ما هو تخمر حمض اللاكتيك؟

إلى الحد الذي تعرفه بكلمة "التخمير" ، قد تميل إلى ربطها بعملية صنع المشروبات الكحولية. في حين أن هذا بالفعل يستفيد من نوع واحد من التخمير (يسمى رسميًا وغير غامض التخمير الكحولي) ، نوع ثاني ، تخمير حمض اللاكتيك، هو في الواقع أكثر حيوية ويكاد يكون من المؤكد أنه يحدث إلى حد ما في جسمك أثناء قراءة هذا

يشير التخمير إلى أي آلية يمكن للخلية بواسطتها استخدام الجلوكوز لإطلاق الطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في غياب الأكسجين - أي في ظل الظروف اللاهوائية. تحت الكل الظروف - على سبيل المثال ، مع الأكسجين أو بدونه ، وفي كل من الخلايا حقيقية النواة (النباتية والحيوانية) والخلايا بدائية النواة (البكتيرية) - تتم عملية التمثيل الغذائي لجزيء الجلوكوز ، المسمى تحلل السكر ، من خلال عدد من الخطوات لإنتاج جزيئين من البيروفات. ما يحدث بعد ذلك يعتمد على الكائن الحي المتضمن وما إذا كان الأكسجين موجودًا.

في جميع الكائنات الحية ، الجلوكوز (C₆ح₁₂ا₆) كمصدر للطاقة ويتم تحويله في سلسلة من تسعة تفاعلات كيميائية مميزة إلى البيروفات. يأتي الجلوكوز نفسه من انهيار جميع أنواع المواد الغذائية ، بما في ذلك الكربوهيدرات والبروتينات والدهون. تحدث جميع هذه التفاعلات في سيتوبلازم الخلية ، بشكل مستقل عن الآلات الخلوية الخاصة. تبدأ العملية باستثمار الطاقة: مجموعتان من الفوسفات ، كل منهما مأخوذة من أ جزيء ATP ، مرتبط بجزيء الجلوكوز ، تاركًا جزيئين من ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وراء. والنتيجة هي جزيء يشبه سكر الفاكهة بالفركتوز ، ولكن مع ارتباط مجموعتي الفوسفات. ينقسم هذا المركب إلى زوج من جزيئات الكربون الثلاثة ، ثنائي هيدروكسي أسيتون فوسفات (DHAP) و glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P) ، والتي لها نفس الصيغة الكيميائية ولكن لها ترتيبات مختلفة الذرات المكونة ثم يتم تحويل DHAP إلى G-3-P على أي حال.

بعد ذلك يدخل جزيئي G-3-P فيما يسمى غالبًا بمرحلة إنتاج الطاقة لتحلل السكر. G-3-P (وتذكر ، هناك اثنان منها) يعطي بروتون ، أو ذرة هيدروجين ، إلى جزيء NAD + (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد ، طاقة مهمة الناقل في العديد من التفاعلات الخلوية) لإنتاج NADH ، بينما يتبرع NAD بفوسفات إلى G-3-P لتحويله إلى ثنائي فوسفوجليسيرات (BPG) ، وهو مركب يحتوي على اثنين الفوسفات. يتم إعطاء كل من هذه إلى ADP لتشكيل اثنين من ATP حيث يتم أخيرًا إنشاء البيروفات. تذكر ، مع ذلك ، أن كل ما يحدث بعد تقسيم السكر المكون من ستة كربون إلى جزئين من ثلاثة كربون السكريات مكررة ، وهذا يعني أن النتيجة الصافية لتحلل السكر هي أربعة ATP ، واثنان من NADH واثنان من البيروفات الجزيئات.

