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La fermentation est un processus métabolique convertissant généralement des glucides en acides, en gaz ou en alcools pour en extraire une partie de l'énergie chimique tout en ré-oxydant les coenzymes réduites par ces réactions. Il s'agit d'une voie métabolique d'oxydoréduction dans laquelle l'accepteur ultime d'électrons est souvent confondu avec le produit final des réactions. Elle se caractérise par une dégradation partielle de la substance fermentescible et ne permet qu'une production d'énergie limitée. Elle a lieu chez des levures et des bactéries, ainsi que dans les cellules musculaires manquant d'oxygène, c'est-à-dire en conditions anaérobies. Sa caractérisation au XIXe siècle contribua à la découverte des enzymes. Louis Pasteur estimait ainsi que des ferments étaient responsables de la fermentation alcoolique chez la levure.
Plus précisément, la fermentation est un mode de respiration cellulaire mettant en œuvre un système de transfert d'électrons reposant sur des petites molécules solubles du cytosol — souvent des acides organiques ou leurs dérivés — et non sur une chaîne respiratoire membranaire. Sa production d'ATP se fait souvent par phosphorylation au niveau du substrat, contrairement à celle de la phosphorylation oxydative, et est très sensiblement inférieure à cette dernière. La production d'ATP par fermentation est en revanche plus rapide que par phosphorylation oxydative car elle se déroule dans le compartiment cellulaire où l'ATP est consommé, sans nécessiter de passer par une translocase ATP/ADP.
La première étape commune à tous les modes de fermentation est la glycolyse, convertissant (oxydant) une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate avec phosphorylation de deux molécules d'ADP en ATP (Pi désigne ici le phosphate inorganique) et réduction de deux molécules de NAD+ (l'oxydant) en NADH :
L'ATP est utilisé par les processus cellulaires qui requièrent de l'énergie, tels que les biosynthèses, le transport actif à travers les membranes, ou encore la motilité des cellules. En revanche, le NADH doit être ré-oxydé en NAD+ pour permettre au métabolisme cellulaire de se poursuivre. La fermentation a pour fonction première d'assurer cette ré-oxydation, en transférant les électrons du NADH vers un accepteur d'électrons qui est ensuite éliminé de la cellule. Au cours de la fermentation lactique, par exemple, l'accepteur d'électrons est le pyruvate lui-même, qui est alors réduit en lactate : c'est ce qui se produit dans les muscles lors d'un effort physique intense, qui dépasse les capacités d'oxygénation cellulaires et fait fonctionner la glycolyse du cytosol bien plus rapidement que la chaîne respiratoire des mitochondries.