Какво представлява млечнокиселата ферментация?

Доколкото сте запознати с думата „ферментация“, може да сте склонни да я свързвате с процеса на създаване на алкохолни напитки. Докато това наистина се възползва от един вид ферментация (официално и не мистериозно наречена алкохолна ферментация), втори тип, млечнокисела ферментация, всъщност е по-жизнено важно и почти със сигурност се среща до известна степен във вашето тяло, докато четете това.

Ферментацията се отнася до всеки механизъм, чрез който клетката може да използва глюкоза за освобождаване на енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ) в отсъствие на кислород - т.е. при анаеробни условия. Под всичко условия - например с или без кислород, както в еукариотни (растителни и животински), така и в прокариотни (бактериални) клетки - метаболизмът на молекула глюкоза, наречен гликолиза, протича през няколко стъпки, за да се получат две молекули пируват. Какво ще се случи зависи от това какъв организъм участва и дали кислородът присъства.

Във всички организми глюкозата (C

След това двете G-3-P молекули навлизат в така наречения енергиен етап на гликолиза. G-3-P (и не забравяйте, че има двама от тях) отдава протон или водороден атом на молекула NAD + (никотинамид аденин динуклеотид, важна енергия носител в много клетъчни реакции), за да произведе NADH, докато NAD дарява фосфат на G-3-P, за да го превърне в бисфосфоглицерат (BPG), съединение с две фосфати. Всеки от тях се отдава на ADP, за да образува два ATP, тъй като накрая се генерира пируват. Спомнете си обаче, че всичко, което се случва след разделянето на шествъглеродната захар на две тривъглеродни захарите се дублират, така че това означава, че нетният резултат от гликолизата е четири АТФ, два NADH и два пирувата молекули.

Важно е да се отбележи, че гликолизата се счита за анаеробна, тъй като не се изисква кислород за да настъпи процесът. Лесно е да се обърка това с „само ако няма кислород“. По същия начин можете да слизате по хълм с кола, дори с пълен резервоар за газ, и по този начин се ангажира с "безгазово шофиране", гликолизата се развива по същия начин, независимо дали кислородът е в големи количества, по-малки количества или не всичко.

След като гликолизата достигне етапа на пируват, съдбата на молекулите на пирувата зависи от конкретната среда. При еукариоти, ако има достатъчно кислород, почти целият пируват се затваря в аеробно дишане. Първата стъпка от този двустепенен процес е цикълът на Кребс, наричан още цикъл на лимонена киселина или цикъл на трикарбоксилна киселина; втората стъпка е електронната транспортна верига. Те се провеждат в митохондриите на клетки, органели, които често се оприличават на малки електроцентрали. Някои прокариоти могат да участват в аеробен метаболизъм, въпреки че нямат никакви митохондрии или други органели ("факултативните аероби"), но за повечето те могат да задоволят енергийните си нужди само чрез анаеробни метаболитни пътища и много бактерии всъщност са отровени от кислород ("задължителният" анаероби ").

Когато е достатъчно кислород не присъстващ, в прокариотите и повечето еукариоти, пируват навлиза в млечнокиселата ферментационна пътека. Изключение от това са едноклетъчните еукариотни дрожди, гъбички, които метаболизират пирувата до етанол (двувъглеродният алкохол, открит в алкохолните напитки). При алкохолна ферментация молекулата на въглероден диоксид се отстранява от пирувата, за да се създаде ацеталдехид, а водородният атом след това се прикрепя към ацеталдехид, за да се получи етанол.

На теория гликолизата може да продължи безкрайно, за да доставя енергия на родителския организъм, тъй като всяка глюкоза води до нетна енергийна печалба. В края на краищата, глюкозата може да бъде повече или по-малко непрекъснато подавана в схемата, ако организмът просто яде достатъчно и АТФ по същество е възобновяем ресурс. Ограничаващият фактор тук е наличието на NAD⁺и тук идва млечнокиселата ферментация.

Ензим, наречен лактат дехидрогеназа (LDH), превръща пирувата в лактат чрез добавяне на протон (Н⁺) към пирувата и в процеса част от NADH от гликолизата се превръща обратно в NAD⁺. Това осигурява NAD⁺ молекула, която може да бъде върната „нагоре“, за да участва в гликолизата и по този начин да спомогне за нейното поддържане. В действителност това не е напълно възстановително по отношение на метаболитните нужди на организма. Използвайки хората като пример, дори човек, който седи в покой, не може да се доближи до задоволяване на метаболитните си нужди само чрез гликолиза. Това вероятно се вижда от факта, че когато хората спрат да дишат, те не могат да поддържат живота много дълго поради липса на кислород. В резултат на това гликолизата, комбинирана с ферментация, всъщност е просто ограничителна мярка, начин да се използва еквивалентът на малък спомагателен резервоар за гориво, когато двигателят се нуждае от допълнително гориво. Тази концепция формира цялата основа на разговорните изрази в света на упражненията: „Усети изгарянето“, „удари стената“ и други.

