UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA ÁREA BÁSICA BIOQUÍMICA

FERMENTACIÓN Fermentación es un proceso metabólico, en el que los carbohidratos y compuestos afines son oxidados, produciendo como producto liberación de energía, con la principal característica que el medio en el que se lleve a cabo la reacción debe ser libre de aceptores de electrones de procedencia externa (sin oxígeno). Cuando se dice que proceso de fermentación es anaeróbico o que se produce en ausencia de oxígeno se refiere a que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato, ...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente. Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido. Los tipos de fermentación pueden ser

Fermentación láctica

Fermentación alcohólica

Fermentación acética

1. FERMENTACIÓN LÁCTICA

Es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico. Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales. Este tipo de fermentación, también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica.

1.1.1 FERMENTACIÓN DE YOGURT

El yogurt se hace fermentando la leche con bacterias compatibles, principalmente Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus. El yogurt fermentado fue inventado probablemente, por tribus balcánicas hace miles de años y era solo un alimento de Europa Oriental hasta los años 1900s, cuándo el biólogo Mechnikov creó la teoría de que las bacterias Lactobacillus.Sp del yogur eran responsables de la longevidad de las personas de Bulgaria.

La leche azucarada o lactosa son fermentadas por estas bacterias y se forma el ácido láctico el cual da origen a la formación de la cuajada. El ácido también restringe el crecimiento de bacterias que causan descomposición del alimento. Durante la fermentación del yogur, se generan algunos sabores, que le dan especial característica.

2. FERMENTACION ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras y algunas clases de bacterias. Estos microorganismos transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono. La fermentación alcohólica comienza después de que la glucosa entra en la celda. La glucosa se degrada en un ácido pirúvico. Este piruvato se convierte luego en CO2 y etanol. Los seres humanos han aprovechado este proceso para hacer pan, cerveza y vino. En estos tres productos se emplea el mismo microorganismo que es: la levadura común o Saccharomyces cerevisae.

2.1 FERMENTACIÓN DE PAN

Durante el proceso de fermentación de pan, el azúcar es convertida en alcohol etílico y dióxido de carbono. El dióxido de carbono formará burbujas, que serán atrapadas por el gluten del trigo que causa que el pan se levante. Debido a la rapidez con que se fermenta el pan, se requieren apenas pocas cantidades de alcohol, cuya mayoría se evapora durante el proceso de levitación.

2.2 FERMENTACIÓN DE VINO

Los responsables de la fermentación alcohólica de los vinos son los Saccharomyces Sp. El jugo de uva contiene altos niveles de azúcar en forma natural. Estos azúcares se transformar en alcohol y dióxido de carbono. La fermentación natural puede producir vino con alcohol de hasta 16 por ciento.

3. FERMENTACIÓN ACÉTICA Los licores de fermentación suave, se convierten solo con la exposición al aire. Esto es debido a la conversión del alcohol en ácido acético. El ácido acético es producido mediante la fermentación de varios sustratos, como solución de almidón, soluciones de azúcar ó productos alimenticios alcohólicos como vino o sidra, con bacterias del género Acetobacter Sp.

3.1.1 VINAGRE

Acetobacter aceti, es el género bacteriano que normalmente se usa para producir vinagre con un porcentaje de acido acético superior a 14 % v/v. Cuando se utiliza sidra, vino o malta como materia prima se puede obtener aproximadamente 5 % de acido acético. El color y el sabor dependen de la materia prima empleada (sidra, vino, cerveza, malta de cebada) y método de producción. Tradicionalmente, el vinagre fue producido en barriles llenos de las virutas de madera sobre el cual se rociaba el vino.

4. MEDIADORES DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN

4.1 FERMENTACION POR BACTERIAS Algunas cepas bacterianas fermentadoras no toleran el oxígeno molecular y sin embargo, puede encontrarse en presencia de éste; por lo tanto, éstas pueden vivir bajo condiciones aerobias o anaerobias, pero aun bajo condiciones aerobias muchas anaerobias facultativas fermentan substratos orgánicos en lugar de oxidarlos. Sin embargo, hay muchas bacterias que en realidad respiran y degradan sus sustratos orgánicos a dióxido de carbono y agua, de la misma manera que lo hacen los animales; esto no es común en el ambiente bucal.

4.2 FERMENTACION DE AMINOÁCIDOS La mayor parte de las bacterias que fermentan aminoácidos, son miembros del grupo anaerobio formador de esporas (Clostridium.Sp) o los cocos anaerobios (originalmente descritos como micrococos, diplococos y a los que ahora se les denomina Peptococus. Sp.). Otros capaces de llevar a cabo estos procesos son bacilos anaerobios que no forman esporas, como las Fusobacterium Sp. (Comunes en las placas dentales) y la anaerobia facultativa entérica Escherichia coli. Se sabe que algunas cepas de este género atacan a los aminoácidos. La ecuación para la fermentación de glutamato con Clostridium tetani es: La fórmula empírica de los sustratos combinados y de los productos finales combinados es la misma (C5H11O5N) y por lo tanto esta ecuación representa un balance verdadero de la fermentación. La fermentación de los aminoácidos produce más ácidos que el amoniaco y por lo tanto no puede producir las condiciones alcalinas que causan otras formas de degradación de aminoácidos que no producen energía.

4.3 FERMENTACIÓN DE CARBOHIDRATOS Son los tipos más comunes de fermentación que ocurre en los sistemas vivietes. En el cuadro No. 1 se presenta un resumen de la fermentación de azúcares hexosas, como la glucosa, por tres diferentes vías metabólicas. La primera de ellas es la glucólisis, porque es el tipo más difundido. Un ejemplo de este proceso es el tipo de fermentación por Clostridium lactoacetophilum en el que una molécula de glucosa produce casi un cuarto de molécula de ácido acético. Tabla No. 1 Algunos tipos principales de fermentación de glucosa

Nombre de la vía Producto final Bacteria

Glucólisis (Vía Embden-Meyerhoff)

Ácido láctico

Streptococcus.Sp. Lactobacillus.Sp. Homofermentadores

2H2O + 2 CO2 + 2NH3

CO2H + 2CH3COOH

2

NH2CHCH2CH2COOH + CH3CH2CH2COOH

Etanol + CO2 CO2, Hidrógeno, ácido acético y butírico Muchas combinaciones de compuestos

El proceso ocurre en el músculo de los mamíferos, especialmente en ejercicio intenso. Levaduras Clostridium.Sp Muchas especies

Heteroláctica (Vía fosfocetolasa)

Ácido acético + ácido láctico + CO2

Lactobacillus.Sp. Heterofermentadores

Vía Entner-Doudoroff Etanol + CO2, Pseudomonas.Sp

Tabla No. 2 Fermentación de Glucosa por Escherichia coli

Productos Moles formados por mol de glucosa utilizada

Ácido láctico Alcohol etílico Ácido acético Dióxido de carbono Hidrógeno Glicerol Ácido fórmico Acetoína Butanediol Recuperación de carbono

0.795 0.498 0.365 0.880 0.750 Huellas 91%

4.4 FERMENTACIÓN DE LOS PRODUCTOS DE OTRAS BACTERIAS

La comparación de la energía proporcionada para la fermentación del sustrato, con la de la oxidación del mismo, revela que la primera es relativamente ineficiente. Por ejemplo, la fermentación de glucosa en ácido láctico produce dos moles de ATP, en tanto que la oxidación completa de la glucosa a dióxido de carbono proporciona 36 moles de ATP por mol de glucosa. En consecuencia, los productos de la fermentación como el ácido láctico, son moléculas de las cuales pueden extraerse aún en grandes cantidades de energía en procesos bioquímicos. En poblaciones mixtas de bacterias, cabría esperar que surgieran cepas capaces de fermentar los productos de otras bacterias. Tal es el caso de la boca, donde Streptococcus producen ácido láctico. Veionella.Sp, es otro tipo de de bacteria que se encuentra especialmente en la cavidad bucal y son incapaces de fermentar azúcares, porque carecen de varias enzimas para la glucólisis y la derivación pentosafosfato; sin embargo, fermentan con facilidad hacia ácido láctico, produciendo ácidos propiónicos y acéticos, dióxido de carbono e hidrógeno. Estos productos se fermentan por dos reacciones:

