Fermentación alcohólica, de la cebada a la cerveza

clasesdecervezaTodos conocemos la cerveza, incluso aquellos que nos les gusta!. Es una de las bebidas más consumidas en el mundo, sobre todo en un clima más cálido o cuando hace calor. Mucho antes de que existiera la química como ciencia, la cerveza y el vino se producían en grandes cantidades, hace ya por lo menos unos milenios.

En primer lugar, aunque parezca obvio para algunos, aclaremos que el alcohol presente en la cerveza no se añade, se genera de forma natural. Es generado por un proceso bioquímico llamado fermentación alcohólica, y proviene de la fermentación por parte de una levadura de los azucares de la cebada. Pero, ¿en qué consiste esa fermentación?, ¿cuál es el proceso químico que tiene lugar?. Veámoslo

La fermentación alcohólica

fermentacion
Tanques de fermentación

La fermentación es el proceso que convierte el azúcar en alcohol, concretamente en un alcohol con dos átomos de carbono, el etanol, y dióxido de carbono. Este proceso se lleva a cabo por los organismos vivos, pero en particular algunos tipos de hongos conocido como levaduras. En nuestro caso, el componente principal es la Saccharomyces cerevisiae. Estas levaduras se dedican a la producción de etanol, a cambio de azúcar. Es como si el hombre desde hace miles de años hubiera «domesticado» a la Saccharomyces cerevisiae, para que puedan trabajar en la producción de alcohol a cambio de alimentos (azúcar).

El proceso se puede dividir en dos partes. La primera parte, conocida como glucólisis o glicólisis (del grigego glycos, azucar, y lysis, romper) es común a otras vías metabólicas y el producto de la cual es el anión piruvato. La segunda parte es la propia fermentación, donde el piruvato se transforma en alcohol.

Glucólisis o glicólisis

Todo el proceso comienza cuando estos organismos se alimentan. El azúcar presente en la cebada está en forma de sacarosa y consiste en la unión de una molécula de glucosa y una de fructosa, por lo que la sacarosa diremos que es un disacárido. La sacarosa cuando se hidroliza se convierte en una molécula de glucosa y una de fructosa. Esta última de isomeriza a glucosa de manera sencilla. Estas dos moléculas de glucosa obtenidas están listas para su entrada en las vías metabólicas de la Saccharomyces cerevisiae para la transforme en etanol y así obtenga energía.

Podemos dividir el proceso de la glucólisis en tres partes bien diferenciadas:

Fosforilación de la glucosa

La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación de la glucosa, con lo cual conseguimos activarla y poder utilizar esa energía en procesos posteriores. Es un proceso que consume energía en forma de ATP (Adenosín Tri Fosfato). La primera parte consisten en la fosforilación del hidroxilo unido al carbono 6 de la glucosa, consumiendo una molécula de ATP. Esta reacción está catalizada por una enzima, la hexoquinasa, que necesita de una coenzima con magnesio.

Una vez que tenemos la glucosa activada, el siguiente paso consiste en una isomerización de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato, paso catalizado por la enzima glucosa-6-fosfato isomerasa.

El ultimo paso de esta parte consiste en una segunda fosforilación, esta vez en el hidroxilo del carbono 1 de la fructosa-6-fosfato, dando lugar a una nueva molécula, la fructosa-1,6-bisfosfato, con consumo nuevamente de energía en forma de ATP y con magnesio como cofactor. Este paso es un proceso altamente irreversible y esta catalizado por una enzima, la fosfofructoquinasa-1

 glucólisis 1

Ruptura de la pentosa fructosa-1,6-bifosfato

Es un proceso en que no hay consumo ni producción de energía en forma de ATP. La molécula fructosa-1,6-difosfato se rompe en dos moleculas mediante una encima aldolasa, concretamente la fructosa-1,6-bifosfato aldolasa,  la convierte en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. Ambas moléculas de tres carbonos son convertibles la una en la otra mediante una enzima, la triosa-fosfato isomerasa. Por tanto. de una fructosa-1,6-difosfato obtenemos dos meléculas de gliceraldehído-3-fosfato.

glucólisis 2

Desfosforilación

Esta etapa empieza con una oxidación del carbono aldehídico a un grupo carboxílico Es un proceso que se da en dos partes e implica la generación de una molécula de ATP (recordemos que cada molécula de glucosa produce dos de gliceraldehído-3-fosfato). La primera parte consiste en una fosforilación del carbono aldehídico para obtener el 1,3-bifosfoglicerato, una molécula muy energetica. Este paso se da con el consumo de un NAD+  (se reduce a NADH por el aporte de protones) fósforo inorgánico en forma de fosfato. Esta catalizado por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y tiene como cofactor el magnesio. La segunda parte consiste en la desfosforilación del 1,3-bifosfoglicerato por la enzima fosfoglicerato quinasa a 3-fosfoglicerato. Este segundo paso produce energía en forma de ATP y tiene como cofactor al magnesio.

