En la medida en que esté familiarizado con la palabra "fermentación", es posible que se sienta inclinado a asociarla con el proceso de creación de bebidas alcohólicas. Si bien esto de hecho aprovecha un tipo de fermentación (formal y no misteriosamente llamado fermentación alcohólica), un segundo tipo, fermentación de ácido láctico, es en realidad más vital y casi con certeza está ocurriendo hasta cierto punto en su propio cuerpo mientras lee esto.
La fermentación se refiere a cualquier mecanismo por el cual una célula puede usar glucosa para liberar energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) en ausencia de oxígeno, es decir, en condiciones anaeróbicas. Debajo todas condiciones - por ejemplo, con o sin oxígeno, y tanto en células eucariotas (plantas y animales) como procariotas (bacterianas) - el metabolismo de una molécula de glucosa, llamada glucólisis, procede a través de una serie de pasos para producir dos moléculas de piruvato. Lo que sucede entonces depende de qué organismo esté involucrado y si hay oxígeno presente.
Preparando la mesa para la fermentación: glucólisis
En todos los organismos, la glucosa (C6H12O6) se utiliza como fuente de energía y se convierte en una serie de nueve reacciones químicas distintas en piruvato. La glucosa en sí proviene de la descomposición de todo tipo de alimentos, incluidos los carbohidratos, las proteínas y las grasas. Todas estas reacciones tienen lugar en el citoplasma celular, independientemente de la maquinaria celular especial. El proceso comienza con una inversión de energía: dos grupos fosfato, cada uno de ellos tomado de un molécula de ATP, se unen a la molécula de glucosa, dejando dos moléculas de difosfato de adenosina (ADP) detrás. El resultado es una molécula que se asemeja a la fructosa del azúcar de la fruta, pero con los dos grupos fosfato unidos. Este compuesto se divide en un par de moléculas de tres carbonos, fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) y gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P), que tienen la misma fórmula química pero diferentes disposiciones de sus átomos constituyentes; el DHAP luego se convierte en G-3-P de todos modos.
Las dos moléculas de G-3-P luego entran en lo que a menudo se denomina la etapa de producción de energía de la glucólisis. G-3-P (y recuerde, hay dos de estos) cede un protón, o átomo de hidrógeno, a una molécula de NAD + (dinucleótido de nicotinamida y adenina, una energía importante portador en muchas reacciones celulares) para producir NADH, mientras que el NAD dona un fosfato a G-3-P para convertirlo en bisfosfoglicerato (BPG), un compuesto con dos fosfatos. Cada uno de estos se libera a ADP para formar dos ATP cuando finalmente se genera piruvato. Sin embargo, recordemos que todo lo que sucede después de la división del azúcar de seis carbonos en dos de tres carbonos azúcares se duplica, por lo que esto significa que el resultado neto de la glucólisis es cuatro ATP, dos NADH y dos piruvato moléculas.
Es importante señalar que la glucólisis se considera anaeróbica porque no se requiere oxígeno para que ocurra el proceso. Es fácil confundir esto con "sólo si no hay oxígeno". De la misma manera, puede bajar una colina en un automóvil incluso con el tanque lleno de gasolina, y así participar en "conducción sin gas", la glucólisis se desarrolla de la misma manera si el oxígeno está presente en cantidades generosas, cantidades más pequeñas o no en todas.
¿Dónde y cuándo ocurre la fermentación del ácido láctico?
Una vez que la glucólisis ha alcanzado el paso de piruvato, el destino de las moléculas de piruvato depende del entorno específico. En eucariotas, si hay suficiente oxígeno, casi todo el piruvato se transporta a la respiración aeróbica. El primer paso de este proceso de dos pasos es el ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico; el segundo paso es la cadena de transporte de electrones. Estos tienen lugar en las mitocondrias de las células, orgánulos que a menudo se comparan con pequeñas plantas de energía. Algunos procariotas pueden participar en el metabolismo aeróbico a pesar de no tener mitocondrias u otros orgánulos (los "aerobios facultativos"), pero en la mayoría de los casos En parte, pueden satisfacer sus necesidades energéticas a través de las vías metabólicas anaeróbicas solamente, y muchas bacterias son envenenadas por el oxígeno (el "obligado anaerobios ").
