Nella misura in cui hai familiarità con la parola "fermentazione", potresti essere incline ad associarla al processo di creazione di bevande alcoliche. Mentre questo in effetti sfrutta un tipo di fermentazione (chiamato formalmente e non misteriosamente fermentazione alcolica), un secondo tipo, fermentazione dell'acido lattico, è in realtà più vitale e quasi sicuramente si verifica in una certa misura nel tuo stesso corpo mentre leggi questo.
La fermentazione si riferisce a qualsiasi meccanismo mediante il quale una cellula può utilizzare il glucosio per rilasciare energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) in assenza di ossigeno, cioè in condizioni anaerobiche. Sotto tutti condizioni – ad esempio, con o senza ossigeno, e sia nelle cellule eucariotiche (vegetali e animali) che procariotiche (batteriche) – il metabolismo di una molecola di glucosio, chiamata glicolisi, procede attraverso una serie di passaggi per produrre due molecole di piruvato. Quello che poi accade dipende da quale organismo è coinvolto e dalla presenza di ossigeno.
Apparecchiare la tavola per la fermentazione: glicolisi
In tutti gli organismi, il glucosio (C6H12oh6) viene utilizzato come fonte di energia e viene convertito in piruvato in una serie di nove distinte reazioni chimiche. Il glucosio stesso deriva dalla scomposizione di tutti i tipi di alimenti, inclusi carboidrati, proteine e grassi. Queste reazioni avvengono tutte nel citoplasma cellulare, indipendentemente da speciali macchinari cellulari. Il processo inizia con un investimento di energia: due gruppi fosfato, ciascuno dei quali preso da a molecola di ATP, sono attaccati alla molecola di glucosio, lasciando due molecole di adenosina difosfato (ADP) dietro a. Il risultato è una molecola simile al fruttosio, zucchero della frutta, ma con i due gruppi fosfato attaccati. Questo composto si divide in una coppia di molecole a tre atomi di carbonio, diidrossiacetone fosfato (DHAP) e gliceraldeide-3-fosfato (G-3-P), che hanno la stessa formula chimica ma differenti disposizioni della loro atomi costituenti; il DHAP viene quindi convertito comunque in G-3-P.
Le due molecole G-3-P entrano quindi in quella che viene spesso definita la fase di produzione di energia della glicolisi. G-3-P (e ricordate, ce ne sono due) cede un protone, o atomo di idrogeno, a una molecola di NAD+ (nicotinammide adenina dinucleotide, un'energia importante in molte reazioni cellulari) per produrre NADH, mentre il NAD dona un fosfato al G-3-P per convertirlo in bisfosfoglicerato (BPG), un composto con due fosfati. Ognuno di questi viene ceduto all'ADP per formare due ATP man mano che il piruvato viene infine generato. Ricordiamo però che tutto ciò che accade dopo la scissione dello zucchero a sei atomi di carbonio in due a tre atomi di carbonio gli zuccheri sono duplicati, quindi questo significa che il risultato netto della glicolisi è quattro ATP, due NADH e due piruvato molecole.
È importante notare che la glicolisi è considerata anaerobica perché l'ossigeno non è richiesto affinché il processo avvenga. È facile confonderlo con "solo se non è presente ossigeno". Allo stesso modo puoi scendere per una collina in macchina anche con il pieno di benzina, e quindi impegnarsi nella "guida senza gas", la glicolisi si svolge allo stesso modo indipendentemente dal fatto che l'ossigeno sia presente in quantità generose, quantità minori o meno a tutti.
Dove e quando si verifica la fermentazione dell'acido lattico?
Una volta che la glicolisi ha raggiunto la fase del piruvato, il destino delle molecole di piruvato dipende dall'ambiente specifico. Negli eucarioti, se è presente una quantità sufficiente di ossigeno, quasi tutto il piruvato viene trasportato nella respirazione aerobica. Il primo passo di questo processo in due fasi è il ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico; il secondo passo è la catena di trasporto degli elettroni. Questi hanno luogo nei mitocondri delle cellule, organelli che sono spesso paragonati a minuscole centrali elettriche. Alcuni procarioti possono impegnarsi nel metabolismo aerobico pur non avendo mitocondri o altri organelli (gli "aerobi facoltativi"), ma per la maggior parte parte possono soddisfare il loro fabbisogno energetico attraverso le sole vie metaboliche anaerobiche, e molti batteri sono in realtà avvelenati dall'ossigeno (il " anaerobi").
Quando l'ossigeno è sufficiente non presente, nei procarioti e nella maggior parte degli eucarioti, il piruvato entra nella via della fermentazione dell'acido lattico. L'eccezione a questo è il lievito eucariote unicellulare, un fungo che metabolizza il piruvato in etanolo (l'alcol a due atomi di carbonio che si trova nelle bevande alcoliche). Nella fermentazione alcolica, una molecola di anidride carbonica viene rimossa dal piruvato per creare acetaldeide e un atomo di idrogeno viene quindi attaccato all'acetaldeide per generare etanolo.
Fermentazione dell'acido lattico
La glicolisi potrebbe in teoria procedere indefinitamente per fornire energia all'organismo genitore, poiché ogni glucosio si traduce in un guadagno netto di energia. Dopotutto, il glucosio potrebbe essere alimentato più o meno continuamente nello schema se l'organismo semplicemente mangia abbastanza e l'ATP è essenzialmente una risorsa rinnovabile. Il fattore limitante qui è la disponibilità di NAD+, ed è qui che entra in gioco la fermentazione dell'acido lattico.
Un enzima chiamato lattato deidrogenasi (LDH) converte il piruvato in lattato aggiungendo un protone (H+) al piruvato e, nel processo, parte del NADH dalla glicolisi viene riconvertito in NAD+. Questo fornisce un NAD+ molecola che può essere restituita "a monte" per partecipare e quindi aiutare a mantenere la glicolisi. In realtà, questo non è del tutto ricostituente in termini di esigenze metaboliche di un organismo. Usando gli esseri umani come esempio, anche una persona seduta a riposo non potrebbe avvicinarsi a soddisfare i suoi bisogni metabolici tramite la sola glicolisi. Questo è probabilmente evidente nel fatto che quando le persone smettono di respirare, non possono sostenere la vita a lungo per mancanza di ossigeno. Di conseguenza, la glicolisi combinata con la fermentazione è davvero solo una misura provvisoria, un modo per attingere all'equivalente di un piccolo serbatoio ausiliario quando il motore ha bisogno di carburante extra. Questo concetto costituisce l'intera base delle espressioni colloquiali nel mondo degli esercizi: "Senti l'ustione", "colpisci il muro" e altri.
Lattato ed esercizio fisico
Se l'acido lattico – una sostanza di cui avrete quasi sicuramente sentito parlare, sempre nel contesto dell'esercizio – suona come qualcosa che potrebbe essere trovato nel latte (potresti aver visto nomi di prodotti come Lactaid nel refrigeratore locale), questo non è un caso. Il lattato è stato isolato per la prima volta nel latte stantio nel 1780. (lattato è il nome della forma di acido lattico che ha donato un protone, come fanno tutti gli acidi per definizione. Questa convenzione di denominazione "-ate" e "-ic acid" per gli acidi abbraccia tutta la chimica.) Quando corri o sollevi pesi o partecipi a tipi di esercizi ad alta intensità - tutto ciò che ti fa respirare a disagio, in realtà - il metabolismo aerobico, che si basa sull'ossigeno, non è più sufficiente per tenere il passo con le esigenze del tuo lavoro muscoli.
In queste condizioni, il corpo entra in "debito di ossigeno", che è un termine improprio dal momento che il il vero problema è un apparato cellulare che produce "solo" 36 o 38 ATP per molecola di glucosio fornito. Se l'intensità dell'esercizio è sostenuta, il corpo tenta di tenere il passo spingendo LDH ad alta velocità e generando tanto NAD+ possibile tramite la conversione del piruvato in lattato. A questo punto la componente aerobica del sistema è chiaramente al massimo, e la componente anaerobica sta lottando in allo stesso modo in cui qualcuno che salva freneticamente una barca nota che il livello dell'acqua continua a salire nonostante il suo sforzi.