من المهم ملاحظة أن تحلل السكر يعتبر لاهوائيًا بسبب الأكسجين غير مطلوب لكي تحدث العملية. من السهل الخلط بين هذا وبين "فقط في حالة عدم وجود أكسجين". وبنفس الطريقة يمكنك النزول إلى أسفل تل في سيارة حتى مع وجود خزان وقود ممتلئ ، وبالتالي الانخراط في "القيادة بدون غاز" ، يتكشف تحلل الجلوكوز بالطريقة نفسها سواء كان الأكسجين موجودًا بكميات كبيرة أو بكميات أقل أم لا الكل.

بمجرد وصول التحلل السكري إلى خطوة البيروفات ، يعتمد مصير جزيئات البيروفات على البيئة المحددة. في حقيقيات النوى ، في حالة وجود كمية كافية من الأكسجين ، يتم نقل كل البيروفات تقريبًا إلى التنفس الهوائي. الخطوة الأولى من هذه العملية المكونة من خطوتين هي دورة كريبس ، وتسمى أيضًا دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل ؛ الخطوة الثانية هي سلسلة نقل الإلكترون. تحدث هذه في الميتوكوندريا للخلايا ، وهي عضيات غالبًا ما تُشبه بمحطات الطاقة الصغيرة. يمكن لبعض بدائيات النوى الانخراط في التمثيل الغذائي الهوائي على الرغم من عدم وجود أي ميتوكوندريا أو عضيات أخرى ("الأيروبس الاختيارية") ، ولكن بالنسبة لمعظم الجزء يمكنهم تلبية احتياجاتهم من الطاقة من خلال مسارات التمثيل الغذائي اللاهوائية وحدها ، والعديد من البكتيريا في الواقع تسمم بالأكسجين ("إلزام" اللاهوائية ").

عندما يكون الأكسجين كافياً ليس موجود ، في بدائيات النوى ومعظم حقيقيات النوى ، يدخل البيروفات مسار تخمير حمض اللاكتيك. الاستثناء من ذلك هو خميرة حقيقيات النوى أحادية الخلية ، وهي فطر يستقلب البيروفات إلى الإيثانول (الكحول ثنائي الكربون الموجود في المشروبات الكحولية). في التخمر الكحولي ، تتم إزالة جزيء ثاني أكسيد الكربون من البيروفات لتكوين أسيتالديهيد ، ثم يتم ربط ذرة الهيدروجين بالأسيتالديهيد لتوليد الإيثانول.

يمكن نظريًا أن يستمر تحلل السكر إلى أجل غير مسمى لتزويد الكائن الأصل بالطاقة ، نظرًا لأن كل جلوكوز ينتج عنه زيادة صافية في الطاقة. بعد كل شيء ، يمكن إدخال الجلوكوز بشكل أو بآخر باستمرار في النظام إذا كان الكائن الحي يأكل ما يكفي ، وكان ATP في الأساس موردًا متجددًا. العامل المحدد هنا هو توافر NAD⁺، وهنا يأتي دور تخمير حمض اللاكتيك.

يقوم إنزيم يسمى اللاكتات ديهيدروجينيز (LDH) بتحويل البيروفات إلى لاكتات عن طريق إضافة بروتون (H⁺) إلى البيروفات ، وفي هذه العملية ، يتم تحويل بعض NADH من تحلل السكر مرة أخرى إلى NAD⁺. هذا يوفر NAD⁺ الجزيء الذي يمكن إرجاعه "المنبع" للمشاركة في تحلل السكر ، وبالتالي المساعدة في الحفاظ عليه. في الواقع ، هذا ليس ترميميًا بالكامل من حيث احتياجات التمثيل الغذائي للكائن الحي. باستخدام البشر كمثال ، حتى الشخص الذي يجلس في حالة راحة لا يمكن أن يقترب من تلبية احتياجاته الأيضية عن طريق تحلل السكر وحده. ربما يكون هذا واضحًا في حقيقة أنه عندما يتوقف الناس عن التنفس ، لا يمكنهم الحفاظ على الحياة لفترة طويلة جدًا بسبب نقص الأكسجين. ونتيجة لذلك ، فإن التحلل السكري المقترن بالتخمير هو في الحقيقة مجرد إجراء مؤقت ، وهو وسيلة للاعتماد على ما يعادل خزان وقود صغيرًا إضافيًا عندما يحتاج المحرك إلى وقود إضافي. يشكل هذا المفهوم الأساس الكامل للتعبيرات العامية في عالم التمارين: "اشعر بالحرق" ، "اصطدم بالحائط" وغيرها.

