Was ist Milchsäuregärung?

Soweit Sie mit dem Wort „Fermentation“ vertraut sind, werden Sie es möglicherweise mit dem Herstellungsprozess alkoholischer Getränke in Verbindung bringen. Dies nutzt zwar tatsächlich eine Art der Fermentation (formell und nicht mysteriös genannt) alkoholische Gärung), ein zweiter Typ, Milchsäuregärung, ist tatsächlich lebenswichtiger und tritt mit ziemlicher Sicherheit bis zu einem gewissen Grad in Ihrem eigenen Körper auf, während Sie dies lesen.

Unter Fermentation versteht man jeden Mechanismus, durch den eine Zelle in Abwesenheit von Sauerstoff – also unter anaeroben Bedingungen – mithilfe von Glukose Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) freisetzen kann. Unter alle Bedingungen – zum Beispiel mit oder ohne Sauerstoff und sowohl in eukaryontischen (Pflanzen und Tiere) als auch in prokaryontischen (bakteriellen) Zellen – Der Stoffwechsel eines Glukosemoleküls, die sogenannte Glykolyse, durchläuft eine Reihe von Schritten, um zwei Moleküle zu produzieren Pyruvat. Was dann passiert, hängt davon ab, welcher Organismus beteiligt ist und ob Sauerstoff vorhanden ist.

In allen Organismen ist Glucose (C₆H₁₂Ö₆) dient als Energiequelle und wird in einer Reihe von neun unterschiedlichen chemischen Reaktionen zu Pyruvat umgewandelt. Glukose selbst entsteht aus dem Abbau aller Arten von Nahrungsmitteln, einschließlich Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten. Diese Reaktionen finden alle im Zellzytoplasma statt, unabhängig von speziellen zellulären Maschinen. Der Prozess beginnt mit einem Energieeinsatz: Zwei Phosphatgruppen, die jeweils aus einem ATP-Molekül, an das Glucosemolekül gebunden, so dass zwei Adenosindiphosphat (ADP)-Moleküle übrig bleiben hinter. Das Ergebnis ist ein Molekül, das dem Fruchtzucker Fructose ähnelt, jedoch mit den beiden Phosphatgruppen verbunden ist. Diese Verbindung spaltet sich in ein Paar von Drei-Kohlenstoff-Molekülen, Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glyceraldehyd-3-phosphat (G-3-P), die die gleiche chemische Formel haben, aber unterschiedliche Anordnungen ihrer konstituierende Atome; das DHAP wird dann sowieso in G-3-P umgewandelt.

Die beiden G-3-P-Moleküle treten dann in die sogenannte energieerzeugende Phase der Glykolyse ein. G-3-P (und denken Sie daran, es gibt zwei davon) gibt ein Proton oder Wasserstoffatom an ein NAD+-Molekül (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid, eine wichtige Energie) ab Träger in vielen zellulären Reaktionen), um NADH zu produzieren, während das NAD ein Phosphat an G-3-P spendet, um es in Bisphosphoglycerat (BPG) umzuwandeln, eine Verbindung mit zwei Phosphate. Jedes davon wird an ADP abgegeben, um zwei ATP zu bilden, wenn schließlich Pyruvat erzeugt wird. Denken Sie jedoch daran, dass alles, was nach der Aufspaltung des Sechs-Kohlenstoff-Zuckers in zwei Drei-Kohlenstoff- Zucker verdoppelt, so dass das Nettoergebnis der Glykolyse vier ATP, zwei NADH und zwei Pyruvate beträgt Moleküle.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Glykolyse als anaerob gilt, weil Sauerstoff wird nicht benötigt damit der Prozess stattfindet. Dies ist leicht zu verwechseln mit "nur wenn kein Sauerstoff vorhanden ist". Auf die gleiche Weise können Sie auch mit vollem Benzintank einen Hügel hinunterrollen, und damit "gasloses Fahren" betreiben, entfaltet sich die Glykolyse auf die gleiche Weise, egal ob Sauerstoff in großen Mengen, in kleineren Mengen oder nicht vorhanden ist alle.

Sobald die Glykolyse die Pyruvatstufe erreicht hat, hängt das Schicksal der Pyruvatmoleküle von der spezifischen Umgebung ab. Bei Eukaryoten wird, wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, fast das gesamte Pyruvat in die aerobe Atmung transportiert. Der erste Schritt dieses zweistufigen Prozesses ist der Krebs-Zyklus, auch Zitronensäure-Zyklus oder Tricarbonsäure-Zyklus genannt; der zweite Schritt ist die Elektronentransportkette. Diese finden in den Mitochondrien von Zellen statt, Organellen, die oft mit winzigen Kraftwerken verglichen werden. Einige Prokaryoten können einen aeroben Stoffwechsel betreiben, obwohl sie keine Mitochondrien oder andere Organellen haben (die "fakultativen Aerobier"), aber für die meisten Teil können sie ihren Energiebedarf allein über anaerobe Stoffwechselwege decken, und viele Bakterien werden sogar durch Sauerstoff vergiftet (die "obligatorischen" Anaerobier").

Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist nicht In Prokaryoten und den meisten Eukaryoten tritt Pyruvat in den Milchsäurefermentationsweg ein. Die Ausnahme ist die einzellige eukaryotische Hefe, ein Pilz, der Pyruvat zu Ethanol (dem Zwei-Kohlenstoff-Alkohol in alkoholischen Getränken) verstoffwechselt. Bei der alkoholischen Gärung wird ein Kohlendioxidmolekül aus Pyruvat entfernt, um Acetaldehyd zu erzeugen, und dann wird ein Wasserstoffatom an Acetaldehyd angehängt, um Ethanol zu erzeugen.

Die Glykolyse könnte theoretisch unbegrenzt fortschreiten, um den Mutterorganismus mit Energie zu versorgen, da jede Glukose zu einem Nettoenergiegewinn führt. Schließlich könnte Glukose mehr oder weniger kontinuierlich in das System eingespeist werden, wenn der Organismus einfach genug isst, und ATP ist im Wesentlichen ein nachwachsender Rohstoff. Der limitierende Faktor ist hier die Verfügbarkeit von NAD⁺, und hier kommt die Milchsäuregärung ins Spiel.

Ein Enzym namens Laktatdehydrogenase (LDH) wandelt Pyruvat in Laktat um, indem es ein Proton (H⁺) zum Pyruvat, und dabei wird ein Teil des NADH aus der Glykolyse wieder in NAD. umgewandelt⁺. Dies liefert eine NAD⁺ Molekül, das "stromaufwärts" zurückgeführt werden kann, um an der Glykolyse teilzunehmen und sie so aufrechtzuerhalten. In Wirklichkeit ist dies im Hinblick auf den Stoffwechselbedarf eines Organismus nicht vollständig erholsam. Am Beispiel des Menschen könnte selbst ein ruhender Mensch nicht annähernd seinen Stoffwechselbedarf über die Glykolyse allein decken. Dies zeigt sich wahrscheinlich in der Tatsache, dass Menschen, wenn sie aufhören zu atmen, aufgrund von Sauerstoffmangel nicht sehr lange leben können. Infolgedessen ist die Glykolyse in Kombination mit der Gärung wirklich nur eine Notlösung, eine Möglichkeit, auf das Äquivalent eines kleinen Zusatzkraftstofftanks zurückzugreifen, wenn der Motor zusätzlichen Kraftstoff benötigt. Dieses Konzept bildet die gesamte Grundlage umgangssprachlicher Ausdrücke in der Übungswelt: "Feel the burn", "hit the wall" und andere.

Wenn Milchsäure – eine Substanz, von der Sie mit ziemlicher Sicherheit gehört haben, wiederum im Zusammenhang mit körperlicher Betätigung – nach etwas klingt die in Milch zu finden sein könnten (Sie haben vielleicht Produktnamen wie Lactaid im örtlichen Milchkühlschrank gesehen), dies ist kein Zufall. Laktat wurde erstmals 1780 in abgestandener Milchstraße isoliert. (Laktat ist der Name der Form von Milchsäure, die ein Proton gespendet hat, wie es alle Säuren per Definition tun. Diese „-ate“- und „-ic acid“-Namenskonvention für Säuren umfasst die gesamte Chemie.) Wenn Sie laufen oder Gewichte heben oder an hochintensiven Übungen teilnehmen – eigentlich alles, was Sie unangenehm schwer atmen lässt – der aerobe Stoffwechsel, der auf Sauerstoff angewiesen ist, reicht nicht mehr aus, um mit den Anforderungen Ihrer Arbeit Schritt zu halten Muskeln.

Unter diesen Bedingungen geht der Körper in "Sauerstoffschulden" ein, was eine irreführende Bezeichnung ist, da die Das eigentliche Problem ist ein zellulärer Apparat, der "nur" 36 oder 38 ATP pro Glukosemolekül produziert geliefert. Wenn die Intensität des Trainings aufrechterhalten wird, versucht der Körper, Schritt zu halten, indem er LDH in einen hohen Gang bringt und so viel NAD. erzeugt⁺ wie möglich über die Umwandlung von Pyruvat in Laktat. An diesem Punkt ist die aerobe Komponente des Systems eindeutig ausgereizt, und die anaerobe Komponente hat Schwierigkeiten genauso wie jemand, der verzweifelt ein Boot auslöst, bemerkt, dass der Wasserstand trotz seiner immer weiter steigt Bemühungen.

