Fermentazione Lattica

Le molecole di NADH che si formano durante il processo glicolitico vengono riossidate, in assenza di O2, nella FERMENTAZIONE LATTICA.
Catalizzata dalla lattato deidrogenasi, una molecola di piruvato viene ridotta a lattato e il NADH si ossida a NAD+, il processo glicolitico può così continuare. Ciò avviene sia nell’organismo umano, sia nei microrganismi, i quali sono anche in grado di attuare la fermentazione alcolica (con il medesimo scopo), non permessa all’uomo.

In presenza di O2, invece, il piruvato è decarbossilato ad acetil-CoA dal complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi. L’acetil-CoA entra nel mitocondrio e i coenzimi qui prodotti vanno a riossidarsi a livello della catena respiratoria, riducendo l’O2 ad H2O, con sintesi di ATP (fosforilazione ossidativa).

Per ogni molecola di glucosio:

2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ → 2 L-lattato + 2 NAD+

∆G = -25,1 Kj/mol

La fermentazione lattica è un processo favorito verso la formazione di L-lattato, reversibile e catalizzato dalla lattato deidrogenasi. Scopo di questo processo è quello di riossidare il NADH in condizioni di anaerobiosi. Il lattato è prodotto in tutte le cellule in anaerobiosi e in tutte le cellule che non possiedono mitocondri. Queste, infatti, riescono comunque ad attuare la glicolisi e a produrre piruvato. Permette di ottenere una maggior quantità di ATP rispetto a quella ottenuta solo dalla glicolisi aerobia, infatti in caso di sforzo muscolare questa via viene attivata indipendentemente dall’O2 a disposizione: all’inizio dello sforzo avremo sia glicolisi aerobia, sia fermentazione lattica. Man mano che lo sforzo continua l’O2 disponibile diminuisce (anche a causa dello schiacciamento dei vasi dovuto alla contrazione muscolare) e quindi si ha solo glicolisi anaerobia (fermentazione lattica). La mobilizzazione del glicogeno muscolare, infatti, viene descritta come un evento esplosivo: produce enormi quantità di glucosio per la contrazione e quindi enormi quantità di NADH, per la riossidazione del quale non c’è abbastanza O2.

Le due molecole di lattato (come le due molecole di piruvato) contengono ancora il 95% dell’energia contenuta della molecola di glucosio di partenza. Il lattato è un prodotto di scarto delle cellule che viene rilasciato nel circolo sanguigno grazie al quale arriva al fegato. Gli epatociti contengono la lattato deidrogenasi epatica che catalizza la reazione inversa a quella precedentemente vista.

2 L-lattato + 2 NAD+ → 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+.

Il piruvato entrerà così nella gluconeogenesi, il glucosio prodotto grazie a questa reazione verrà poi liberato nel circolo sanguigno e potrà raggiungere le cellule dell’organismo.

 

FERMENTAZIONE

Il lattato è un prodotto di scarto dei muscoli che viene rilasciato nel sangue con cui raggiunge il fegato. Pur essendo scartato dai muscoli, il lattato conserva ancora la maggior parte dell’energia del glucosio da cui deriva (le due molecole di lattato, che sono il prodotto finale della glicolisi anaerobia, hanno mantenuto oltre il 95 % dell’energia contenuta nella molecola di glucosio). L’organismo usa il lattato per sintetizzare glucosio con quelle tappe comuni al processo gluconeosintetico, percorrendo a ritroso le tappe reversibili della glicolisi ed aggirando quelle irreversibili (ovvero quelle catalizzate da cinasi: la fosforilazione del glucosio, quella del fruttosio e l’ultima tappa catalizzata da quell’enzima chiamato impropriamente piruvato cinasi).

I più importanti precursori del glucosio che partecipano alla gluconeogenesi sono gli aminoacidi ed in particolar modo l’alanina che nella prima tappa viene trasformata in piruvato. Ricordiamo che alanina e piruvato sono in equilibrio tra loro nel processo di deaminasi che consiste nel trasferimento di un gruppo aminico dell’alanina ad una molecola di α-chetoglutarrato con produzione di piruvato e glutammato.

La quantità di lattato prodotta nel muscolo dipende da quanto questo è allenato. In ogni caso, se il muscolo è sottoposto ad uno sforzo eccessivo che richiede un grande consumo di lavoro, oltre all’ossidazione con O2 del carburante energetico in acqua ed anidride carbonica, viene attivata anche la glicolisi anaerobia (come la fermentazione lattica, un processo che avviene in molte cellule anche dell’uomo). Si accumula lattato mentre continua la glicolisi, aumenta l’intensità della respirazione e il riposo ripaga quello che viene chiamato debito di ossigeno. Nella fase di lavoro si usa il lattato per via anaerobia perché non c’è abbastanza energia che deriva dalla glicolisi anaerobia usando le riserve di glicogeno epatico. Infatti, data la scarsa quantità di ossigeno presente nelle cellule non tutto il piruvato ed il NADH formatisi possono procedere nelle tappe della fosforilazione ossidativa. Una condizione di ipossia che risulta ancor più aggravata se si considera che una contrazione muscolare eccessiva è inoltre responsabile della diminuita fornitura di ossigeno ai tessuti a causa della compressione dei vasi sanguigni. Per ripagare il debito di O2 al termine dello sforzo il lattato viene ossidato in piruvato che riprende il destino della fosforilazione ossidativa, e viene attivata la glicogenosintesi se il livello di glicogeno epatico è basso usando quel glucosio formatosi nella gluconeogenesi. Tutto ciò è favorito dal ritmo intenso della respirazione che prosegue anche al termine dello sforzo.