Ако млечната киселина - вещество, за което почти със сигурност сте чували, отново в контекста на упражненията - звучи като нещо което може да се намери в млякото (може да сте виждали имена на продукти като Lactaid в местния охладител за млечни продукти), това не е случайно. Лактатът е изолиран за първи път в остаряло мляко още през 1780 година. (Лактат е името на формата на млечна киселина, която е дарила протон, както правят всички киселини по дефиниция. Тази конвенция за именуване на киселини „-ate“ и „-icic acid“ обхваща цялата химия.) Когато бягате или вдигате тежести или участвате в упражнения с висока интензивност - всичко, което ви кара да дишате неудобно трудно, всъщност - аеробният метаболизъм, който разчита на кислорода, вече не е достатъчен, за да се справи с изискванията на вашата работа мускули.

При тези условия тялото преминава в "кислороден дълг", което е нещо като погрешно наименование от истински проблем е клетъчният апарат, който произвежда "само" 36 или 38 ATP на молекула глюкоза предоставени. Ако интензивността на упражненията се поддържа, тялото се опитва да поддържа темпото, като рита LDH на висока предавка и генерира толкова NAD⁺ възможно чрез преобразуване на пируват в лактат. В този момент аеробният компонент на системата е очевидно максимален и анаеробният компонент се бори в по същия начин, по който някой трескаво спасява лодка, забелязва, че нивото на водата продължава да пълзи въпреки неговото усилия.

Лактатът, който се получава при ферментация, скоро има прикрепен протон към него, генерирайки млечна киселина. Тази киселина продължава да се натрупва в мускулите, докато работата се поддържа, докато накрая всички пътища за генериране на АТФ просто не могат да поддържат темпото. На този етап мускулната работа трябва да се забави или да спре напълно. Бегач, който участва в километър, но стартира твърде бързо за нивото си на фитнес, може да се окаже на три обиколки в състезанието с четири обиколки, който вече е осакатяващ кислороден дълг. За да завърши просто, тя трябва драстично да намали скоростта и мускулите й са толкова обложени с данък, че нейната бягаща форма или стил вероятно ще видимо страда. Ако някога сте гледали бегач в дълго спринтьорско състезание, като 400 метра (което отнема атлети от световна класа около 45 до 50 секунди до финал) бавно се забавяте във финалната част на състезанието, вероятно сте забелязали, че той или тя почти изглежда плуване. Това, свободно казано, се дължи на мускулната недостатъчност: При липса на всякакви източници на гориво влакната в мускулите на спортиста просто не могат да се свиват изцяло или с прецизност, а последицата е бегач, който изведнъж изглежда така, сякаш носи невидимо пиано или друг голям предмет на себе си обратно.

Учените отдавна знаят, че млечната киселина се натрупва бързо в мускулите, които са на ръба на отказ. По същия начин е добре установено, че видът физическо упражнение, което води до този тип бърза мускулна недостатъчност, създава уникално и характерно усещане за парене в засегнатите мускули. (Не е трудно да се предизвика това; паднете на пода и се опитайте да направите 50 непрекъснати лицеви опори и е почти сигурно, че мускулите на гърдите и раменете ви скоро ще изпитат "изгарянето.") Следователно беше достатъчно естествено да се приеме, при липса на противоречиви доказателства, че самата млечна киселина е причината за изгарянето и че самата млечна киселина е нещо като токсин - необходимо зло по пътя към направата на много необходими NAD⁺. Тази вяра е била широко разпространена в общността на упражненията; отидете на състезателна писта или 5K състезание и най-вероятно ще чуете бегачи да се оплакват, че са болни от тренировката от предишния ден благодарение на твърде много млечна киселина в краката си.

По-нови изследвания поставят тази парадигма под въпрос. Установено е, че лактатът (тук този термин и "млечна киселина" се използват взаимозаменяемо за по-голяма простота) е всичко друго, но не и разточителна молекула, която е не причината за мускулна недостатъчност или изгаряне. Очевидно служи както като сигнална молекула между клетките и тъканите, така и като добре прикрит източник на гориво.

Традиционното основание за това как лактатът твърди, че причинява мускулна недостатъчност е ниското рН (висока киселинност) в работещите мускули. Нормалното рН на тялото витае почти до неутрално между киселинното и основното, но млечната киселина го отделя протоните, които се превръщат в лактат, заливат мускулите с водородни йони, което ги прави неспособни да функционират се. Тази идея обаче е силно оспорена от 80-те години на миналия век. Според учените, които развиват различна теория, много малко от H⁺ което се натрупва в работещите мускули всъщност идва от млечната киселина. Тази идея възниква главно от внимателно проучване на реакциите на гликолиза "нагоре" от пируват, засягащи нивата както на пируват, така и на лактат. Също така, повече млечна киселина се транспортира от мускулните клетки по време на тренировка, отколкото се смяташе досега, като по този начин ограничава способността му да изхвърля H⁺ в мускулите. Част от този лактат може да се поеме от черния дроб и да се използва за производство на глюкоза, като се следват стъпките на гликолиза в обратна посока. Обобщавайки колко объркване все още съществува от 2018 г. по този въпрос, някои учени дори са препоръчва да се използва лактат като добавка за гориво за упражнения, като по този начин напълно се обръщат дългогодишните идеи с главата надолу.