Mi a tejsav fermentáció?

Amilyen mértékben ismeri az "erjedés" szót, hajlamos lehet társítani azt az alkoholos italok készítésének folyamatával. Bár ez valóban kihasználja az erjedés egyik típusát (formálisan és nem titokzatosan nevezik alkoholos erjesztés), egy második típus, tejsav fermentáció, valójában létfontosságúbb, és szinte biztosan előfordul bizonyos mértékben a saját testében, amikor ezt olvassa.

A fermentáció minden olyan mechanizmusra utal, amelynek révén a sejt glükóz felhasználásával oxigén nélkül képes energiát adenozin-trifoszfát (ATP) formájában felszabadítani - vagyis anaerob körülmények között. Alatt minden körülmények - például oxigénnel vagy anélkül, valamint eukarióta (növényi és állati) és prokarióta (bakteriális) sejtekben egyaránt - a glükóz molekulájának, az úgynevezett glikolízisnek az anyagcseréje számos lépésen keresztül megy végbe két molekula előállításához piruvát. Ami ezután történik, attól függ, hogy melyik szervezet vesz részt, és hogy oxigén van-e jelen.

Minden organizmusban a glükóz (C₆H₁₂O₆) energiaforrásként használják, és kilenc különálló kémiai reakció sorozatában piruváttá alakul. Maga a glükóz mindenféle élelmiszer lebontásából származik, beleértve a szénhidrátokat, fehérjéket és zsírokat. Ezek a reakciók mind a sejt citoplazmájában játszódnak le, függetlenül a speciális sejtmechanizmustól. A folyamat energiabefektetéssel kezdődik: Két foszfátcsoport, mindegyik a az ATP-molekula kapcsolódik a glükózmolekulához, így két adenozin-difoszfát (ADP) molekula marad mögött. Az eredmény egy olyan molekula, amely hasonlít a gyümölcscukor-fruktózra, de a két foszfátcsoport kapcsolódik. Ez a vegyület három szénatomra, dihidroxi-aceton-foszfátra (DHAP) és két glicerinaldehid-3-foszfát (G-3-P), amelyek kémiai képlete azonos, de eltérő elrendezésű alkotó atomok; a DHAP ezután mindenképpen G-3-P-vé alakul.

Ezután a két G-3-P molekula belép a glikolízis energiatermelő szakaszába. A G-3-P (és ne feledje, ezek közül kettő van) feladja a protont vagy hidrogénatomot a NAD + (nikotinamid-adenin-dinukleotid) molekulának, amely fontos energia hordozó sok sejtes reakcióban) NADH előállításához, míg a NAD foszfátot ad a G-3-P-nek, hogy biszfoszfogliceráttá (BPG), két vegyületet tartalmazó vegyületté alakítsa át foszfátok. Ezek mindegyikét ADP-nek adják, így két ATP képződik, miközben végül piruvát képződik. Emlékezzünk azonban arra, hogy minden, ami a hatszénes cukor két háromszénesre osztása után történik cukrok megduplázódnak, tehát ez azt jelenti, hogy a glikolízis nettó eredménye négy ATP, két NADH és két piruvát molekulák.

Fontos megjegyezni, hogy a glikolízist anaerobnak tekintik, mert oxigén nem szükséges hogy a folyamat bekövetkezzék. Ezt könnyű összekeverni "csak akkor, ha nincs oxigén". Ugyanúgy le lehet sétálni egy dombról egy autóban, még egy teljes benzin mellett is, és így "gázmentes vezetés" során a glikolízis ugyanúgy bontakozik ki, függetlenül attól, hogy oxigén van-e bőséges mennyiségben, kisebb mennyiségben vagy sem minden.

Miután a glikolízis elérte a piruvát lépést, a piruvátmolekulák sorsa az adott környezettől függ. Az eukariótákban, ha elegendő oxigén van jelen, a piruvát szinte teljes része aerob légzésbe kerül. Ennek a kétlépcsős folyamatnak az első lépése a Krebs-ciklus, amelyet citromsav- vagy trikarbonsav-ciklusnak is neveznek; a második lépés az elektrontranszport lánc. Ezek a sejtek mitokondriumaiban játszódnak le, amelyek gyakran apró erőművekhez hasonlíthatók. Egyes prokarióták annak ellenére képesek aerob anyagcserét folytatni, hogy nincs mitokondriumuk vagy más organellájuk (a "fakultatív aerobok"), de a legtöbb esetben részben az anaerob anyagcsere útvonalán keresztül tudják kielégíteni energiaigényüket, és sok baktériumot valóban megmérgez oxigén (a "kötelező" anaerobok ").