Das Laktat, das bei der Fermentation entsteht, hat bald ein Proton, das Milchsäure erzeugt. Diese Säure baut sich in den Muskeln bei Aufrechterhaltung der Arbeit weiter auf, bis schließlich alle Wege zur ATP-Erzeugung einfach nicht mehr Schritt halten können. In diesem Stadium muss sich die Muskelarbeit verlangsamen oder ganz aufhören. Eine Läuferin, die an einem Meilenrennen teilnimmt, aber für ihre Fitness etwas zu schnell startet, kann sich nach drei Runden im Vier-Runden-Wettbewerb bereits in lähmenden Sauerstoffschulden wiederfinden. Um einfach fertig zu werden, muss sie drastisch verlangsamen, und ihre Muskeln werden so beansprucht, dass ihre Laufform oder ihr Laufstil wahrscheinlich sichtlich darunter leiden. Wenn Sie schon einmal einen Läufer bei einem langen Sprintrennen beobachtet haben, wie zum Beispiel beim 400-Meter-Lauf (für den Weltklasse-Athleten etwa 45 bis 50 Sekunden bis zum Ziel) im letzten Teil des Rennens stark verlangsamen, Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass er oder sie fast zu sein scheint Baden. Dies ist, grob gesagt, auf Muskelversagen zurückzuführen: Ohne Kraftstoffquellen jeglicher Art können sich die Fasern in den Muskeln des Sportlers einfach nicht zusammenziehen ganz oder punktgenau, und die Folge ist ein Läufer, der plötzlich aussieht, als ob er ein unsichtbares Klavier oder einen anderen großen Gegenstand auf sich trägt zurück.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass sich Milchsäure in Muskeln, die kurz vor dem Versagen stehen, schnell aufbaut. Ebenso ist bekannt, dass die Art der körperlichen Betätigung, die zu einem solchen schnellen Muskelversagen führt, ein einzigartiges und charakteristisches Brennen in den betroffenen Muskeln hervorruft. (Es ist nicht schwer, dies zu veranlassen; auf den Boden fallen und versuchen, 50 ununterbrochene Liegestütze zu machen, und es ist so gut wie sicher, dass die Muskeln in Brust und Schultern bald "das Brennen" erfahren.) Es war also natürlich genug ohne gegenteilige Beweise anzunehmen, dass Milchsäure selbst die Ursache der Verbrennung war und dass Milchsäure selbst so etwas wie ein Toxin war – ein notwendiges Übel auf dem Weg zur Herstellung dringend benötigter NAD⁺. Dieser Glaube wurde gründlich in der gesamten Übungsgemeinschaft verbreitet; Gehen Sie zu einem Track-Meet oder einem 5-km-Straßenrennen, und Sie werden wahrscheinlich hören, wie sich Läufer darüber beschweren, dass sie vom Training des Vortages aufgrund von zu viel Milchsäure in ihren Beinen wund sind.

Neuere Forschungen haben dieses Paradigma in Frage gestellt. Laktat (hier werden dieser Begriff und "Milchsäure" der Einfachheit halber austauschbar verwendet) hat sich als alles andere als ein verschwenderisches Molekül erwiesen, das nicht die Ursache für Muskelversagen oder Brennen. Es dient offenbar sowohl als Signalmolekül zwischen Zellen und Geweben als auch als gut getarnte Brennstoffquelle.

Die traditionelle Begründung dafür, wie Laktat angeblich Muskelversagen verursacht, ist ein niedriger pH-Wert (hoher Säuregehalt) in den arbeitenden Muskeln. Der normale pH-Wert des Körpers bewegt sich zwischen sauer und basisch im neutralen Bereich, aber Milchsäure scheidet aus Protonen zu Laktat werden die Muskeln mit Wasserstoffionen überflutet, wodurch sie funktionsunfähig werden se. Diese Idee wurde jedoch seit den 1980er Jahren stark in Frage gestellt. Nach Ansicht der Wissenschaftler, die eine andere Theorie vertreten, ist nur sehr wenig von der H⁺ das sich in arbeitenden Muskeln ansammelt, kommt eigentlich von Milchsäure. Diese Idee ist hauptsächlich aus einer genauen Untersuchung der Glykolysereaktionen "stromaufwärts" von Pyruvat entstanden, die sowohl den Pyruvat- als auch den Laktatspiegel beeinflussen. Außerdem wird während des Trainings mehr Milchsäure aus den Muskelzellen transportiert, als bisher angenommen wurde, wodurch die Fähigkeit zur Abgabe von H. eingeschränkt wird⁺ in die Muskeln. Ein Teil dieses Laktats kann von der Leber aufgenommen und zur Herstellung von Glukose verwendet werden, indem man den Schritten der Glykolyse in umgekehrter Weise folgt. Zusammenfassend, wie viel Verwirrung um dieses Thema im Jahr 2018 noch herrscht, haben einige Wissenschaftler sogar schlug vor, Laktat als Treibstoffergänzung für das Training zu verwenden, um so lang gehegte Ideen vollständig zu drehen kopfüber.