolo.