Fermentazione lattica
La fermentazione lattica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di ossigeno. Consiste nella trasformazione di una molecola di glucosio (o di un altro zucchero fermentabile) in due molecole di acido piruvico che vengono successivamente ridotte ad acido lattico con una bassa resa energetica. Questa via metabolica prende il nome dal principale prodotto finale ma viene detta anche omolattica per distinguerla da quella eterolattica che utilizza un meccanismo diverso.
La fermentazione lattica si incontra principalmente nei lattobacilli e nel metabolismo anaerobico di alcuni tessuti (muscolo) degli organismi pluricellulari.
La fermentazione lattica svolta dai lattobacilli è presente nella vagina e nel tratto gastrointestinale umano in cui assume un ruolo tanto importante da spingere alcuni a considerare i lattobacilli dei probiotici.
La fermentazione lattica è causa della carie dentaria.
La fermentazione lattica è coinvolta nella preparazione di numerosi alimenti tra cui ricordiamo lo yogurt, il kefir, i capperi ed i crauti.
Biochimica
La fermentazione lattica prende le risorse dall'acido piruvico, prodotto terminale della glicolisi. Normalmente la Glicolisi, accanto a due molecole di acido piruvico, produce 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio degradata (Ricordiamo però che durante la prima tappa consuma 2 ATP dando quindi un guadagno netto di 2 ATP e 2 NADH). In condizioni aerobiche, il piruvato viene decarbossilato per entrare nel Ciclo di Krebs. In condizioni anaerobiche, invece, questa reazione non può avvenire e la cellula resta con un eccesso di NADH che impedisce l'ulteriore svolgimento della glicolisi.
- CH3 CO COO- + (NADH + H+) → CH3 HCOH COO- + NAD+
- (Piruvato + NADH2 → Lattato + NAD)
La riduzione del piruvato a lattato permette la rigenerazione del NAD+ e lo svolgimento ulteriore della glicolisi con il suo moderato rendimento energetico (2 ATP per molecola di glucosio).
Considerazioni energetiche
Dal punto di vista chimico, la fermentazione lattica, come tutte le fermentazioni, è una dismutazione. Questo vuol dire che il numero di ossidazione medio della molecola non cambia. In effetti, la limitata resa energetica deriva dal fatto che il carbonio carbossilico del lattato è stato ossidato a spese del carbonio metilico che è stato ridotto.
Confrontiamo il rendimento della fermentazione e della respirazione di una mole di glucosio:
| metabolismo | ATP | ΔG (Kj) |
|---|---|---|
| Glucosio -> lattato | 2 | 242 |
| Glucosio -> CO2 + H2O | 38 | 2878 |
La limitata resa energetica implica che grosse quantità di substrato (glucosio o altri zuccheri fermentabili) devono essere trasformate in acido lattico per avere la quantità di energia necessaria. Le grandi quantità di acido lattico accumulate possono portare a fenomeni di avvelentamento da prodotto finale o di autolimitazione dello sviluppo di popolazioni batteriche in un mezzo di crescita chiuso.
Il fatto che la fermentazione lattica abbia una bassa resa energetica implica anche che il prodotto finale (acido lattico) abbia un notevole contenuto energetico e che possa essere utilizzato per ulteriori metabolismi.
Il ruolo del lattato nel metabolismo
Per il tessuto muscolare, la fermentazione lattica è un' importante via metabolica. Dalle cellule di questo tessuto, il lattato diffonde fuori, nel sangue. Il lattato in eccesso nel torrente sanguigno è catturato dalle cellule epatiche dove viene ossidato di nuovo a piruvato ad opera della lattato deidrogenasi e quindi può essere:
- metabolizzato nella via gluconeogenica. In questo modo si dà vita al Ciclo di Cori.
- utilizzato per formare alanina con una reazione di amminazione
- decarbossilato per dare Acetil CoA
L' Acetil CoA, a sua volta, entra nel ciclo dell'acido citrico, nella biosintesi degli acidi grassi e nella formazione dei corpi chetonici e del colesterolo.
Aspetti regolativi
Nei mammiferi lo stesso enzima, la lattato deidrogenasi (LDH), catalizza sia la riduzione del piruvato ad acido lattico che la ossidazione dell'acido lattico a piruvato.
La modulazione delle due reazioni viene ottenuta grazie alla presenza di due differenti tipi di subunità della LDH, la subunità M e la H, che insieme formano cinque isozimi tetramerici: M4, M3H, M2H2, MH3 e H4. Sebbene queste forme ibride siano presenti nella maggior parte dei tessuti, le subunità H predominano nei tessuti aerobici come il muscolo cardiaco, mentre le subunità M nei tessuti che sono soggetti a condizioni anaerobiche quali il muscolo scheletrico e il fegato. La LDH H4 ha un basso valore di Km per il piruvato ed è inibita allostericamente da alti livelli di questo metabolita, mentre l'isozima M4 ha un alto valore di Km per il piruvato e non viene da esso inibita. Gli altri isoenzimi hanno proprietà intermedie che variano con il rapporto dei due tipi di subunità.
È stato quindi proposto, sebbene non senza disaccordo, che la LDH di tipo H è meglio adatta a catalizzare l'ossidazione del lattato a piruvato, mentre la LDH di tipo M è meglio adatta a catalizzare la reazione inversa.
Se i livelli di glicemia sono elevati il fegato capta glucosio dal sangue e lo accumula sotto forma di glicogeno, altrimenti scinde il glicogeno ad opera dell'enzima glucosio-6 fosfatasi e espelle glucosio nel sangue. Questo passaggio ciclico di glucosio dal fegato al muscolo e di lattato dal muscolo al fegato è detto Ciclo di Cori.
Infine, la fosfofruttochinasi (PFK, l'enzima che catalizza la terza reazione della Glicolisi) è inibita da un pH basso e questo previene la eccessiva formazione di lattato in eccesso che produrrebbe acidosi lattica.
Bibliografia
- Dulbecco et al. Microbiology. New York, Harper & Row, 1973. 06-140683-x.
- Stanier; Doudoroff; Adelberg. Il mondo dei microrganismi. Bologna, Zanichelli, 1977.
- A. Lehninger. Biochimica. Bologna, Zanichelli, 1975.
