Fermentation

La fermentation est une respiration cellulaire

Pour survivre, les cellules doivent effectuer des actions, comme se déplacer, transporter des nutriments et synthétiser des molécules. Pour ce faire, elles ont besoin d'énergie, qui provient le plus souvent du sucre. Traditionnellement, les cellules convertissent le sucre en énergie par un processus appelé respiration cellulaire.

Larespiration aérobie est la méthode la plus conventionnelle de production d'énergie, mais elle nécessite de l'oxygène. Certaines cellules ont toutefois développé la capacité d'effectuer la respiration sans oxygène, ce qu'on appelle la respiration anaérobie.

Lafermentation est un type particulier de respiration anaérobie qui n'utilise pas la chaîne de transport d'électrons.

Larespiration, qu'elle soit aérobie ou anaérobie, est un processus catabolique.

Pour qu'il y ait respiration anaérobie, une molécule doit pouvoir se substituer à l'oxygène, comme le sulfate ^SO4-2. Lorsqu'aucune molécule de ce type ne peut remplacer fonctionnellement l'oxygène, les voies métaboliques traditionnelles ne peuvent pas être utilisées. Heureusement pour les cellules (et pour nous !), il existe une autre voie pour produire de l'énergie : la fermentation.

Définition de la fermentation en biologie

Maintenant que nous savons ce que sont les respirations aérobie et anaérobie, voyons la définition de la fermentation.

• N'oublie pas que la fermentation est un type de respiration anaérobie !

Lafermentation se déroule en deux phases : la glycolyse et l' oxydation du NADH .La première phase, la glycolyse, décompose le glucose à l'aide du ^NAD+, ce qui génère de l'ATP. La deuxième phase, l'oxydation du NADH, régénère le ^NAD+.

Ça fait beaucoup de nouveaux termes.Alors, comme pour le catabolisme, décomposons tous ces termes !

Molécules essentielles

Glucose

Commençons par le glucose. Leglucose (Fig. 2) estun sucre dont la formule chimique est _C6H12O6 . C'estun composé chimique de la famille des glucides car il contient du carbone (C), de l'hydrogène (H) et de l'oxygène (O), avec un rapport 2:1 de deux hydrogènes pour chaque oxygène . Le glucose est considéré comme la principale source d'énergie de la plupart des organismes vivants.

ATP

Ensuite, nous avons l'ATP. L'ATP (Fig. 3) est l'abréviation d'adénosine triphosphate.

La structure de l'ATP se compose d'une adénosine liée à trois phosphates . Lorsqu'une liaison phosphate est rompue, de l'énergie est libérée. La molécule résultante, lorsqu'il manque un phosphate, est appelée adénosine diphosphate, ou ADP . L'ADP peut même perdre un deuxième phosphate, devenant ainsi l' adénosine monophosphate ,ou AMP .

NADH

La dernière molécule importante est le nicotinamide adénine dinucléotide, ou NADH (Fig. 4). Sous sa forme réduite, il lui manque un hydrogène (^H+) et on l'identifie comme ^NAD+.

Processus de fermentation en biologie

En biologie, la fermentation est le processus métabolique que les cellules utilisent pour produire de l'énergie, ou ATP, sans l'aide principale de l'oxygène. Elle se produit de façon plus simple que la respiration aérobie, en ce sens qu'elle ne comporte que deux étapes : la glycolyse et l'oxydation du NADH .

La glycolyse

La première étape de la respiration anaérobie, la glycolyse, se produit dans le cytoplasme.

La glycolyse se déroule en une longue série d'étapes, résumées ci-dessous :

1. Laphosphorylation, dans laquelle deux molécules d'ATP, l'une après l'autre, perdent un groupe phosphate sur une molécule de glucose .

2. La molécule de glucose modifiée se divise en triose phosphate.

3. Le ^NAD+ prélève un hydrogène (^H+) sur le triose phosphate.

4. L'ADP prend un phosphate du triose phosphate modifié. La molécule modifiée est maintenant un phosphoglycérate. Cette étape génère de l'ATP.

5. Le phosphoglycérate est modifié en phosphoénolpyruvate, perdant ainsi du_H2O.

6. L'ADP prend un phosphate du phosphoénolpyruvate, ce qui donne notre produit final, le pyruvate, ou acide pyruvique. Cette étape génère de l'ATP.

La liste précédente est un résumé abrégé. Les dix étapes complètes de la glycolyse sont illustrées dans ce diagramme (Fig. 5).

Fig. 5.Les dix étapes de la glycolyse. sous licence CC BY-SA 4. 0

Laglycolyse peut être résumée et simplifiée en une seule équation :

Glucose + 2 ^NAD+ + 2 ATP ⇾ 2 Pyruvate + 2 NADH + 4 ATP + 2 ^H+.

