乳酸発酵とは？

あなたが「発酵」という言葉に精通している限り、あなたはそれをアルコール飲料を作るプロセスと関連付ける傾向があるかもしれません。 これは確かに1つのタイプの発酵を利用していますが（正式にそして不思議ではなく呼ばれています アルコール発酵）、2番目のタイプ、 乳酸発酵、実際にはもっと重要であり、これを読んでいると、ほぼ確実にあなた自身の体の中である程度発生しています。

発酵とは、細胞がグルコースを使用して、酸素がない状態で、つまり嫌気性条件下で、アデノシン三リン酸（ATP）の形でエネルギーを放出できるメカニズムを指します。 下 すべて 条件–たとえば、酸素の有無にかかわらず、真核生物（植物と動物）と原核生物（細菌）の両方の細胞で– 解糖と呼ばれるブドウ糖の分子の代謝は、2つの分子を生成するためにいくつかのステップを経て進行します ピルビン酸。 次に何が起こるかは、関与している生物と酸素が存在するかどうかによって異なります。

すべての生物において、ブドウ糖（C₆H₁₂O₆）はエネルギー源として使用され、一連の9つの異なる化学反応でピルビン酸に変換されます。 ブドウ糖自体は、炭水化物、タンパク質、脂肪など、あらゆる種類の食品の分解に由来します。 これらの反応はすべて、特別な細胞機構とは無関係に、細胞の細胞質で起こります。 このプロセスは、エネルギーの投資から始まります。2つのリン酸基、それぞれが ATPの分子は、グルコース分子に結合し、2つのアデノシン二リン酸（ADP）分子を残します 後ろに。 その結果、果糖の果糖に似た分子になりますが、2つのリン酸基が結合しています。 この化合物は、1対の3炭素分子、ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）と グリセルアルデヒド-3-リン酸（G-3-P）、化学式は同じですが、配置が異なります 構成原子; DHAPはとにかくG-3-Pに変換されます。

次に、2つのG-3-P分子は、解糖のエネルギー生成段階と呼ばれることが多い段階に入ります。 G-3-P（そして覚えておいてください、これらのうちの2つがあります）は、NAD +（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、重要なエネルギー）の分子にプロトンまたは水素原子をあきらめます 多くの細胞反応における担体）NADHを生成する一方で、NADはリン酸をG-3-Pに供与して、2つの化合物であるビスホスホグリセリン酸（BPG）に変換します。 リン酸塩。 これらのそれぞれは、ピルビン酸が最終的に生成されるときに2つのATPを形成するためにADPに放出されます。 ただし、6炭素の糖を2つの3炭素に分割した後に発生するすべてのことを思い出してください。 糖は複製されているので、解糖の最終結果は4つのATP、2つのNADH、2つのピルビン酸であることを意味します 分子。

解糖は嫌気性と見なされることに注意することが重要です。 酸素は必要ありません プロセスが発生するため。 これを「酸素が存在しない場合のみ」と混同しがちです。 同じように、ガソリンが満タンの場合でも、車の中で丘を下って惰性で走ることができます。 したがって、「ガスレス運転」に従事することで、解糖は、酸素が大量に存在するか、少量で存在するかどうかにかかわらず、同じように展開します。 すべて。

解糖がピルビン酸ステップに達すると、ピルビン酸分子の運命は特定の環境に依存します。 真核生物では、十分な酸素が存在する場合、ピルビン酸のほとんどすべてが好気性呼吸にシャトルされます。 この2段階のプロセスの最初の段階は、クエン酸回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれるクレブス回路です。 2番目のステップは電子伝達系です。 これらは細胞のミトコンドリア、しばしば小さな発電所に例えられる細胞小器官で起こります。 一部の原核生物は、ミトコンドリアや他の細胞小器官（「通性嫌気性菌」）がないにもかかわらず、好気性代謝に関与することができますが、ほとんどの場合 一部、彼らは嫌気性代謝経路だけでエネルギー需要を満たすことができ、多くのバクテリアは実際に酸素によって中毒されています（「義務」 嫌気性菌」）。

十分な酸素がある場合 ない 現在、原核生物およびほとんどの真核生物では、ピルビン酸が乳酸発酵経路に入ります。 これの例外は、ピルビン酸をエタノール（アルコール飲料に含まれる2炭素アルコール）に代謝する真菌である単細胞真核生物酵母です。 アルコール発酵では、ピルビン酸から二酸化炭素分子を除去してアセトアルデヒドを生成し、次に水素原子をアセトアルデヒドに結合させてエタノールを生成します。

解糖は理論的には無期限に進行して親生物にエネルギーを供給することができます。これは、各グルコースが正味のエネルギー増加をもたらすためです。 結局のところ、生物が単に十分に食べれば、グルコースは多かれ少なかれ継続的にスキームに供給される可能性があり、ATPは本質的に再生可能な資源です。 ここでの制限要因はNADの利用可能性です⁺、そしてこれが乳酸発酵の出番です。

乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）と呼ばれる酵素は、プロトン（H⁺）ピルビン酸に変換され、その過程で解糖系からのNADHの一部がNADに変換されます。⁺. これはNADを提供します⁺ 解糖に参加するために「上流」に戻され、したがって解糖の維持を助けることができる分子。 実際には、これは生物の代謝の必要性に関して完全に回復するわけではありません。 人間を例にとると、安静に座っている人でさえ、解糖だけでは代謝の必要性を満たすことができませんでした。 これは、人々が呼吸をやめると、酸素が不足しているために非常に長い間生命を維持できないという事実からおそらく明らかです。 結果として、発酵と組み合わされた解糖は、実際には単なる一時的な手段であり、エンジンが追加の燃料を必要とするときに、小さな補助燃料タンクに相当するものを利用する方法です。 この概念は、「やけどを感じる」、「壁にぶつかる」など、エクササイズの世界での口語表現の基本全体を形成します。

