Les étapes biochimiques de la dégradation des sucres
Le moût de raisin contient en général entre 160 et 220 g/L de sucre dont les étapes biochimiques de dégradation aboutissant à la fermentation alcoolique sont détaillées dans ce qui suit :
a- La glycolyse
La glycolyse (cf figure I-3) se fait en aérobiose comme en anaérobiose et c’est donc le point de départ du métabolisme des sucres que ce soit par fermentation ou par respiration. La première étape est la phosphorylation du glucose grâce à la glucokinase en glucose-6-phosphate qui sera par la suite isomérisé en fructose-6-phosphate par l’intermédiaire de la fructose isomérase. Le fructose-6- phosphate est par la suite phosphorylé pour donner le fructose-1,6-bisphophosphate grâce à la phosphofructokinase. Il y a donc jusqu'à présent consommation de deux molécules d’ATP. Ensuite le fructose-1,6-bisphosphate se dissocie en deux molécules de triose qui se trouvent en équilibre entre elles, la dihydroxyacétone-phosphate (96,5 %) et le glycéraldéhyde-3-phosphate (3,5 %). Cette étape est assurée par une aldolase. Tout au long de la glycolyse, le dihydroxyacétone- phosphate est converti en glycéraldéhyde-3-phosphate grâce à la triose phosphate isomérase. Le
glycéraldéhyde-3-phosphate sera converti en acide-1,3-bisphosphoglycérique par la
phosphoglycéraldéhyde déshydrogénase. A ce niveau, il y a réduction d’une molécule de NAD+ en
NADH, H+ et formation de l’acide 3-phosphoglycérique ainsi que d’une molécule d’ATP par
intervention de la phosphoglycérate kinase. Puis il y a formation de l’acide 2-phosphoglycérique grâce à la phosphoglycérate mutase. Ensuite l’énolase par élimination d’une molécule d’eau, nous donne l’acide phosphoénolpyruvique qui comporte une liaison riche en énergie qui permet par réaction avec une molécule d’ADP et en présence de la pyruvate kinase la formation d’une molécule d’ATP et de l’acide pyruvique.
En parallèle à la dégradation du glucose, le fructose présent dans le moût de raisin subit une phosphorylation pour donner le fructose-6-phosphate qui va rejoindre la voie de la glycolyse.
La glycolyse amène à la formation de 4 molécules d’ATP, 2 molécules étant consommées pour la phosphorylation des sucres, il y a donc un gain de 2 molécules d’ATP par molécule de sucre
métabolisé. De plus on a la formation de deux molécules de NADH, H+ qui doivent subir une
par les complexes enzymatiques de la chaîne respiratoire localisée au niveau de la membrane interne des mitochondries. En anaérobiose, cette réoxydation s’effectue au cours de la réduction du pyruvate ou de l’un de ses produits de transformation.
En aérobiose (respiration), l’acide pyruvique est oxydé en eau et en CO2 ou en précurseurs pour les
réactions d’anabolisme grâce à l’activation du cycle de Krebs. En anaérobiose, le pyruvate ne peut pas être oxydé à cause du manque d’oxygène et se comporte donc comme accepteur des deux
atomes d’hydrogène provenant du NADH2. Si le pyruvate est directement réduit en acide lactique
on parlera alors de fermentation homolactique et si la réduction est précédée d’une décarboxylation en éthanal (acétaldéhyde) on aura alors une fermentation alcoolique.
Toutefois, si les deux atomes d’hydrogène du NADH2 sont utilisés autrement, le pyruvate ne sera
CH2OH CH2OP H O H ATP ADP H O H H OH OH H OH glucokinase OH OH H OH H OH H OH Glucose Glucose-6-Phosphate isomérase POCH2 O CH2OH H H OH OH OH H Fructose-6-P ATP phosphofructokinase ADP POCH2 O CH2OP H H OH OH H OH Fructose-1,6-bisphosphate aldolase O CH2OP C H
Dihydroxyacétonephosphate C=O CHOH Glycéraldéhyde-3-phosphate
(96,5 %) CH2OH triose-P-isomérase CH2OP (3,5 %) NAD+ Phosphoglycéraldéhyde déshydrogénase NADH,H+ O C OP CHOH CH2OP Acide 1,3-bisphosphoglycérique ADP ATP O O O O C OH ATP ADP C OH C OH C OH H2O
C O COP CHOP CHOH Pyruvate kinase énolase mutase
CH3 CH2 CH2OH CH2OP
Ac pyruvique Ac phosphoénolpyruvique Ac. 2-phosphoglycérique Ac. 3-phosphoglycérique
b- La fermentation alcoolique
Dans le cas de la fermentation alcoolique, l’acide pyruvique produit à la fin de la glycolyse est
décarboxylé en éthanal (acétaldéhyde) qui est réduit en éthanol grâce au NADH, H+ formé au cours
de l’oxydation du glycéraldéhyde-3-phosphate. Ces deux réactions sont couplées et constituent un mécanisme d’oxydoréduction.
