Apa itu Fermentasi Asam Laktat?

Sejauh Anda akrab dengan kata "fermentasi", Anda mungkin cenderung mengaitkannya dengan proses pembuatan minuman beralkohol. Meskipun ini memang memanfaatkan satu jenis fermentasi (secara formal dan non-misterius disebut fermentasi alkohol), tipe kedua, fermentasi asam laktat, sebenarnya lebih penting dan hampir pasti terjadi sampai batas tertentu di tubuh Anda sendiri saat Anda membaca ini.

Fermentasi mengacu pada mekanisme apa pun di mana sel dapat menggunakan glukosa untuk melepaskan energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) tanpa adanya oksigen - yaitu, dalam kondisi anaerob. Dibawah semua kondisi – misalnya, dengan atau tanpa oksigen, dan dalam sel eukariotik (tumbuhan dan hewan) dan prokariotik (bakteri) – metabolisme molekul glukosa, yang disebut glikolisis, berlangsung melalui sejumlah langkah untuk menghasilkan dua molekul piruvat. Apa yang kemudian terjadi tergantung pada organisme apa yang terlibat dan apakah oksigen ada.

Dalam semua organisme, glukosa (C

Kedua molekul G-3-P kemudian memasuki apa yang sering disebut tahap glikolisis penghasil energi. G-3-P (dan ingat, ada dua di antaranya) melepaskan proton, atau atom hidrogen, ke molekul NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide, energi penting pembawa dalam banyak reaksi seluler) untuk menghasilkan NADH, sedangkan NAD menyumbangkan fosfat ke G-3-P untuk mengubahnya menjadi bifosfogliserat (BPG), senyawa dengan dua fosfat. Masing-masing dilepaskan ke ADP untuk membentuk dua ATP saat piruvat akhirnya dihasilkan. Namun, ingatlah bahwa segala sesuatu yang terjadi setelah pemecahan gula enam karbon menjadi dua gula tiga karbon gula digandakan, jadi ini berarti bahwa hasil bersih dari glikolisis adalah empat ATP, dua NADH dan dua piruvat molekul.

Penting untuk dicatat bahwa glikolisis dianggap anaerobik karena oksigen tidak diperlukan agar proses tersebut terjadi. Sangat mudah untuk membingungkan ini dengan "hanya jika tidak ada oksigen". Dengan cara yang sama Anda dapat meluncur menuruni bukit dengan mobil bahkan dengan tangki bensin penuh, dan dengan demikian terlibat dalam "penggerak tanpa gas," glikolisis terungkap dengan cara yang sama apakah oksigen hadir dalam jumlah yang banyak, jumlah yang lebih kecil atau tidak pada semua.

Setelah glikolisis telah mencapai langkah piruvat, nasib molekul piruvat tergantung pada lingkungan spesifik. Pada eukariota, jika ada oksigen yang cukup, hampir semua piruvat dibawa ke respirasi aerobik. Langkah pertama dari proses dua langkah ini adalah siklus Krebs, juga disebut siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat; langkah kedua adalah rantai transpor elektron. Ini terjadi di mitokondria sel, organel yang sering disamakan dengan pembangkit listrik kecil. Beberapa prokariota dapat terlibat dalam metabolisme aerobik meskipun tidak memiliki mitokondria atau organel lain ("aerob fakultatif"), tetapi untuk sebagian besar prokariota. sebagian mereka dapat memenuhi kebutuhan energi mereka melalui jalur metabolisme anaerobik saja, dan banyak bakteri sebenarnya diracuni oleh oksigen (“obligat anaerob").

Ketika oksigen yang cukup adalah tidak hadir, pada prokariota dan sebagian besar eukariota, piruvat memasuki jalur fermentasi asam laktat. Pengecualian untuk ini adalah ragi eukariota bersel tunggal, jamur yang memetabolisme piruvat menjadi etanol (alkohol dua karbon yang ditemukan dalam minuman beralkohol). Dalam fermentasi alkohol, molekul karbon dioksida dikeluarkan dari piruvat untuk membuat asetaldehida, dan atom hidrogen kemudian dilekatkan pada asetaldehida untuk menghasilkan etanol.