إذا كان حمض اللاكتيك - مادة سمعت عنها بشكل شبه مؤكد ، مرة أخرى في سياق التمرين - يبدو كشيء ما التي قد توجد في الحليب (ربما تكون قد شاهدت أسماء منتجات مثل Lactaid في مبرد الألبان المحلي) ، فهذا ليس من قبيل الصدفة. تم عزل اللاكتات لأول مرة في الحليب القديم في عام 1780. (اللاكتات هو اسم شكل حمض اللاكتيك الذي تبرع بالبروتون ، كما تفعل جميع الأحماض بالتعريف. يمتد اصطلاح التسمية "-ate" و "-ic acid" للأحماض إلى الكيمياء.) عند الجري أو رفع الأثقال أو المشاركة في أنواع التمارين عالية الكثافة - أي شيء يجعلك تتنفس بشكل غير مريح ، في الواقع - الأيض الهوائي ، الذي يعتمد على الأكسجين ، لم يعد كافيًا لمواكبة متطلبات عملك عضلات.

في ظل هذه الظروف ، يدخل الجسم في "دين الأكسجين" ، وهو تسمية خاطئة إلى حد ما منذ المشكلة الحقيقية هي جهاز خلوي ينتج 36 أو 38 ATP "فقط" لكل جزيء من الجلوكوز زودت. إذا استمرت شدة التمرين ، يحاول الجسم مواكبة ذلك عن طريق دفع LDH إلى سرعة عالية وتوليد أكبر قدر من NAD⁺ قدر الإمكان عن طريق تحويل البيروفات إلى اللاكتات. في هذه المرحلة ، من الواضح أن المكون الهوائي للنظام قد بلغ الحد الأقصى ، والمكون اللاهوائي يكافح في بنفس الطريقة التي يلاحظ بها شخص ينقذ قاربًا بشكل محموم أن مستوى المياه يستمر في الارتفاع على الرغم من ارتفاعه جهود.