glucólisis 3

El siguiente paso consiste en una isomerización del 3-fosfoglicerato procedente de la reacción anterior dando 2-fosfoglicerato, la enzima que cataliza esta reacción es la fosfoglicerato mutasa. Lo único que ocurre aquí es el cambio de posición del fosfato del carbono 3 al carbono 2.

La enzima enolasa libera una molécula de agua de la molécula formando un doble enlace entre el carbono 2 y 3, dando como resultado una molécula llamada fosfoenolpiruvato. Esta enolasa necesita del cofactor magnesio para su funcionamiento.

Por ultimo ocurre la desfosforilación del fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP. Reacción irreversible realizada por la enzima piruvato quinasa y con magnesio como cofactor. En esta etapa se produce otra molécula de ATP.

glucólisis 4

El ácido pirúvico es un compuesto orgánico clave en el metabolismo. Es el producto final de la glucólisis, una ruta metabólica universal en la que la glucosa se escinde en dos moléculas de piruvato y se origina energía (2 moléculas de ATP).

Fermentación alcohólica

Una vez formado el piruvato (y con él el final de la glucólisis), puede tomar tres caminos.

  • Si tenemos suficiente oxígeno, se puede entrar en el metabolismo aeróbico, donde se convierte en dióxido de carbono y agua. Esto se conoce como respiración celular, y es el proceso complejo que nuestras células utilizan para proporcionar energía. Se produce en la matriz de la mitocondria y es conocido como ciclo de Krebs.
  • Si no tenemos suficiente oxígeno, el ácido pirúvico entra en una vía anaeróbica o vía de fermentación. En este caso, puede tomar dos caminos:
    • Fermentación láctica, cuyo producto es ácido láctico. Nuestras células musculares hacen esta fermentación cuando hacemos un esfuerzo muy intenso, y el resultado son las agujetas por acumulación de ácido láctico en el músculo
    • Fermentación alcohólica, donde el piruvato se convierte primero en acetaldehído, para después degradarse en etanol y dióxido de carbono.

En la fermentación alcohólica, la primera reacción es una descarboxilación del piruvato. Esto significa que la molécula de piruvato pierde una molecula de dióxido de carbono, concretamente del carbono del grupo carboxílico, y se convierten en una molécula más sencilla, el acetaldehído (o etanal). Es una reacción compleja,  catalizada por una enzima llamada piruvato descarboxilasa y necesita de magnesio y de un grupo prostético llamado tiamina pirofosfato (TPP) como cofactores.

glucólisis 5

Una vez producido el acetaldehído, este se somete a otra reacción, catalizada por una enzima llamada alcohol deshidrogenasa y utiliza como coenzima el NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) en medio ligeramente ácido. Este es un proceso redox, donde el NADH se oxida a NADy el acetaldehído se reduce etanol.

El proceso global de la glucólisis más la fermentación alcohólica es el siguiente:

Glucólisis global

Nótese que se producen dos moléculas de ATP por cada glucosa consumida, dos moléculas de etanol, dos de agua y dos de dióxido de carbono.

Conclusiones

tipos-de-cervezaEl proceso descrito aquí para la fermentación de la cerveza es el mismo para cualquier tipo de bebida alcohólica. El sabor diferente es característica de la fuente de azúcar con el que se alimente a las levaduras. El azúcar de la cebada genera cerveza (en realidad es el mosto, una mezcla de cebada, agua y lúpulo), el azúcar del arroz genera sake, el azúcar de caña generará cachaza, la uva produce vino, etcétera.

Uno puede pensar que si la Saccharomyces cerevisiae obtiene energía de la glucólisis, ¿para que quiere el paso metabólico de la fermentación alcohólica si estos pasos no le proporcionan energía?. La respuesta es bien sencilla, para regenerar el NAD+ que después se usará en el paso de conversión del gliceraldehído-3-fosfato a 1.3-bifosfoglicerato.

Hay mucha química en la producción de la cerveza, pero el etanol causa estragos en nuestro cuerpo. Así que beber con moderación, que en un artículo posterior voy a describir el problema, pero por ahora, eso es todo.

Fuente de datos

Piruvato_descarboxilasa en wikipedia

Glucolisis en wikipedia

Fermentación alcohólica

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