Fermentazione lattica

Un'altra glicolisi anaerobica è la fermentazione lattica, processo metabolico anaerobico di cui si servono molti microrganismi per ricavare energia dai carboidrati, producendo come sottoprodotto l'acido lattico, ossiacido in grado di inibire molti batteri patogeni e il quale è alla base di ogni bevanda fermentata acida.

C6H12O6 => 2C3H6O3 (+ energia)

Le specie che si servono di questa fermentazione sono soprattutto i batteri lattici (LAB), batteri anaerobici aerotolleranti dell'ordine dei lactobacillales, al quale appartengono i generi dei lactobacillus, dei leuconostoc, degli oenococcus e dei pedioococcus. Degno di nota è anche lo streptococcus thermophilus che insieme al l. delbrueckii subsp. bulgaricus, viene utilizzato nell'industria casearia per la produzione di yogurt.

Fermentazione omolattica

Per fermentazione lattica in senso stretto si intende quella omolattica, nella quale viene prodotto solo acido lattico. I lattobacilli che utilizzano questa via metabolica sono chiamati omofermentativi obbligati e sono i seguenti: l. acidophilus, l. delbrueckii, l. helveticus, l. malis, l. salivarius e s. thermophilus.

Alla base di questa fermentazione vi è la glicolisi, processo di scissione dei carboidrati in piruvato, la cui reazione è stata riassunta sottostante.

Glucosio + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi => 2Piruvato + 2NADH-H+ + 2ATP + 2H2O

Ma essendo la fermentazione anaerobica, di conseguenza avviene in assenza di ossigeno, come agente riducente del NADH-H+ si utilizza lo stesso piruvato prodotto dalla glicolisi, che viene convertito in lattato, come nell'immagine sopra [3].

Piruvato + NADH-H+ => Lattato + NAD+

Quindi l'intera fermentazione può essere riassunto nel seguente modo:

Glucosio + 2ADP + 2Pi => 2Lattato + 2ATP + 2H2O

Questa fermentazione è molto simile a quella alcolica dei lieviti, dove l'unica differenza sta nei prodotti. Esse vengono raggruppate nel percorso di Embden-Meyerhof, illustrata nell'immagine sottostante [5].

Fermentazione eterolattica

La maggior parte dei lattobacilli, però, quando fermenta non produce solo esclusivamente acido lattico, ma può produrre etanolo, acido acetico, acido formico e tutta una serie di sottoprodotti. Oltre a ciò sono in grado di fermentare sia gli esosi (glucosio, galattosio e fruttosio) che i pentosi (ribosio e xilosio).

Essendo la fermentazione mista, si parla di fermentazione eterolattica, la quale viene utilizzata da due gruppi di lattobacilli: gli eterofermentanti facoltativi, i quali se il substrato di cui si alimentano è ricco di zuccheri, fermentano omolatticamente, altrimenti in carenza di questi tendono a fermentare eterolatticamente, i lattobacilli appartenenti a questo gruppo sono i seguenti: l. casei, l. curvatus, l. paracasei, l. pentosus, l. plantarum, l. sakei; l'altro gruppo di lattobacilli sono gli eterofermentanti obbligati, che danno come prodotto di fermentazione esclusivamente acido lattico, etanolo e/o acido acetico, ad appartenere a questo gruppo sono i seguenti lattobacilli: l. brevis, l. buchneri, l. collinoides, l. fermentum, l. fructivorans, l. hilgardii, l. reuteri.

Il motivo per il quale questi batteri fermentando, producono oltre al lattato anche l'etanolo, risiede nella loro flessibilità di fermentare anche i pentosi. Infatti, nella scissione dei carboidrati non seguono la glicolisi, ma utilizzano la via dei pentosi fosfati unita alla fosfochetolasi

Infatti, una volta formato lo xilulosio-5-fosfato esso viene scisso dalla fosfochetolasi in gliceraldeide-3-fosfato e in acetil-fosfato, che andranno a formare rispettivamente lattato ed etanolo, come nell'immagine sottostante [4].

Viene utilizzata questa via metabolica, poiché gli eterofermentanti obbligatori non hanno l'enzima aldolasi che nella glicolisi scinde il fruttosio-1,6-difosfato in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiaceto fosfato. Mentre gli eterofermentanti facoltativi utilizzano normalmente la glicolisi e la via dei pentosi fosfati solo in determinati casi. 

• Glucosio + ATP + 2NAD+ + Pi => 

Gliceraldeide-3-fosfato + Acetil-fosfato + ADP + 2NADH-H+ + CO2

• Acetil-fosfato + 2NADH-H+ => Etanolo + 2NAD+ + Pi
• Gliceraldeide-3-fosfato + 2ADP + Pi => Lattato + 2ATP + H2O

Osservando sopra, la reazione di fermentazione eterolattica, convoglia gli NADH-H+ dalla via dei pentosi fosfati per ossidare l'acetil-fosfato e produrre etanolo, mentre quello derivato dalla conversione di gliceraldeide-3-fosfato in piruvato per ossidare questo e produrre lattato. Tutto ciò, partendo dal glucosio, si può riassumere nel seguente modo:

Glucosio + ADP + Pi => Lattato + Etanolo + CO2 + ATP + H2O

Mentre partendo dai pentosi come il ribosio, si ha:

Ribosio + ADP + Pi => Lattato + Etanolo + ATP + H2O

A conti fanti questo tipo di fermentazione dal punto di visto energetico rende pochissimo, una sola molecola di ATP per molecola di glucosio o ribosio. Ma il suo svantaggio è compensato con la possibilità di fermentare pentosi ed avere accesso a fonti energetiche diverse dagli esosi standard.