Ha elegendő oxigén van nem a prokariótákban és a legtöbb eukariótákban a piruvát a tejsav fermentációs útjára lép. Ez alól kivételt képez az egysejtű eukarióta élesztő, egy gomba, amely a piruvátot etanollá (az alkoholos italokban található két szénatomot tartalmazó alkohol) metabolizálja. Alkoholos fermentáció során a piruvátból szén-dioxid-molekulát távolítanak el, így acetaldehid keletkezik, majd az acetaldehidhez hidrogénatomot kötve etanolt állítanak elő.

A glikolízis elméletileg korlátlanul folytathatja az energiaellátást az anyaszervezet számára, mivel minden glükóz nettó energianyereséget eredményez. Végül is a glükóz többé-kevésbé folyamatosan bekerülhet a rendszerbe, ha a szervezet egyszerűen elegen eszik, és az ATP lényegében megújuló erőforrás. A korlátozó tényező itt a NAD elérhetősége⁺, és itt jön be a tejsav fermentáció.

A laktát-dehidrogenáz (LDH) nevű enzim proton (H⁺) a piruváttá, és ennek során a glikolízisből származó NADH egy része visszaalakul NAD-dá⁺. Ez NAD-t biztosít⁺ molekula, amely visszavezethető az "upstream" felé, hogy részt vegyen a glikolízisben, és ezáltal elősegítse annak fenntartását. A valóságban ez nem teljesen helyreállító a szervezet metabolikus szükségleteit tekintve. Az embereket példaként említve, még a nyugalmi helyzetben ülő személyek sem képesek csupán a glikolízissel megközelíteni anyagcsere-szükségleteiket. Ez valószínűleg abban nyilvánul meg, hogy amikor az emberek abbahagyják a légzést, oxigénhiány miatt nem tudják sokáig fenntartani az életet. Ennek eredményeként az erjedéssel kombinált glikolízis valójában csak egy ütközéses intézkedés, egy kis segédüzemanyag-tartály egyenértékének felhasználására, amikor a motornak extra üzemanyagra van szüksége. Ez a koncepció képezi a gyakorlati világban a köznyelvi kifejezések teljes alapját: "Érezd az égést", "Üsd a falat" és mások.

Ha a tejsav - olyan anyag, amiről szinte biztosan hallottál, ismét a testmozgás kapcsán - valaminek hangzik ami megtalálható a tejben (előfordulhat, hogy a helyi tejhűtőben látott olyan termékneveket, mint a Lactaid), ez nem véletlen. A laktátot az elavult tejben először 1780-ban izolálták. (Laktát a tejsav azon formájának a neve, amely protont adott, amint azt definíció szerint minden sav megteszi. Ez a savaknak az "-ate" és "-sav" elnevezési szokása a kémia egészére kiterjed.) Ha fut, súlyokat emel vagy nagy intenzitású gyakorlatokban vesz részt - bármi, ami kényelmetlenül nehezen lélegzik, valójában - az oxigénre épülő aerob anyagcsere már nem elegendő ahhoz, hogy lépést tarthasson munkája igényeivel izmok.

Ilyen körülmények között a test "oxigénadósságba" megy, ami valami félrevezetés, mivel a valódi kérdés egy olyan sejtes készülék, amely glükózmolekulánként "csak" 36 vagy 38 ATP-t termel szállított. Ha a testmozgás intenzitása tartós, a test megpróbálja tartani a tempót azáltal, hogy az LDH-t magas fokozatba rúgja, és annyi NAD-ot generál⁺ a piruvát laktáttá történő átalakításával. Ezen a ponton a rendszer aerob komponense egyértelműen maximális, és az anaerob komponens küzd ugyanúgy, ahogy valaki eszeveszetten megment egy csónakot, észreveszi, hogy a vízszint az övé ellenére is tovább emelkedik erőfeszítések.