Il piruvato può essere usato per la riossidazione del NADH che si è ridotto nella glicolisi. La fermentazione lattica assicura produzione di energia senza variazione dello stato di ossidazione dei prodotti rispetto ai substrati (ma quest’ultimo concetto è ancora da definire).

 

Fermentazione alcolica

Esistono diversi tipi di fermentazione comuni alla maggior parte degli organismi e che hanno la funzione di recuperare il NAD+, accettore di equivalenti riducenti, necessario per compiere nuovi cicli glicolitici. La fermentazione alcolica viene compiuta da alcuni microorganismi (Saccaromices cerevisiae), non presenti nel lume intestinale dell’uomo. La fermentazione alcolica avviene in due tappe:

  1. Decarbossilazione in ambiente acido del piruvato ad acetaldeide
  2. Riduzione dell’acetaldeide ad etanolo

La reazione è termodinamicamente favorita avendo un ΔG = -25kJ/mol.Il secondo passaggio richiede la presenza di NADH(+ H+) formatosi nel corso della glicolisi e precisamente nella tappa dell’ossidazione della 3-fosfogliceraldeide.

La piruvato decarbossilasi è un enzima assente nel nostro organismo, che usa invece una piruvato deidrogenasi NAD dipendente. L’alcol deidrogenasi catalizza una reazione che è evidentemente reversibile ed è un presente in molte cellule umane. Serve per avviare il metabolismo dell’etanolo nel fegato (quasi tutto quello che ingeriamo finisce nel fegato). L’acetaldeide viene trasformata in acetato ad opera di una acetaldeide deidrogenasi NAD dipendente. L’acetato a sua volta viene convertito ad AcetilCoA per mezzo di una tiocinasi. AcetilCoA è il prodotto del piruvato quando il piruvato entra nella respirazione cellulare. Possiamo allora dire che l’etanolo sia un carburante che può essere usato per la sintesi di nuovo ATP.

Gran parte dell’ATP delle cellule deriva dall’ossidazione dell’acetile montato sulla molecola di AcetilCoA. Non è importante quale sia la via metabolica che porta all’Aceti CoA: l’essenziale è averlo a disposizione per innescare la respirazione cellulare.

In realtà il metabolismo dell’etanolo nel fegato è scarsamente efficiente ed è oltretutto svantaggioso per la formazione dell’intermedio acetaldeide, una sostanza tossica che attacca le proteine denaturandole.

La fermentazione alcolica è quel processo che causa il rigonfiamento del pane (dovuta ad una liberazione di CO2) e che sviluppa anche etanolo (ma questo non si avverte perché evapora con la cottura).

 

Regolazione della glicolisi

La regolazione della glicolisi può essere genica, allosterica e covalente. Abbiamo visto nella lezione scorsa che la regolazione genica riguarda gli ormoni secreti e la funzionalità delle esocinasi.

La regolazione covalente si esprime attraverso meccanismi di fosforilazione e defosforilazione (la fosforilazione è catalizzata dalle cinasi). Questo tipo di regolazione è reversibile e la reversibilità è assicurata da altri enzimi, le fosfatasi, che idrolizzano legami fosfoesterei. La fosforilazione di una proteina può o meno renderla attiva, detto altrimenti può anche disattivarla. Dipende dalla proteina (ma potremmo anche chiamarle fosfoproteine).

Il controllo delle funzioni dipende dagli ormoni. Nella fattispecie la fosforilazione appartiene al dominio del glucagone che catalizza quello che serve come intermedio del segnale di ipoglicemia (e la fosforilazione può attivare o disattivare un enzima). Il glucagone è un ormone peptidico sintetizzato dalle cellule α delle isole pancreatiche di Langherans, costituito da 29 aminoacidi a singola catena, in risposta a segnali di ipoglicemia per trasmettere un’informazione a quegli operatori che mobilizzano glicogeno in modo da avere glucosio da mandare in circolo. L’insulina, invece, inibisce la fosforilazione, o meglio tende a defosforilare, catalizzando l’azione delle fosfatasi.

 

Regolazione covalente della piruvato cinasi

L’ATP, l’acetilCoA (se si accumula non c’è consumo di carburante), gli acidi grassi a lunga catena (che catabolizziamo, anche questo segnale di alto carico energetico), l’alanina e il citrato sono molecole che inibiscono l’azione della piruvatocinasi in tutti i tessuti. Negli epatociti, oltre a quelli citati c’è una regolazione covalente che consiste nella fosforilazione e defosforilazione della piruvato cinasi. Nella forma defosforilata l’enzima è più attivo. L’insulina infatti favorisce la glicolisi epatica smaltendo quel glucosio che noi introduciamo con la dieta.

Il fegato usa per lo più acidi grassi come riserva energetica. L’insulina può favorire anche la glicogenosintesi e la glicolisi perché quel piruvato che si forma con la glicolisi, che dà luogo ad acetilCoA, viene convertito ad acidi grassi, i quali hanno un contenuto energetico che è circa il doppio di quello del glucosio. L’energia contenuta nei triacilgliceridi e negli acidi grassi è relativamente più leggera.