乳酸（あなたがほぼ確実に聞いたことがある物質）が、やはり運動の文脈で、何かのように聞こえる場合 それはミルクに含まれている可能性があります（地元の乳製品クーラーでLactaidのような製品名を見たことがあるかもしれません）、これは偶然ではありません。 乳酸は、1780年に古くなったミルクで最初に分離されました。 (乳酸 定義上すべての酸がそうであるように、プロトンを提供した乳酸の形態の名前です。 酸のこの「-ate」および「-icacid」の命名規則は、すべての化学にまたがっています。）ランニングやウェイトを持ち上げるとき、または高強度のタイプの運動に参加するとき– 実際、呼吸を不快にさせるものは何でも–酸素に依存する有酸素代謝は、もはやあなたの仕事の要求に追いつくのに十分ではありません。 筋肉。

このような状況下で、体は「酸素債務」に陥ります。 本当の問題は、グルコースの分子あたり「たった」36または38のATPを生成する細胞装置です。 供給。 運動の強度が持続する場合、体はLDHをハイギアに蹴り、できるだけ多くのNADを生成することによってペースを維持しようとします⁺ ピルビン酸から乳酸への変換を介して可能な限り。 この時点で、システムの好気性成分は明らかに最大になり、嫌気性成分は苦労しています 誰かが必死にボートを救い出すのと同じように、彼のにもかかわらず水位が上昇し続けていることに気づきます 尽力。

発酵で生成される乳酸は、すぐにプロトンが付着し、乳酸を生成します。 この酸は、仕事が維持されるにつれて筋肉に蓄積し続け、最終的にATPを生成するためのすべての経路が単にペースを維持できなくなるまで続きます。 この段階で、筋肉の働きは遅くなるか、完全に停止する必要があります。 マイルレースに参加しているが、フィットネスレベルに対してやや速すぎるスタートを切ったランナーは、すでに酸素の借金を抱えている4ラップコンテストに3ラップ参加していることに気付くかもしれません。 簡単に終了するには、彼女は大幅に減速する必要があり、彼女の筋肉は非常に負担がかかるため、彼女のランニングフォームまたはスタイルは目に見えて苦しむ可能性があります。 400メートル（世界クラスのアスリートが約45〜50人かかる）などの長いスプリントレースでランナーを見たことがあれば 終了までの秒数）レースの最後の部分でひどく遅くなります、あなたはおそらく彼または彼女がほとんどそうであるように見えることに気づいたでしょう 水泳。 これは、大まかに言えば、筋肉の障害に起因します。あらゆる種類の燃料源がないと、アスリートの筋肉の繊維は単に収縮できません。 完全にまたは正確に、その結​​果、ランナーは突然、目に見えないピアノやその他の大きな物体を持っているように見えます。 バック。

科学者たちは長い間、乳酸が衰弱の危機に瀕している筋肉に急速に蓄積することを知っていました。 同様に、このタイプの急速な筋肉障害につながる種類の身体運動が、影響を受けた筋肉に独特で特徴的な灼熱感を生み出すことは十分に確立されています。 （これを誘発するのは難しいことではありません。 床に落ちて、50回の腕立て伏せを続けてみてください。そうすれば、胸や肩の筋肉がすぐに「やけど」を起こすことはほぼ確実です。）したがって、それは十分に自然なことでした。 反対の証拠がない限り、乳酸自体が火傷の原因であり、乳酸自体が毒素のようなものであると仮定する-非常に必要なものを作る過程で必要な悪 NAD⁺. この信念は、運動コミュニティ全体に徹底的に広まっています。 陸上競技や5Kロードレースに行くと、前日の運動で足に乳酸が多すぎて痛いという不満をランナーが聞くことがあります。

最近の研究では、このパラダイムが疑問視されています。 乳酸（ここでは、この用語と「乳酸」は簡単にするために同じ意味で使用されています）は、無駄な分子ではないことがわかっています。 ない 筋肉の障害や灼熱の原因。 それは明らかに、細胞と組織の間のシグナル伝達分子と、それ自体でよく偽装された燃料源の両方として機能します。

乳酸がどのように筋肉障害を引き起こすかについて提供されている伝統的な理論的根拠は、働く筋肉の低pH（高酸性度）です。 体の通常のpHは酸性と塩基性の間で中性に近くなりますが、乳酸は 乳酸になる陽子は筋肉を水素イオンで溢れさせ、 se。 しかし、このアイデアは1980年代から強く挑戦されてきました。 科学者が別の理論を進めているという見方では、Hはほとんどありません⁺ 働く筋肉に蓄積するものは、実際には乳酸に由来します。 このアイデアは、主にピルビン酸の「上流」での解糖反応の綿密な研究から生まれ、ピルビン酸と乳酸の両方のレベルに影響を及ぼしています。 また、運動中に以前に信じられていたよりも多くの乳酸が筋細胞から輸送されるため、Hを放出する能力が制限されます。⁺ 筋肉に。 この乳酸の一部は肝臓に取り込まれ、解糖の手順を逆に実行することでブドウ​​糖を作るために使用できます。 この問題に関して2018年の時点でまだどれだけの混乱が存在するかを要約すると、一部の科学者は 運動のための燃料サプリメントとして乳酸を使用することを提案しました、したがって、長年の考えを完全に変えます 逆さまに。