Az erjedésben keletkező laktát hamarosan egy protonhoz kapcsolódik, amely tejsavat generál. Ez a sav folyamatosan növekszik az izmokban, miközben a munka megmarad, míg végül az ATP létrehozásának minden útja egyszerűen nem képes lépést tartani. Ebben a szakaszban az izmos munkának lelassulnia vagy teljesen le kell állnia. Egy mérföldes versenyen induló, de fitneszszintjéhez képest kissé túl gyorsan induló futó három kört találhat magának a négy körös versenyben, máris meggyengítve az oxigénadósságot. Az egyszerű befejezéshez drasztikusan lelassulnia kell, és az izmait annyira megadóztatják, hogy a futási formája vagy stílusa valószínűleg láthatóan szenvedni fog. Ha valaha is figyelt egy futót egy hosszú sprintversenyen, például a 400 méteren (amely a világszínvonalú sportolókat 45-50 másodperc a célba éréshez) a verseny utolsó szakaszában erősen lassan, valószínűleg észrevette, hogy majdnem úgy tűnik úszás. Ez lazán szólva az izom meghibásodásának tudható be: Bármilyen üzemanyagforrás hiányában a sportoló izmainak rostjai egyszerűen nem tudnak összehúzódni teljesen vagy pontosan, és ennek következménye egy futó, aki hirtelen úgy néz ki, mintha egy láthatatlan zongorát vagy más nagy tárgyat cipelne magára vissza.

A tudósok régóta tudják, hogy a tejsav gyorsan felépül a kudarc küszöbén álló izmokban. Hasonlóképpen jól megalapozott, hogy az a fajta testmozgás, amely az ilyen típusú gyors izomelégtelenséghez vezet, egyedi és jellegzetes égő érzést kelt az érintett izmokban. (Ezt nem nehéz kiváltani; dobjon le a padlóra és próbáljon meg 50 megszakítás nélküli fekvőtámaszt végrehajtani, és gyakorlatilag biztos, hogy a mellkas és a váll izmai hamarosan "megégik".) Ezért elég természetes volt feltételezni, hogy ellentétes bizonyíték hiányában, hogy maga a tejsav okozta az égést, és hogy maga a tejsav valami toxin volt - ez egy szükséges gonoszság a szükséges szükséglet előállításához NAD⁺. Ez a meggyőződés alaposan elterjedt az egész gyakorlati közösségben; menj el egy pályamegbeszélésre vagy egy 5K-s közúti versenyre, és valószínűleg hallani fogod, hogy a futók panaszkodnak az előző napi edzés fájására a lábukban lévő túl sok tejsavnak köszönhetően.

Újabb kutatások megkérdőjelezték ezt a paradigmát. A laktátról (itt ezt a kifejezést és a "tejsavat" felcserélhető módon használják az egyszerűség kedvéért) kiderült, hogy bármi más, csak egy pazarló molekula, nem izomelégtelenség vagy égés oka. Nyilvánvaló, hogy jelzõmolekulaként is szolgál a sejtek és szövetek között, és önmagában jól elrejtett üzemanyagforrásként.

A laktát állítólag izomelégtelenséget okozó hagyományos indoklása az alacsony pH (magas savtartalom) a dolgozó izmokban. A test normál pH-értéke semleges közelében mozog a savas és a bázikus között, de a tejsav leadja azt a laktáttá váló protonok elárasztják az izmokat hidrogénionokkal, ezáltal képtelenek működni se. Ezt az elképzelést azonban az 1980-as évek óta erősen kifogásolták. A más elméletet előmozdító tudósok véleménye szerint nagyon kevés a H⁺ ami a működő izmokban felhalmozódik, valójában a tejsavból származik. Ez az ötlet főleg a piruváttól "felfelé" glikolízisreakciók szoros tanulmányozásából származik, amelyek mind a piruvát, mind a laktát szintjét befolyásolják. Ezenkívül több tejsav szállul ki az izomsejtekből edzés közben, mint azt korábban gondolták, korlátozva ezzel annak képességét, hogy kiürítse a H-t⁺ az izmokba. Ennek a laktátnak egy részét a máj felveheti és felhasználhatja glükóz előállításához a glikolízis lépéseinek fordított követésével. Összefoglalva, hogy 2018-tól mekkora a zűrzavar még a kérdés körül, egyes tudósok még javasolta a laktát üzemanyag-kiegészítőként való használatát a testmozgáshoz, ezáltal teljesen megváltoztatva a régóta tartott ötleteket fejjel lefelé.