اللاكتات الذي يتم إنتاجه في عملية التخمير سرعان ما يرتبط به بروتون ، مما يولد حمض اللاكتيك. يستمر هذا الحمض في التراكم في العضلات مع الحفاظ على العمل ، حتى أخيرًا لا تستطيع جميع المسارات لتوليد ATP مواكبة ذلك. في هذه المرحلة ، يجب أن يتباطأ العمل العضلي أو يتوقف تمامًا. قد تجد العداءة التي تشارك في سباق الأميال ولكنها تبدأ بسرعة كبيرة إلى حد ما بالنسبة لمستوى لياقتها البدنية نفسها ثلاث لفات في مسابقة الأربع دورات بالفعل في ديون الأكسجين المعطلة. من أجل أن تنتهي ببساطة ، يجب أن تبطئ بشكل كبير ، وعضلاتها مرهقة للغاية لدرجة أن شكلها ، أو أسلوبها ، من المحتمل أن يعاني بشكل واضح. إذا سبق لك أن شاهدت عداءً في سباق العدو الطويل ، مثل سباق 400 متر (الذي يأخذ الرياضيين من الطراز العالمي حوالي 45 إلى 50 مترًا) ثواني للانتهاء) بطيئًا بشدة في الجزء الأخير من السباق ، ربما لاحظت أنه يبدو أنه سباحة. يُعزى هذا ، بشكل فضفاض ، إلى فشل العضلات: في غياب مصادر الوقود من أي نوع ، لا يمكن للألياف الموجودة في عضلات الرياضي ببساطة أن تنقبض تمامًا أو بدقة ، والنتيجة هي عداء يبدو فجأة وكأنه يحمل بيانوًا غير مرئي أو أي شيء كبير آخر على جسده. عودة.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن حمض اللاكتيك يتراكم بسرعة في العضلات التي هي على وشك الانهيار. وبالمثل ، فقد ثبت جيدًا أن نوع التمارين البدنية التي تؤدي إلى هذا النوع من الفشل العضلي السريع ينتج إحساسًا فريدًا ومميزًا بالحرق في العضلات المصابة. (ليس من الصعب إحداث ذلك ؛ اسقط على الأرض وحاول القيام بـ 50 عملية دفع متواصلة ، ومن المؤكد تقريبًا أن عضلات صدرك وكتفيك ستشهد قريبًا "الحرق".) لذلك كان ذلك طبيعيًا بدرجة كافية لنفترض ، بدون دليل مناقض ، أن حمض اللاكتيك نفسه كان سبب الحرق ، وأن حمض اللاكتيك نفسه كان شيئًا من السموم - شر ضروري على طول الطريق إلى صنع تشتد الحاجة إليه NAD⁺. تم نشر هذا الاعتقاد بشكل شامل في جميع أنحاء مجتمع التمرين ؛ اذهب إلى لقاء مضمار أو سباق 5K على الطريق ، ومن المحتمل أن تسمع متسابقين يشكون من آلامهم من تمرين اليوم السابق بفضل وجود الكثير من حمض اللاكتيك في أرجلهم.

دعا بحث أحدث هذا النموذج إلى التساؤل. تم العثور على اللاكتات (هنا ، يتم استخدام هذا المصطلح و "حمض اللاكتيك" بالتبادل من أجل البساطة) على أنه أي شيء سوى جزيء ضار ليس سبب فشل العضلات أو الحرق. يبدو أنه يعمل كجزيء إشارة بين الخلايا والأنسجة ومصدر وقود مقنع جيدًا في حد ذاته.

الأساس المنطقي التقليدي المقدم لكيفية تسبب اللاكتات المزعوم في فشل العضلات هو انخفاض درجة الحموضة (الحموضة العالية) في العضلات العاملة. يحوم الرقم الهيدروجيني الطبيعي للجسم بالقرب من المستوى المحايد بين الحمضي والقاعدي ، لكن حمض اللاكتيك يتخلص منه تصبح البروتونات اللاكتاتية تغمر العضلات بأيونات الهيدروجين ، مما يجعلها غير قادرة على العمل حد ذاتها. ومع ذلك ، فقد تم تحدي هذه الفكرة بشدة منذ الثمانينيات. من وجهة نظر العلماء الذين يقدمون نظرية مختلفة ، فإن القليل جدًا من H⁺ الذي يتراكم في العضلات العاملة يأتي في الواقع من حمض اللاكتيك. نشأت هذه الفكرة بشكل رئيسي من دراسة دقيقة لتفاعلات تحلل السكر "المنبع" من البيروفات ، مما يؤثر على كل من مستويات البيروفات واللاكتات. أيضًا ، يتم نقل المزيد من حمض اللاكتيك من خلايا العضلات أثناء التمرين مما كان يعتقد سابقًا ، مما يحد من قدرته على التخلص من H⁺ في العضلات. يمكن للكبد تناول بعض هذا اللاكتات واستخدامها لصنع الجلوكوز باتباع خطوات تحلل الجلوكوز في الاتجاه المعاكس. تلخيصًا لمقدار الالتباس الذي لا يزال قائماً اعتبارًا من عام 2018 حول هذه المشكلة ، حتى أن بعض العلماء لديهم اقترح استخدام اللاكتات كمكمل وقود للتمرين ، وبالتالي تحويل الأفكار القديمة تمامًا رأسا على عقب.