Fermentación

Pregunta esencial

¿Cómo obtienen energía las células cuando no hay oxígeno?

Corre a toda velocidad y a tus músculos les empieza a faltar oxígeno. La masa del pan crece y el yogur se espesa sin nada de oxígeno. En esta lección verás cómo siguen produciendo ATP las células sin oxígeno, qué producen en su lugar y por qué obtienen mucha menos energía que con la respiración aeróbica.

¿Qué pasa sin oxígeno?

• Con O₂: respiración aeróbica, cerca de 30 ATP
• Sin O₂: glucólisis y luego fermentación
• La fermentación no produce más ATP, pero deja que la glucólisis continúe
• Total: solo 2 ATP por glucosa

Sin oxígeno, la cadena de transporte de electrones se detiene, y también el resto de la respiración aeróbica (Lección 8.5). La glucólisis no necesita oxígeno, así que puede continuar y producir 2 ATP por glucosa. Pero la glucólisis necesita un suministro constante de NAD⁺. La fermentación es el paso extra que recicla el NADH y lo convierte de nuevo en NAD⁺, para que la glucólisis pueda continuar. La fermentación no produce más ATP por sí misma. Ocurre en el citoplasma y se llama anaeróbica porque no usa oxígeno.

Fermentación láctica

• Dónde: citoplasma
• Reactivo: piruvato de la glucólisis
• Producto: ácido láctico; no hay CO₂
• Células musculares y bacterias que se usan para el yogur

En la fermentación láctica, el piruvato se convierte en ácido láctico. Tus células musculares la realizan durante el ejercicio intenso, cuando el oxígeno no les llega con la rapidez suficiente, y el ácido láctico se acumula y hace que los músculos se cansen. Cuando vuelve a haber oxígeno, el ácido láctico se puede convertir de nuevo en otras moléculas y usarse. Algunas bacterias tienen la fermentación láctica como su forma principal de obtener energía. Las personas las usan para hacer yogur, queso y chucrut. La fermentación láctica no libera CO₂.

Fermentación alcohólica

• Dónde: citoplasma
• Reactivo: piruvato de la glucólisis
• Productos: etanol y CO₂
• Levadura: pan, cerveza y biocombustible

La fermentación alcohólica la realizan las levaduras y algunas bacterias. Cada piruvato pierde un CO₂ y se convierte en etanol, el alcohol de la cerveza y el vino. El CO₂ hace que la masa del pan crezca, y produce las burbujas de la cerveza y de las bebidas gasificadas. El etanol también se puede usar como combustible. La fermentación alcohólica produce los mismos 2 ATP por glucosa que la fermentación láctica, porque el ATP viene solo de la glucólisis.

¿Cuánto ATP produce la fermentación?

• Respiración aeróbica: cerca de 30 ATP por glucosa
• Fermentación: 2 ATP por glucosa
• La aeróbica da cerca de 15 veces más
• Las células que fermentan usan mucha más glucosa

La fermentación es mucho menos eficiente que la respiración aeróbica: 2 ATP en comparación con cerca de 30 por glucosa, unas 15 veces menos. La mayor parte de la energía de la glucosa sigue en el etanol o en el ácido láctico, que no se descomponen más. Una célula que depende de la fermentación tiene que usar mucha más glucosa para producir la misma cantidad de ATP. Por eso las levaduras fermentan rápido en una solución azucarada, y por eso los músculos solo pueden correr a toda velocidad con fermentación durante poco tiempo.

Evidencia: levadura y azúcar

• La levadura produce CO₂ cuando fermenta azúcar
• Más azúcar: más CO₂, al principio
• La gráfica se nivela en una meseta
• Entonces otro factor limita la velocidad

Puedes medir la fermentación recogiendo el CO₂ que produce la levadura. En los datos de muestra, el CO₂ producido en 10 minutos sube de 0 mL sin azúcar a 28 mL con 8% de azúcar. Después se nivela en 29 mL, y se produce la misma cantidad con 10% y con 12% de azúcar. Como en la Lección 8.3, una meseta significa que algo distinto del factor que se está cambiando, como el número de células de levadura o la temperatura, pasó a ser el factor limitante.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Comparar la producción de ATP

Compara la respiración aeróbica (cerca de 30 ATP por glucosa) con la fermentación (2 ATP por glucosa). (a) ¿Cuántos ATP produce cada una con 6 glucosas? (b) ¿Cuántas veces más es eso? (c) ¿Cuántas glucosas necesita cada una para producir 60 ATP?