Glikolisis secara teori dapat berlangsung tanpa batas untuk memasok energi ke organisme induk, karena setiap glukosa menghasilkan perolehan energi bersih. Lagi pula, glukosa bisa lebih atau kurang terus-menerus dimasukkan ke dalam skema jika organisme cukup makan, dan ATP pada dasarnya adalah sumber daya terbarukan. Faktor pembatas di sini adalah ketersediaan NAD⁺, dan di sinilah fermentasi asam laktat terjadi.

Enzim yang disebut laktat dehidrogenase (LDH) mengubah piruvat menjadi laktat dengan menambahkan proton (H⁺) menjadi piruvat, dan dalam prosesnya, beberapa NADH dari glikolisis diubah kembali menjadi NAD⁺. Ini memberikan NAD⁺ molekul yang dapat dikembalikan "hulu" untuk berpartisipasi, dan dengan demikian membantu mempertahankan, glikolisis. Pada kenyataannya, ini tidak sepenuhnya restoratif dalam hal kebutuhan metabolisme organisme. Menggunakan manusia sebagai contoh, bahkan seseorang yang duduk diam tidak dapat memenuhi kebutuhan metabolismenya melalui glikolisis saja. Ini mungkin terbukti dalam fakta bahwa ketika orang berhenti bernapas, mereka tidak dapat mempertahankan hidup untuk waktu yang lama karena kekurangan oksigen. Akibatnya, glikolisis yang dikombinasikan dengan fermentasi benar-benar hanya tindakan sementara, suatu cara untuk memanfaatkan tangki bahan bakar tambahan yang kecil dan setara ketika mesin membutuhkan bahan bakar tambahan. Konsep ini membentuk seluruh dasar ekspresi sehari-hari di dunia latihan: "Rasakan terbakar", "bentur dinding" dan lain-lain.

Jika asam laktat – zat yang hampir pasti Anda dengar, sekali lagi dalam konteks olahraga – terdengar seperti sesuatu yang mungkin ditemukan dalam susu (Anda mungkin pernah melihat nama produk seperti Lactaid di pendingin susu lokal), ini bukan kebetulan. Laktat pertama kali diisolasi dalam susu basi pada tahun 1780. (laktat adalah nama bentuk asam laktat yang telah menyumbangkan proton, seperti yang dilakukan semua asam menurut definisinya. Konvensi penamaan "-ate" dan "-ic acid" untuk asam ini mencakup semua kimia.) Saat Anda berlari atau mengangkat beban atau berpartisipasi dalam jenis olahraga intensitas tinggi – apa pun yang membuat Anda sulit bernapas, sebenarnya – metabolisme aerobik, yang bergantung pada oksigen, tidak lagi cukup untuk memenuhi tuntutan pekerjaan Anda otot.

Di bawah kondisi ini, tubuh masuk ke "hutang oksigen," yang merupakan sesuatu yang keliru karena masalah sebenarnya adalah peralatan seluler yang menghasilkan "hanya" 36 atau 38 ATP per molekul glukosa dipasok. Jika intensitas latihan dipertahankan, tubuh berusaha mengimbangi dengan menendang LDH ke gigi tinggi dan menghasilkan NAD sebanyak mungkin.⁺ mungkin melalui konversi piruvat menjadi laktat. Pada titik ini komponen aerobik dari sistem jelas sudah maksimal, dan komponen anaerobik sedang berjuang untuk masuk dengan cara yang sama seseorang dengan panik menyelamatkan perahu menyadari bahwa permukaan air terus naik meskipun dia upaya.