Los ácidos propiónico y acético, son mucho más débiles que el láctico, el efecto de la fermentación por Veionella.Sp en la placa dental es reducir el impacto del ácido láctico producido por los Streptococcus.Sp. Las fermentaciones tienen un gran interés por la importancia comercial de algunos de los productos finales, su papel en los procesos patológicos dentales y porque son productoras de energía bajo condiciones anaeróbicas.

5. METABOLISMO DE LA SACAROSA EN LA PLACA Los carbohidratos poliméricos, como el almidón, son menos accesibles como sustratos para las bacterias de la placa dental, que los carbohidratos de peso molecular bajo. Ello se debe a que los polisacáridos se difunden hacia la placa dental con mucha menor facilidad que los monos o disacáridos y porque los polisacáridos también deben ser hidrolizados antes que puedan ser utilizados por las bacterias. La medición directa de los cambios del pH en la placa dental, muestra que los enjuagues con solución de glucosa, fructosa o sacarosa producen una disminución del pH en minutos, originando condiciones de descalcificación en la superficie dental. El pH disminuye en un lapso de 10-12 minutos después de un enjuague con carbohidratos fermentables. Después de ello, se recuperan los valores de pH durante un periodo de una hora o más.

CH3CHOHCOOH + H2O CH3COOH + CO2 + 2H2

Ácido láctico Ácido acético

CH3CHOHCOOH + H2 CH3CH2COOH + H2O

Ácido láctico Ácido propiónico

Glucosa

Piruvato

Lactato

Etanol

Propionato

Succinato

Acetato

Diacetilo 4 H+

2CO2

CO2

2 H+

2H+

CO2

H2O

2H+

En contraste con los monosacáridos y la sacarosa, las soluciones de almidón al 5% tienen poco efecto o ninguno en el pH de la placa, por las razones antes comentadas. En la misma forma los alcoholes o edulcorantes alcohólicos como xilitol o sorbitol, que no son metabolizados por las bacterias de la placa, no producen disminución de pH. Tabla No.3 Fermentación Láctica por Vellionella.Sp

Productos Moles formados por mol de lactato utilizada

Ácido propiónico Ácido acético Dióxido de carbono Hidrógeno Recuperación de carbono

0.637 0.395 0.391 0.142 103.6%

Por esta razón, se han propuesto que los azúcarea-alcoholes se pueden utilizar como edulcorantes alternativo de la sacarosa para productos dentales o no cariogenicos. Aunque los azúcares comunes de las dietas occidentales (glucosa, fructosa y sacarosa) causan desmineralización ácida del esmalte, el metabolismo de la sacarosa tiene características poco comunes, que algunas personas piensan y confieren papel especial en la etiología de la caries dental. Estudios epidemiológicos de la relación entre la dieta y la caries dental, resalta la cariogenicidad de la sacarosa. Desde el punto de vista del metabolismo por las bacterias de la placa dental, la sacarosa tiene tres funciones:

Glucólisis para producir energía por fosforilación a nivel de sustrato. En ocasiones, el ácido láctico es el principal producto metabólico de la glucólisis, pero no siempre.

Síntesis intracelular de glucógeno como reserva. Ello permite que continúe la glucólisis después que se ha agotado el carbohidrato exógeno.

Síntesis extracelular de polisacáridos voluminosos adherentes por polimerización de residuos de glucosa o de fructosa de la sacarosa.