Il lattato prodotto in fermentazione ha presto un protone attaccato ad esso, che genera acido lattico. Questo acido continua ad accumularsi nei muscoli man mano che il lavoro viene mantenuto, finché alla fine tutti i percorsi per generare ATP semplicemente non riescono a tenere il passo. In questa fase, il lavoro muscolare deve rallentare o cessare del tutto. Un corridore che è in una corsa di un miglio ma parte un po' troppo veloce per il suo livello di forma fisica potrebbe ritrovarsi a tre giri dalla gara di quattro giri già in debito di ossigeno paralizzante. Per finire semplicemente, deve rallentare drasticamente e i suoi muscoli sono così affaticati che la sua forma o stile di corsa ne risentirà visibilmente. Se hai mai visto un corridore in una gara sprint lunga, come i 400 metri (che impiegano atleti di livello mondiale dai 45 ai 50 secondi alla fine) rallenta fortemente nella parte finale della gara, probabilmente avrai notato che lui o lei sembra quasi essere nuoto. Questo, in parole povere, è attribuibile all'insufficienza muscolare: in assenza di fonti di carburante di qualsiasi tipo, le fibre nei muscoli dell'atleta semplicemente non possono contrarsi completamente o con precisione, e la conseguenza è un corridore che improvvisamente sembra portare un pianoforte invisibile o un altro oggetto di grandi dimensioni sul suo indietro.
Acido lattico e "The Burn": un mito?
Gli scienziati sanno da tempo che l'acido lattico si accumula rapidamente nei muscoli che sono sull'orlo del cedimento. Allo stesso modo, è assodato che il tipo di esercizio fisico che porta a questo tipo di cedimento muscolare rapido produce una sensazione di bruciore unica e caratteristica nei muscoli interessati. (Non è difficile indurre questo; cadere a terra e provare a fare 50 flessioni ininterrotte, ed è praticamente certo che i muscoli del petto e delle spalle sperimenteranno presto "l'ustione". È stato quindi abbastanza naturale presumere, in assenza di prove contrarie, che l'acido lattico stesso fosse la causa dell'ustione e che l'acido lattico stesso fosse una specie di tossina - un male necessario lungo la strada per rendere il tanto necessario NAD+. Questa convinzione è stata ampiamente diffusa in tutta la comunità degli esercizi; vai a un raduno in pista o a una gara su strada di 5 km e probabilmente sentirai i corridori lamentarsi di essere indolenziti dall'allenamento del giorno precedente a causa di troppo acido lattico nelle gambe.
Ricerche più recenti hanno messo in discussione questo paradigma. Il lattato (qui, questo termine e "acido lattico" sono usati in modo intercambiabile per semplicità) è stato scoperto essere tutt'altro che una molecola dispendiosa che è non la causa di insufficienza muscolare o bruciore. Apparentemente serve sia come molecola di segnalazione tra cellule e tessuti sia come fonte di carburante ben mascherata a sé stante.
La logica tradizionale offerta per come il lattato causa presumibilmente l'insufficienza muscolare è un basso pH (alta acidità) nei muscoli che lavorano. Il pH normale del corpo è vicino al neutro tra acido e basico, ma l'acido lattico perde il suo i protoni per diventare lattato inondano i muscoli di ioni idrogeno, rendendoli incapaci di funzionare per se. Questa idea, tuttavia, è stata fortemente contestata dagli anni '80. Secondo gli scienziati che avanzano una teoria diversa, molto poco dell'H of+ che si accumula nei muscoli che lavorano in realtà proviene dall'acido lattico. Questa idea è scaturita principalmente da uno studio approfondito delle reazioni di glicolisi "a monte" del piruvato, che interessano sia i livelli di piruvato che di lattato. Inoltre, durante l'esercizio viene trasportato più acido lattico fuori dalle cellule muscolari di quanto si credesse in precedenza, limitando così la sua capacità di scaricare H+ nei muscoli. Parte di questo lattato può essere assorbito dal fegato e utilizzato per produrre glucosio seguendo le fasi della glicolisi in senso inverso. Riassumendo quanta confusione esiste ancora a partire dal 2018 intorno a questo problema, alcuni scienziati hanno persino suggerito di utilizzare il lattato come integratore di carburante per l'esercizio, trasformando completamente le idee di vecchia data sottosopra.