Laktat yang dihasilkan dalam fermentasi segera memiliki proton yang melekat padanya, menghasilkan asam laktat. Asam ini terus menumpuk di otot saat pekerjaan dipertahankan, sampai akhirnya semua jalur untuk menghasilkan ATP tidak dapat mengimbanginya. Pada tahap ini, kerja otot harus melambat atau berhenti sama sekali. Seorang pelari yang berada dalam perlombaan satu mil tetapi mulai agak terlalu cepat untuk tingkat kebugarannya mungkin mendapati dirinya dalam tiga putaran dalam kontes empat putaran sudah dalam hutang oksigen yang melumpuhkan. Untuk menyelesaikannya, dia harus melambat secara drastis, dan otot-ototnya sangat tegang sehingga bentuk atau gaya berlarinya kemungkinan besar akan terlihat menderita. Jika Anda pernah menyaksikan seorang pelari dalam lomba lari sprint panjang, seperti lari 400 meter (yang membutuhkan waktu sekitar 45-50 detik untuk menyelesaikan) sangat lambat di bagian akhir balapan, Anda mungkin telah memperhatikan bahwa dia hampir terlihat renang. Ini, secara longgar, disebabkan oleh kegagalan otot: Tidak adanya sumber bahan bakar dalam bentuk apa pun, serat di otot atlet tidak dapat berkontraksi lengkap atau dengan presisi, dan akibatnya adalah seorang pelari yang tiba-tiba terlihat seolah-olah sedang membawa piano tak kasat mata atau benda besar lainnya di atas kepalanya. kembali.

Para ilmuwan sejak lama telah mengetahui bahwa asam laktat menumpuk dengan cepat di otot yang hampir gagal. Demikian pula, telah diketahui bahwa jenis latihan fisik yang mengarah pada jenis kegagalan otot yang cepat ini menghasilkan sensasi terbakar yang unik dan khas pada otot yang terkena. (Tidak sulit untuk mendorong ini; jatuh ke lantai dan mencoba melakukan 50 push-up tanpa gangguan, dan hampir dapat dipastikan bahwa otot-otot di dada dan bahu Anda akan segera mengalami "luka bakar.") Oleh karena itu, itu cukup alami untuk berasumsi, tanpa bukti yang bertentangan, bahwa asam laktat itu sendiri adalah penyebab luka bakar, dan bahwa asam laktat itu sendiri adalah sesuatu dari racun – kejahatan yang diperlukan sepanjang jalan untuk membuat sangat dibutuhkan NAD⁺. Keyakinan ini telah disebarkan secara menyeluruh di seluruh komunitas olahraga; pergi ke trek bertemu atau 5K road race, dan Anda mungkin mendengar pelari mengeluh sakit dari latihan hari sebelumnya karena terlalu banyak asam laktat di kaki mereka.

Penelitian yang lebih baru telah mempertanyakan paradigma ini. Laktat (di sini, istilah ini dan "asam laktat" digunakan secara bergantian untuk kesederhanaan) telah ditemukan menjadi apa pun kecuali molekul boros yang tidak penyebab kegagalan otot atau rasa terbakar. Tampaknya berfungsi sebagai molekul pemberi sinyal antara sel dan jaringan dan sumber bahan bakar yang tersembunyi dengan baik.

Alasan tradisional yang ditawarkan tentang bagaimana laktat diduga menyebabkan kegagalan otot adalah pH rendah (keasaman tinggi) pada otot yang bekerja. PH normal tubuh mendekati netral antara asam dan basa, tetapi asam laktat melepaskannya proton menjadi laktat membanjiri otot dengan ion hidrogen, membuat mereka tidak dapat berfungsi per se. Ide ini, bagaimanapun, telah sangat ditentang sejak tahun 1980-an. Dalam pandangan para ilmuwan yang mengajukan teori yang berbeda, sangat sedikit dari H⁺ yang menumpuk di otot yang bekerja sebenarnya berasal dari asam laktat. Ide ini muncul terutama dari studi dekat reaksi glikolisis "hulu" dari piruvat, yang mempengaruhi tingkat piruvat dan laktat. Juga, lebih banyak asam laktat yang diangkut keluar dari sel otot selama latihan daripada yang diyakini sebelumnya, sehingga membatasi kemampuannya untuk membuang H⁺ ke dalam otot. Beberapa laktat ini dapat diambil oleh hati dan digunakan untuk membuat glukosa dengan mengikuti langkah-langkah glikolisis secara terbalik. Meringkas berapa banyak kebingungan yang masih ada pada 2018 seputar masalah ini, beberapa ilmuwan bahkan menyarankan menggunakan laktat sebagai suplemen bahan bakar untuk berolahraga, sehingga mengubah ide yang sudah lama dipegang sepenuhnya terbalik.