Lepyruvate, ou acide pyruvique, est la molécule résultant de la glycolyse. Sa formule chimique est ^C3H3O3-. Le pyruvate subira davantage de catabolisme dans la phase suivante. Regarde ! Quatre molécules d'ATP ont été produites et peuvent être utilisées comme source d'énergie. Nous avons de l'ATP pour alimenter nos cellules !

Alors, pourquoi ne pouvons-nous pas nous arrêter là ? Malheureusement, le ^NAD+ nécessaire à la glycolyse est en quantité insuffisante. Pour produire plus d'ATP, la cellule a besoin d'un approvisionnement en sucre et en ^NAD+. La phase suivante, la fermentation, répondra à cette demande.

Oxydation du NADH

À ce stade, après la glycolyse, nous avons une surabondance d'acide pyruvique (pyruvate) et de NADH. Et nous devons également générer plus de ^NAD+ pour continuer la synthèse de l'ATP via la glycolyse.

Mais comment régénérer le NADH en ^NAD+? C'est l'oxydation qui va résoudre notre problème.

L'oxygène est l'agent oxydant le plus courant, mais malheureusement, dans les conditions anaérobies, l'oxygène est très peu abondant. Pourtant, par définition, l'oxydation peut toujours se produire ! L'oxygène est l'agent oxydant le plus courant en raison de sa forte électronégativité, mais en son absence, certaines cellules ont trouvé un substitut.

Pendant la fermentation, le NADH est oxydé en ^NAD+, ce qui permet de répondre à la demande de ^NAD+ pendant la glycolyse .L'oxydation est rendue possible par un catalyseur, tel qu'une enzyme, une levure ou une bactérie. Il existe deux grands types de fermentation, nommés d'après leur sous-produit :

• La fermentation de l'alcool: Fermentation du pyruvate par la levure, qui donne de l'alcool éthylique comme sous-produit. Elle est utilisée pour fabriquer des vins, des bières et des spiritueux.

• Fermentationlactique: Fermentation du pyruvate par des bactéries, qui donne de l'acide lactique comme sous-produit. On l'utilise pour fabriquer des fromages et des yaourts.

Pour résumer, les phases métaboliques combinées de la glycolyse et de l'oxydation du NADH sont représentées ci-dessous (Fig. 6).

Différence entre la respiration cellulaire et la fermentation

Tu te demandes peut-être pourquoi la respiration n'est pas toujours anaérobie ? La respiration anaérobie comporte nettement moins de voies métaboliques que la respiration aérobie. Pour répondre à cette question, nous observons combien d'ATP peuvent être produits à partir d'une seule molécule de glucose.

Larespiration aérobie peut produire jusqu'à 36 ATP par molécule, alors que la respiration anaérobie ne peut produire qu'un maigre deux ATP par molécule de glucose.

C'est là que réside le véritable pouvoir de l'oxygène ! Regarde le bon côté des choses : avec la fermentation, nous pouvons profiter des sous-produits savoureux des aliments fermentés.

Produits de la fermentation

Chimiquement, la fermentation produit des sous-produits tels que l'acide lactique, l'éthanol, l'hydrogène, le dioxyde de carbone, l'ATP, l'acétone et certaines protéines ou enzymes. Cependant, la plupart des gens connaissent le processus de fermentation parce qu'il donne naissance à une catégorie unique d'aliments : les aliments fermentés.

La fermentation a donné naissance à de nombreux aliments fermentés qui ont enrichi notre vie. Le vin, la bière et les liqueurs sont des boissons fermentées que l'humanité apprécie depuis l'aube de la civilisation.

Un autre processus de fermentation précoce consiste à transformer les boissons à l'éthanol en vinaigre, en utilisant la fermentation de l'acide lactique. Le vinaigre a apporté à l'homme ses propriétés de conservation au cours du processus de décapage, à une époque où la réfrigération mécanique n'était pas disponible.

Le fromage est un autre aliment fermenté très apprécié, où les sucres du lait sont transformés en acide lactique. De même, le yaourt et la crème aigre sont des aliments fermentés dérivés des sucres du lait. L'acide lactique donne à ces aliments fermentés leur goût aigre.

Les saucisses fermentées, comme le salami ou le pepperoni, sont un type de procédé de conservation de la viande utilisé dans le monde entier. Dans les pays asiatiques, les haricots fermentés, comme le miso, sont des aliments fermentés populaires dérivés de la fermentation de l'acide lactique.

La fermentation lactique du chou donne la choucroute et le kimchi. La sauce soja et la sauce Worcestershire peuvent être ajoutées à la liste des aliments fermentés dérivés de la fermentation de l'acide lactique.