La fermentación ácida mixta es el proceso biológico mediante el cual un azúcar de seis carbonos, por ejemplo, glucosa, se convierte en una mezcla compleja y variable de ácidos. Es una reacción de fermentación anaeróbica que es común en las bacterias. Es característico de los miembros de las Enterobacteriaceae , una gran familia de bacterias Gram negativas que incluye E. coli . [3]
La mezcla de productos finales producida por fermentación ácida mixta incluye lactato , acetato , succinato , formiato , etanol y los gases H 2 y CO 2 . 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.
Fermentación ácida mixta en E. coli
E. coli usa las vías de fermentación como una opción final para el metabolismo energético, ya que producen muy poca energía en comparación con la respiración. [6] La fermentación ácida mixta en E. coli ocurre en dos etapas. Estas etapas se describen en la base de datos biológica de 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
Hay una producción neta de 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH por molécula de glucosa convertida. El ATP se genera por fosforilación a nivel de sustrato . NADH se forma a partir de la reducción de NAD.
En la segunda etapa, el piruvato producido por la glucólisis se convierte en uno o más productos finales mediante 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 por estas vías, se secretan de la célula. [1]
Formación de lactato
El piruvato producido por la glucólisis se convierte en lactato . Esta reacción es catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa (LDHA). [1]
piruvato + NADH + H + → lactato + NAD +
Formación de acetato
El piruvato se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA) por la enzima piruvato deshidrogenasa . Esta acetil-CoA luego se convierte en acetato en E. coli , mientras que produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato . La formación de acetato requiere dos enzimas: fosfato acetiltransferasa y acetato quinasa. [1]
acetil-CoA + fosfato → acetil-fosfato + CoA
acetilfosfato + ADP → acetato + ATP
Formación de etanol
El etanol se forma en E. coli mediante la reducción de acetil coenzima A usando 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 +
Formación de formiatos
El formiato se produce por la escisión del piruvato. Esta reacción es catalizada por la enzima piruvato-formiato liasa (PFL), que juega un papel importante en la regulación de la fermentación anaeróbica en E. coli . [7]
piruvato + CoA → acetil-CoA + formiato
Formación de succinato
El succinato se forma en E. coli en varios pasos.
El fosfoenolpiruvato (PEP), un intermedio de la vía de la glucólisis , es carboxilado por la enzima PEP carboxilasa para formar oxalacetato . [8] A esto le sigue la conversión de oxalacetato en malato por la enzima malato deshidrogenasa . El fumarato hidratasa luego cataliza la deshidratación del malato para producir fumarato . [9]
fosfoenolpiruvato + HCO 3 → oxalacetato + fosfato
oxalacetato + NADH + H + → malato + NAD +
malato → fumarato + H 2 O
La reacción final en la formación de succinato es la reducción de fumarato. Es catalizado 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 el uso de un gradiente electroquímico y 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 . [10]
Formación de hidrógeno y dióxido de carbono.
El formato se puede convertir en gas hidrógeno y dióxido de carbono en E. coli . Esta reacción requiere la enzima formiato-hidrógeno liasa . Puede usarse para evitar que las condiciones dentro de la célula se vuelvan demasiado ácidas. [1]
formato → H 2 y CO 2
Prueba de rojo de metilo
La prueba de rojo de metilo (MR) puede detectar si la vía de fermentación ácida mixta ocurre en microbios cuando se administra glucosa. Se usa un indicador de pH que hace que la solución de prueba se vuelva roja si el pH cae por debajo de 4.4. [11] Si la vía de fermentación ha tenido lugar, 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 .
Ingeniería metabólica
Se han diseñado 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 biotecnología . [2] El principal factor limitante de esta ingeniería es la necesidad de mantener un equilibrio redox en la mezcla de ácidos producida por la vía de fermentación. [12]
Para la producción de etanol
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 20 años. [13] [14] Los científicos utilizaron un plásmido que portaba los genes piruvato descarboxilasa y 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, ha sido secuenciado y mapeado más recientemente. [15]
Para la producción de acetato
La cepa de E. coli W3110 se diseñó genéticamente para generar 2 moles de acetato por cada 1 mol de glucosa que se fermenta. Esto se conoce como vía de homoacetato. [dieciséis]
Para la producción de lactato
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 por fermentación ácida mixta en E. coli . [17] Los primeros experimentos diseñaron la cepa RR1 de E. coli para producir uno de los dos isómeros ópticos de lactato. [18]
Experimentos posteriores modificaron la cepa de E. coli KO11, desarrollada originalmente para mejorar la producción de etanol. Los científicos pudieron aumentar el rendimiento de D-lactato de la fermentación mediante la realización de varias deleciones . [19]
Para la producción de succinato
El aumento del rendimiento de succinato de la fermentación ácida mixta se realizó primero sobreexpresando la enzima PEP carboxilasa . [20] Esto produjo un rendimiento de succinato que fue aproximadamente 3 veces mayor de lo normal. Se han seguido varios experimentos que utilizan un enfoque similar.
Los enfoques alternativos han alterado el equilibrio redox y ATP para optimizar el rendimiento de succinato. [21]
Vías de fermentación relacionadas
Hay una serie de otras vías de fermentación que se producen en los microbios. [4] Todas estas vías comienzan convirtiendo el piruvato, pero sus productos finales y las enzimas clave que necesitan son diferentes. Estas vías incluyen:
- Fermentación de etanol
- Fermentación de ácido láctico
- Fermentación del ácido propiónico
- Fermentación de butanol
- Fermentación de butanodiol
enlaces externos
- Fermentación ácida mixta
- Resumen de fermentación de EcoCyc
Referencias
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