La sacarosa tiene una unión glucosídica entre glucosa y fructosa que incluye los grupos reactivos de ambas hexosas y que produce energía libre de hidrólisis equivalente a la del ATP. En la digestión en el intestino de los animales, la sacarosa hidroliza esta unión, liberando los dos monosacáridos para su asimilación y metabolismo. Una particularidad de la glucólisis en las bacterias, como en Streptococcus mutans, es que el ácido láctico es el producto mayor, si se encuentran a disposición de carbohidratos fermentables en concentraciones altas, es decir, la bacteria usa fermentación homoláctica. Trabajos recientes han demostrado la base química del inicio a partir de la fermentación homoláctica con diferentes condiciones de crecimiento. Hay dos destinos alternativos para el piruvato: Primero la reducción bien conocida al lactado y Segundo la segmentación en formato y acetil CoA por la piruvato formato liasa (PFL).

La reacción PFL va seguida de la conversión de acetil CoA en acetato y etanol. La lactato deshidrogenasa (LDH) de Streptococcus mutans es estimulada por la concentración alta de la fructosa-1,6-bifosfato en células expuestas a múltiples carbohidratos en tanto que PFL es inhibida de manera simultanea por la concentración alta de gliceraldehido-3-fosfato en las células. Ello explica una producción abundante de ácido láctico, cuando se encuentran en concentraciones altas de azúcares fermentables en la placa o cuando las bacterias están creciendon con rapidez bajo condiciones de cultivo en las que el carbohidrato no es el factor limitante de su crecimiento. En contraste, cuando no se encuenta a disposición carbohidratos fermentables en concentraciones altas o las bacterias están creciendo en condiciones en que el carbohidrato es un limitante de su crecimiento, las células tienen concetraciones intracelulares más bajas de intermediarios glucolíticos que no estimulan LDH. Al mismo tiempo, estas celulas tienen unas síntesis inducida de enzimas PFL y en consecuencia forman principalmente acetato, etanol y formato en lugar de lactato. La segunda característica del metabolismo de la sacarosa por bacterias de la placa, es la conversión de sacarosa en glucógeno por bacterias bucales. Muchas bacterias forman glucógeno cuando la concentración externa de carbohidratos fermentables es mucho mayor de la necesaria para las demandas de energía inmediata del crecimiento. El mecanismo de síntesis y degradación de glucógeno bacteriano es similar al de los sistemas de los mamíferos. Streptococcus mutans puede acumular glucógeno altamente ramificado hasta en una cantidad de 37% del peso seco de las células. En medios que contienen sustrato de cabohidratos fermentables, se almacena glucógeno, hasta agotamiento de sustrato extracelular y seguidamente inicia con una degradación más lenta. En consecuencia, las células estreptocócicas no mueren en tanto quede glucógeno intracelular para proporcionar energía, pero cuando se agota, entonces se acelera la muerte celular. Ello destaca el valor del glucógeno en la supervivencia de los Streptococcus.Sp en la placa, de tal forma que las cepas de S.mutans con deterioro de la capacidad para formar y utilizar glucógeno son capaces de formar colonias en la superficie dental y persistir como parte de la microbiota bucal, con pérdida de potencial cariogénico. La tercera característica del metabolismo de la sacarosa, estriba en la ocurrencia de enzimas extracelulares de las bacterias de la placa que pueden usar sacarosa para formar polisacaridos extracelulares. Estos polímeros con frecuencia son producidos por bacterias que de otra forma podrían eliminarse de su sitio de crecimiento y ayudarlas a adherirse entre sí y a superficies sólidas. Si esta adherencia se redujera de manera importante, se lograría una gran contribución a la prevención de la enfermedad dental ya que no existe formación de dextranos por la enzima dextranosacarasa (glucosiltransferasa) y de levanos por la levanosacarasa (fructosiltransferasa).