Cuando hay suficiente oxígeno no presente, en procariotas y la mayoría de eucariotas, el piruvato entra en la vía de fermentación del ácido láctico. La excepción a esto es la levadura eucariota unicelular, un hongo que metaboliza el piruvato en etanol (el alcohol de dos carbonos que se encuentra en las bebidas alcohólicas). En la fermentación alcohólica, se elimina una molécula de dióxido de carbono del piruvato para crear acetaldehído, y luego se une un átomo de hidrógeno al acetaldehído para generar etanol.
Fermentación de ácido láctico
En teoría, la glucólisis podría proceder indefinidamente para suministrar energía al organismo padre, ya que cada glucosa da como resultado una ganancia neta de energía. Después de todo, la glucosa podría introducirse más o menos continuamente en el esquema si el organismo simplemente come lo suficiente, y el ATP es esencialmente un recurso renovable. El factor limitante aquí es la disponibilidad de NAD+, y aquí es donde entra en juego la fermentación del ácido láctico.
Una enzima llamada lactato deshidrogenasa (LDH) convierte el piruvato en lactato agregando un protón (H+) al piruvato y, en el proceso, parte del NADH de la glucólisis se convierte de nuevo en NAD.+. Esto proporciona un NAD+ molécula que se puede devolver "corriente arriba" para participar y, por tanto, ayudar a mantener la glucólisis. En realidad, esto no es del todo reparador en términos de las necesidades metabólicas de un organismo. Usando a los humanos como ejemplo, incluso una persona sentada en reposo no podría acercarse a satisfacer sus necesidades metabólicas a través de la glucólisis solamente. Esto probablemente sea evidente en el hecho de que cuando las personas dejan de respirar, no pueden mantener la vida por mucho tiempo por falta de oxígeno. Como resultado, la glucólisis combinada con la fermentación es realmente solo una medida provisional, una forma de aprovechar el equivalente a un pequeño tanque de combustible auxiliar cuando el motor necesita combustible adicional. Este concepto forma la base completa de las expresiones coloquiales en el mundo del ejercicio: "Siente el ardor", "golpea la pared" y otros.
Lactato y ejercicio
Si el ácido láctico, una sustancia de la que es casi seguro que haya oído hablar, nuevamente en el contexto del ejercicio, suena como algo que se puede encontrar en la leche (es posible que haya visto nombres de productos como Lactaid en el refrigerador de productos lácteos local), esto no es un accidente. El lactato se aisló por primera vez en leche rancia allá por 1780. (Lactato es el nombre de la forma de ácido láctico que ha donado un protón, como lo hacen todos los ácidos por definición. Esta convención de nomenclatura de "-ato" y "-ácido -ic" para los ácidos abarca toda la química). Cuando está corriendo o levantando pesas o participando en tipos de ejercicio de alta intensidad: cualquier cosa que te haga respirar con dificultad, de hecho: el metabolismo aeróbico, que depende del oxígeno, ya no es suficiente para satisfacer las demandas de tu trabajo músculos.
En estas condiciones, el cuerpo entra en "deuda de oxígeno", que es un nombre poco apropiado ya que el El problema real es un aparato celular que produce "solo" 36 o 38 ATP por molécula de glucosa. suministrado. Si la intensidad del ejercicio se mantiene, el cuerpo intenta mantener el ritmo acelerando la LDH y generando la mayor cantidad de NAD.+ como sea posible a través de la conversión de piruvato en lactato. En este punto, el componente aeróbico del sistema está claramente al máximo y el componente anaeróbico está luchando en de la misma manera que alguien que rescata frenéticamente un bote se da cuenta de que el nivel del agua sigue subiendo a pesar de su esfuerzos.
