Fermentazione: il destino anaerobico del piruvato

Per consentire alla glicolisi di continuare, il NAD+, che nella cellula è in quantità limitata, deve essere riciclato dopo la sua riduzione a NADH ad opera della GAPDH (reazione 6). I due processi per la ricostituzione anaerobica del NAD+ sono la fermentazione omolattica e la fermentazione alcolica, che avvengono rispettivamente nel muscolo e nel lievito.
FERMENTAZIONE OMOLATTICA
Nel muscolo e in particolare durante uno sforzo prolungato e vigoroso, quando la domanda di ATP è elevata, la lattato deidrogenasi (LDH) catalizza la riduzione del piruvato ad opera del NADH, con formazione di NAD+ e di lattato. Questa reazione viene spesso indicata come undicesima tappa della glicolisi. L'LDH catalizza la sua reazione con una stereospecificità assoluta: l'idrogeno pro-R (faccia A) dell'atomo C(4) del NADH viene trasferito stereospecificatamente alla faccia re dell'atomo C(2) del piruvato formando S-lattato. In questo modo viene rigenerato il NAD+ necessario alla reazione della GAPDH. Quindi il processo complessivo della glicolisi anaerobica nel muscolo può essere rappresentato come:
glucosio + 2ADP + 2Pi <---> 2lattato + 2ATP + 2H+
La maggior parte del lattato, il prodotto finale della glicolisi anaerobica, esce dalla cellula muscolare e viene trasportato dal sangue al fegato, dove viene riconvertito in glucosio.
FERMENTAZIONE ALCOLICA
Nel lievito in condizioni anaerobiche, il NAD+ viene rigenerato tramite la conversione del piruvato in etanolo e CO2. L'etanolo è appunto l'ingrediente attivo del vino e degli spiriti; la CO2 prodotta in questo modo, invece, fa lievitare il pane. Il lievito produce etanolo e CO2 per mezzo di due reazioni. La prima reazione è la decarbossilazione del piruvato per generare acetaldeide e CO2, catalizzata dalla piruvato decarbossilasi (un enzima che non è presente negli animali). Questo enzima contiene il coenzima tiamina pirofosfato (TPP) il cui gruppo funzionale è l'anello tiazolico. La TPP è necessaria perché per la decarbossilazione del piruvato bisogna creare una carica negativa sull'atomo di carbonio carbonilico nello stato di transizione, generando una situazione instabile. Questo stato di transizione può essere successivamente stabilizzato delocalizzando la carica negativa che si sta formando in un opportuna trappola per elettroni. Quindi il meccanismo catalitico della piruvato decarbossilasi risulta essere il seguente:
1.Attacco nucleofilo del carbanione della TPP sull'atomo di carbonio carbonilico del piruvato
2.Rilascio di CO2 con formazione di un carbanione stabilizzato per risonanza in cui l'anello tiazolico del coenzima funziona da trappola per gli elettroni;
3.Protonazione del carbanione;
4.Eliminazione del carbanione dipolare della TPP con formazione di acetaldeide e di enzima attivo.
Successivamente, l'acetaldeide formata dalla decarbossilazione del piruvato viene ridotta ad etanolo dal NADH in una reazione catalizzata dall'alcol deidrogenasi (ADH). Ognuna delle quattro subunità di quest'enzima presente nel lievito lega una molecola di NADH ed uno ione Zn2+. Questo serve a polarizzare il gruppo carbonilico dell'acetaldeide in modo da stabilizzare la carica negativa dello stato di transizione che si sta formando. Ciò facilita il trasferimento dell'atomo di idrogeno del NADH alla faccia re dell'acetaldeide, formando etanolo.