Piruvato Formato Liasa

CH3COCOOH + H2O CH3COOH + HCOOH

Piruvato Acetato Formato

Los levanos tienen una existencia pasajera en la placa y son desdoblados con rapidez, cuando no se dispone de otras alternativas fermentables. Los dextranos, en especial los ramificados son menos solubes, adherentes y persistentes en la matriz de la placa dental. Jeanes descubrió tres grupos de dextranos de varias cepas de bacterias. El tipo A tenía hasta 2% de uniones, 1,3 entre residuos de glucosa, el tipo B tuvo 3-6% de uniones 1,3 y el tipo C tenía más de 6% de uniones 1,3. Algunos investigdores prefieren conservar el nombre dextrano estructuralmente para el polímero lineal con unión 1,6 y emplear el término más general de glucano para todos los polímeros de la glucosa. El nombre de mutans se ha acuñado para los polímeros insolubles ramificados de la placa. Este nombre deriva del nombre de la especie S. mutans. No se requieren enzimas separadas para sintetizar esta estructura ramificante, en contraste con la síntesis de glucógeno. El dextrano lineal está unido a la enzima dextrano sacarosa por el extremo reductos y entre la enzima y la cadena existente de dextranos se insertan unidades glucosa de la sacarosa. Al parecer, la cadena de dextrano también puede ser transferida al grupo 3´hidroxilo de estas cadenas de dextrano por la misma enzima dextranosacarosa, logrando en consecuencia la ramificación.

5.1 EDULCORANTES ALTERNATIVOS DE LA SACAROSA El contenido total de carbohidratos en la dieta varía de país a país y es más bajo en las regiones occidentales más ricas. La mayor parte de los alimentos con carbohidratos son administrados por productos del almidón de plantas. La Sacarosa (azúcar de caña o betabel) tiene un consumo mucho mayor en los países más ricos, en los que la ingestión de carbohidratos es más baja. Se estima que muchas personas ingieren un equivalente de sacarosa por 500 kcal (2100kj) por día,

CUADRO No. 1

Efectos de las concentraciones altas de intermediarios en productos finales glucolíticos

Glucosa

Bifosfato de fructosa

Gliceraldehído 3 fosfato

Piruvato

Acetato + formato Lactato

Lactato deshidrogenasa

Piruvato formato liasa

+ -

correspondiente a más de un tercio de su consumo total de carbohidratos. La sacarosa es un edulcorante natural, potente, no caro y que proporciona una fuente valiosa de energía; en consecuencia, es un edulcorante calórico. Los constituyentes de la sacarosa, los monosacáridos glucosa y fructosa, son menos y más dulces, respectivamente, que la sacarosa en si como se observa en la tabla no. 4. Tabla No. 4 Edulcorantes relativos comparados con la sacarosa

SUBSTANCIA CLASIFICACIÓN DULZURA

Monelín Proteína 2,000

Taumatín Proteína 750

Sacarina No calórica 450

Aspartame Dipéptido 150

Ciclamato No calórico 55

Fructosa Azúcar 1.7

Glicerol Alcohol azúcar 1.1

Xilitol Alcohol azúcar 1.0

Sucrosa Azúcar 1.0

Glucosa Azúcar 0.74

Sorbitol o glucitol Alcohol azúcar 0.54

Lactosa Azúcar 0.16

La Sacarosa es un de edulcorante natural potente no caro y que proporciona una fuente valiosa de energía; en consecuencia, es un edulcorante calórico. Los constituyentes de la sacarosa, la glucosa y la fructosa son menores y más dulces, respectivamente, que la sacarosa en sí. En consecuencia, la hidrólisis de la sacarosa (produce azúcar invertida) aumenta lo dulce. La hidrólisis del almidón produce un jarabe de glucosa (por ejemplo jarabe de maíz). Un segundo tipo de agentes edulcorantes lo ejemplifican las substancias orgánicas dulces que no proporcionan energía (sacarina o ciclamato) o proteínas extremadamente dulces (taumatina) o péptidos (aspartame) que se consumen en pequeñas cantidades y en consecuencia proporcionan poca energía. Estas se denominan edulcorantes no calóricos.