Fermentazione lattica bifidobatteri

I batteri appartenenti al genere bifidobacterium, fermentano i carboidrati eterolatticamente utilizzando una via di fosfatazione particolare, che produce acido acetico ed acido lattico, come nell'immagine sottostante [1].

Il processo vede due molecole di glucosio, le quali vendono convertite in due di fruttosio-6-fosfato come nella glicolisi, successivamente una di queste viene scomposta in acetil-fosfato ed eritrosio-4-fosfato, il quale viene addizionato all'altra molecola di fruttosio-6-fosfato e scomposta in triosio-fosfato ed eptosio-fosfato. Infine, queste serviranno a produrre due molecole di acetil-fosfato e due di gliceraldeide-3-fosfato.

2Glucosio + 2ATP + 3Pi => 3Acetil-fosfato + 2Gliceraldeide-3-fosfato + 2ADP

Il destino dell'acetaldeide-fosfato è quello di diventare acetato, mentre quello del gliceraldeide-3-fosfato segue lo stesso processo della fermentazione omolattica, quindi diventare inizialmente piruvato e successivamente lattato:

Acetil-fosfato + ADP => Acetato + ATP + H2O

Gliceraldeide-3-fosfato + 2ADP + 2Pi => Lattato + 2ATP + 2H2O

Quindi l'intero processo è molto vantaggioso poiché rende 2.5 molecole di ATP per ognuna di glucosio, come nella seguente reazione globale:

2Glucosio + 5(ADP + Pi) => 3Acetato + 2Lattato + 5(ATP + H2O)

Fermentazione acetica dei lattobacilli

Come detto all'inizio i lattobacilli sono batteri anaerobici aerotolleranti, cioè non riescono ad elaborare l'ossigeno ma ne tollerano la sua presenza. Questo perché non possiedono la catena di trasporto degli elettroni, però possono rigenerare la NADH-H+ riducendo l'ossigeno in acqua o perossido d'idrogeno.

Nell'immagine sopra [2], sono riportare le varie vie metaboliche del l. plantarum e si osserva che il destino del piruvato può essere molteplice.

Via acetica

Il piruvato viene ossidato dall'enzima piruvato ossidasi (POX) in acetilfosfato, il quale a sua volta attraverso l'acetato chinasi (AK) convertito in acetato con produzione di ATP.

Piruvate + H2O + O2 + ADP + Pi => Acetato + CO2 + H2O2 + ATP

Oppure il piruvato decarbossilato dall'enzima piruvato deidrogenasi (PDH) in acetil-CoA, il quale viene fosfato attraverso la fosfotransacetilasi (PTA) in acetilfosfato e produzione di acetato e ATP.

Piruvate + NAD+ + ADP + Pi => Acetato + CO2 + NADH-H+ + ATP

Via aceto-formica

In questo caso il piruvato viene decarbossilato dal piruvato formato liasi (PFL) in acetil-CoA con produzione di formato, e da qui proseguire con la via precedente.

Piruvate + ADP + Pi => Acetato + Formato + ATP

Rigenazione NADH-H+

In presenza di ossigeno da ridurre, ma non disponendo di una catena di trasporto degli elettroni, la NADH-H+ viene rigenerato attraverso due enzimi: la NADH ossidasi (NOX) e la NADH perossidasi (NPR). Le quali utilizzano rispettivamente le seguenti reazioni:

NADH-H+ + O2 => NAD+ + H2O2

NADH-H+ + H2O2 => NAD+ + 2H2O

Questa via metabolica permette a un eterofermetativo di ricavare almeno tre molecole di ATP per molecola di glucosio. Secondo le seguenti reazioni:

Glucosio + 2H2O + O2 + 3ADP + 3Pi => 2Acetato + 2CO2 + H2O2 + 3NADH-H+ + 3(ATP + H2O)

che riassunto diventa:

Glucosio + 2O2 + 3ADP + 3Pi => 2Acetato + 2CO2 + 4H2O + 3(ATP + H2O)

oppure si potrebbe avere:

Glucosio + 2O2 +  3ADP + 3Pi => 2Acetato + Formato + CO2 + H2O2 + 3(ATP + H2O)

Esistono diverse combinazioni di percorsi metabolici, atti a massimizzare la produzione di ATP, ma quelli illustrati sopra in linea di massima sono i più frequenti, da cui si evince che serve ossigeno affinché ciò avvenga, e da cui si capisce che queste non sono vere e proprie fermentazioni, ma come con quella acetica si ha una respirazione.

Bibliografia

[1] Ciani M., Comitini F, e Mannazzu I; Fermentation; Encyclopedia of Ecology, Volume 2, 2013, Pages 310-321;

[2] Quatravaux S., Remize F., Bryckaert E., Colavizza D. and Guzzo J.; Examination of Lactobacillus plantarum lactate metabolism side effects in relation to the modulation of aeration parameters; Journal of Applied Microbiology ISSN 1364-5072

[3] https://library.weschool.com/lezione/come-la-cellula-fermenta-zucchero-ad-alcol-e-acido-lattico-4307.html

[4] http://www.biosciencenotes.com/heterolactic-phosphoketolase-pathway/

[5] https://textbookofbacteriology.net/metabolism_3.html

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