Mostrar la solución

1. (a) 6 glucosas: aeróbica: 6 × 30 = 180 ATP. Fermentación: 6 × 2 = 12 ATP.
2. (b) Compara: 180 ÷ 12 = 15 veces más
3. (c) Para 60 ATP: fermentación: 60 ÷ 2 = 30 glucosas. Aeróbica: 60 ÷ 30 = 2 glucosas.
4. Significado: una célula que fermenta necesita cerca de 15 veces más glucosa para el mismo ATP.
5. Respuesta: 180 y 12 ATP, 15 veces más. Para 60 ATP: 30 glucosas con fermentación, 2 con respiración aeróbica.

Ejemplo 2: Levadura y concentración de azúcar

Usa los datos de la levadura. (a) ¿Cuánto más CO₂ se produce con 4% de azúcar que con 2% de azúcar? (b) ¿Qué pasa por encima de 10% de azúcar? (c) Escribe una afirmación sobre la meseta, con evidencia y razonamiento.

Mostrar la solución

1. (a) Lee la gráfica: 17 mL con 4% y 9 mL con 2%, así que 17 − 9 = 8 mL más.
2. (b) Por encima de 10%: el CO₂ se mantiene en 29 mL tanto con 10% como con 12% de azúcar.
3. (c) Afirmación: por encima de cerca de 10% de azúcar, el azúcar ya no es el factor limitante.
4. Evidencia: subir el azúcar de 10% a 12% no cambió el CO₂ (29 mL las dos veces), mientras que subirlo de 2% a 4% agregó 8 mL.
5. Razonamiento: la levadura ya tiene todo el azúcar que puede usar, así que otro factor, como el número de células de levadura o la temperatura, limita la velocidad.
6. Respuesta: 8 mL más. Por encima de 10% de azúcar la velocidad se nivela en 29 mL, así que otro factor es limitante.

Ejemplo 3: Sigue al carbono en la fermentación

Usa el modelo. La glucólisis convierte la glucosa (6 C) en 2 piruvato (3 C cada uno). En la fermentación alcohólica, cada piruvato se convierte en etanol (2 C) y CO₂ (1 C). En la fermentación láctica, cada piruvato se convierte en ácido láctico (3 C). (a) Contabiliza los 6 carbonos en cada tipo de fermentación. (b) ¿Cuál tipo libera CO₂?

Tipo de fermentación	Productos de 1 glucosa	Carbonos
Alcohólica	2 etanol + 2 CO2	?
Láctica	2 ácido láctico	?

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1. (a) Alcohólica: 2 etanol × 2 C = 4 C, más 2 CO₂ × 1 C = 2 C. Total: 4 + 2 = 6 C.
2. Láctica: 2 ácido láctico × 3 C = 6 C. No hay otro producto, así que el total = 6 C.
3. Comprobación: los dos suman los 6 carbonos de la glucosa, así que el carbono se conserva.
4. (b) CO₂: solo la fermentación alcohólica. Por eso la levadura hace crecer la masa y los músculos no liberan CO₂ cuando fermentan.
5. Respuesta: Los dos suman 6 C. Solo la fermentación alcohólica libera CO₂.

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Práctica

Rotula un modelo de la fermentación, compara el ATP que se produce con oxígeno y sin oxígeno, y usa datos de levadura para hallar un factor limitante. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.

• Hoja de práctica: Fermentación (PDF) (en inglés)
• Clave de respuestas: Fermentación (PDF) (en inglés)

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas 8.6: Fermentación (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Sin O₂: la glucólisis continúa, con fermentación
• Fermentación: ácido láctico o etanol + CO₂
• La fermentación deja que la glucólisis continúe, pero no agrega ATP
• Solo 2 ATP por glucosa, cerca de 15 veces menos que la aeróbica
• Los dos tipos ocurren en el citoplasma

De vuelta a la pregunta esencial: cuando falta oxígeno, la cadena de transporte de electrones se detiene, pero las células todavía pueden producir 2 ATP por glucosa mediante la glucólisis, y la fermentación recicla el NADH para que la glucólisis pueda continuar. Las células musculares y algunas bacterias producen ácido láctico, y las levaduras producen etanol y CO₂. La fermentación produce cerca de 15 veces menos ATP que la respiración aeróbica. A continuación juntarás la fotosíntesis y la respiración.

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