El lactato que se produce en la fermentación pronto tiene un protón adherido, lo que genera ácido láctico. Este ácido continúa acumulándose en los músculos a medida que se mantiene el trabajo, hasta que finalmente todas las vías para generar ATP simplemente no pueden seguir el ritmo. En esta etapa, el trabajo muscular debe ralentizarse o cesar por completo. Una corredora que está en una carrera de una milla pero comienza un poco demasiado rápido para su nivel de condición física puede encontrarse a tres vueltas de la competencia de cuatro vueltas ya con una abrumadora deuda de oxígeno. Para simplemente terminar, debe reducir drásticamente la velocidad y sus músculos están tan agotados que es probable que su forma o estilo de correr sufra visiblemente. Si alguna vez ha visto a un corredor en una carrera de velocidad larga, como la de 400 metros (que lleva a los atletas de clase mundial entre 45 y 50 segundos para terminar) lento severamente en la parte final de la carrera, probablemente haya notado que él o ella casi parece estar natación. Esto, en términos generales, se puede atribuir a la insuficiencia muscular: en ausencia de fuentes de combustible de ningún tipo, las fibras de los músculos del atleta simplemente no pueden contraerse completamente o con precisión, y la consecuencia es un corredor que de repente parece que lleva un piano invisible u otro objeto grande en su espalda.
Ácido láctico y "The Burn": ¿un mito?
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el ácido láctico se acumula rápidamente en los músculos que están a punto de fallar. Asimismo, está bien establecido que el tipo de ejercicio físico que conduce a este tipo de insuficiencia muscular rápida produce una sensación de ardor única y característica en los músculos afectados. (No es difícil inducir esto; Tírese al suelo e intente hacer 50 flexiones ininterrumpidas, y es prácticamente seguro que los músculos del pecho y los hombros pronto experimentarán "la quemadura"). Por lo tanto, fue bastante natural asumir, en ausencia de evidencia contraria, que el ácido láctico en sí mismo fue la causa de la quemadura, y que el ácido láctico en sí mismo era una especie de toxina, un mal necesario en el camino para producir la muy necesaria NAD+. Esta creencia se ha propagado a fondo en toda la comunidad del ejercicio; vaya a una competencia de pista o carrera de carretera de 5 km, y es probable que escuche a los corredores quejarse de que les duele el entrenamiento del día anterior debido al exceso de ácido láctico en las piernas.
Investigaciones más recientes han cuestionado este paradigma. Se ha descubierto que el lactato (aquí, este término y "ácido láctico" se usan indistintamente por simplicidad) es cualquier cosa menos una molécula derrochadora que es no la causa de la insuficiencia muscular o ardor. Aparentemente, sirve como molécula de señalización entre células y tejidos y como fuente de combustible bien disfrazada por derecho propio.
El razonamiento tradicional que se ofrece de cómo el lactato supuestamente causa insuficiencia muscular es un pH bajo (alta acidez) en los músculos que trabajan. El pH normal del cuerpo se sitúa cerca de neutral entre ácido y básico, pero el ácido láctico se deshace de su protones para convertirse en lactato inunda los músculos con iones de hidrógeno, haciéndolos incapaces de funcionar por se. Esta idea, sin embargo, ha sido fuertemente cuestionada desde la década de 1980. En opinión de los científicos que avanzan en una teoría diferente, muy poco de la H+ que se acumula en los músculos que trabajan en realidad proviene del ácido láctico. Esta idea ha surgido principalmente de un estudio detallado de las reacciones de glucólisis "aguas arriba" del piruvato, que afectan tanto a los niveles de piruvato como a los de lactato. Además, durante el ejercicio se transporta más ácido láctico fuera de las células musculares de lo que se creía anteriormente, lo que limita su capacidad para eliminar el H+ en los músculos. Parte de este lactato puede ser absorbido por el hígado y utilizado para producir glucosa siguiendo los pasos de la glucólisis a la inversa. Resumiendo cuánta confusión existe todavía en 2018 en torno a este tema, algunos científicos incluso han sugirió usar lactato como un suplemento de combustible para el ejercicio, convirtiendo así por completo las ideas arraigadas al revés.