(i) CH3COCOOH CH3CHO + CO2
(ii) CH3CHO CH3CH2OH
La réaction (i) est assurée par la pyruvate décarboxylase alors que la réaction (ii) est assurée par l’alcool déshydrogénase.
La réaction suivante de Gay-Lussac résume ainsi la transformation du sucre en éthanol :
C6H12O6 2 CO2 + 2CH3CH2OH + 33 KCal
Le pyruvate est à l’origine d’une série de produits secondaires et donc la diversité des produits de fermentation vient de la diversité des réactions de transformation du pyruvate. Ces substances produites par des voies métaboliques différentes joueront un rôle très important sur la qualité du vin produit (glycérol, acétaldéhyde, acides organiques, alcools supérieurs, esters….). Parmi ces produits, nous allons présenter la voie de production du glycérol et de l’acide acétique qui ont été dosés au cours de nos expériences.
c- La fermentation glycéropyruvique (figure I-4)
Dans des milieux fortement sulfités, l’acétaldéhyde combiné au sulfite ne peut pas être réduit en éthanol et la dégradation des sucres passe par la fermentation glycéropyruvique. Egalement, au début de la fermentation du moût de raisin, lorsque l’inoculum est constitué par des levures développées en présence d’oxygène, la pyruvate décarboxylase et l’alcool déshydrogénase sont faiblement exprimées. Par conséquent, l’accumulation de l’éthanal est limitée. L’éthanal n’est pas
Pyruvate décarboxylase Pyruvate Éthanal Éthanal Éthanol Alcool déshydrogénase NADH, H+ NAD+ 100 g 48, 66 g 51, 34 g
(1) pyruvate décarboxylase (2) alcool déshydrogénase (3) pyruvate déshydrogénase (4) aldéhyde déshydrogénase (5) acétyl CoA hydrolase (6) acétyl-CoA synthétase
se poursuive, il faut que le NADH2 se réoxyde d’une façon différente. En fait c’est le
dihydroxyacétone-phosphate qui permet cette régénération. Il va prendre l’hydrogène du NADH2 et
devient glycérophosphate puis glycérol et l’acide phosphorique généré est repris par l’ADP pour former de l’ATP. Dans cette voie il y a donc compétition entre les deux accepteurs d’hydrogène, l’éthanal et le dihydroxyacétone-phosphate. Le premier est plus facilement réduit ce qui conduit à une prédominance de l’éthanol. Généralement 8 % des sucres suivent la fermentation glycéropyruvique et 92 % la fermentation alcoolique.
Glycéraldéhyde-3-P + H2O ac. 3-phosphoglycérique Pyruvate
NAD+ NADH2
+ NADH2 NAD+ H2O H3PO4
Dihydroxyacétone-P Glycérophosphate Glycérol ADP ATP
Figure I-4. Schéma de la fermentation glycéropyruvique
d- Formation d’acide acétique (figure I-5)
L’acide pyruvique peut conduire à la formation de l’acide acétique selon des voies différentes. La première est l’hydrolyse de l’acétyl-CoA issu de la décarboxylation oxydative de l’acide pyruvique par le complexe de la pyruvate déshydrogénase, mais cette réaction qui se déroule dans les mitochondries est limitée en anaérobiose. La deuxième est l’oxydation de l’acétaldéhyde par
l’aldéhyde déshydrogénase dont le cofacteur est le NADP+ et qui est très active pendant la
fermentation alcoolique. Cette voie sert à former de l’acétyl Co-A grâce à l’acétyl CoA synthétase, lorsque la pyruvate déshydrogénase est réprimée.
Ethanol NAD+ (2)
NADH,H+ NADP+ (4) NADPH,H+
Acétaldéhyde + CO2 Acétate + CoA-SH
(1) (6) (5)
NADP+ (3) NADPH, H+
Pyruvate Acétyl-CoA
CoA-SH CO2
Figure I-5. Schéma de la production d’acide acétique
Produits secondaires