Kas yra pieno rūgšties fermentacija?

Tiek, kiek esate susipažinę su žodžiu „fermentacija“, galite būti linkę jį susieti su alkoholinių gėrimų kūrimo procesu. Nors tai iš tikrųjų naudoja vienos rūšies fermentaciją (oficialiai ir ne paslaptingai vadinamą) alkoholio fermentacija), antrojo tipo, pieno rūgšties fermentacija, iš tikrųjų yra gyvybiškai svarbesnė ir beveik neabejotinai tam tikru mastu atsiranda jūsų kūne, kai jūs tai skaitote.

Fermentacija reiškia bet kokį mechanizmą, kuriuo ląstelė gali naudoti gliukozę, kad be deguonies, t. Y. Anaerobinėmis sąlygomis, energija išsiskirtų adenozino trifosfato (ATP) pavidalu. Pagal visi sąlygos, pavyzdžiui, su deguonimi arba be jo, ir eukariotų (augalų ir gyvūnų), ir prokariotų (bakterijų) ląstelėse - gliukozės molekulės, vadinamos glikolize, metabolizmas vyksta keliais etapais, kad gautų dvi molekulės piruvatas. Kas tada atsitiks, priklauso nuo to, koks organizmas yra susijęs ir ar yra deguonies.

Visuose organizmuose gliukozė (C₆H₁₂O₆) yra naudojamas kaip energijos šaltinis ir devynių skirtingų cheminių reakcijų metu paverčiamas piruvatu. Pati gliukozė gaunama skaidant visus maisto produktus, įskaitant angliavandenius, baltymus ir riebalus. Visos šios reakcijos vyksta ląstelės citoplazmoje, nepriklausomai nuo specialios korinio mechanizmo. Procesas prasideda investuojant energiją: dvi fosfatų grupės, kurių kiekviena paimta iš a ATP molekulės yra prijungtos prie gliukozės molekulės, paliekant dvi adenozino difosfato (ADP) molekules už nugaros. Rezultatas yra molekulė, panaši į vaisių cukraus fruktozę, bet su dviem fosfatų grupėmis. Šis junginys suskaidomas į trijų anglies molekulių, dihidroksiacetono fosfato (DHAP) ir gliceraldehido-3-fosfato (G-3-P), kurių cheminė formulė yra ta pati, tačiau jų sudėtis skiriasi sudedamieji atomai; tada DHAP vis tiek paverčiamas G-3-P.

Tada dvi G-3-P molekulės patenka į tai, kas dažnai vadinama energijos gamybos glikolizės stadija. G-3-P (ir atminkite, kad yra du iš jų) suteikia protoną arba vandenilio atomą NAD + (nikotinamido adenino dinukleotido, svarbios energijos) molekulei. nešiklis daugelyje ląstelių reakcijų) gaminti NADH, o NAD dovanoja fosfatą G-3-P, kad paverstų jį bisfosfogliceratu (BPG), junginiu su dviem fosfatai. Kiekvienas iš jų atiduodamas ADP, kad susidarytų du ATP, nes pagaliau susidaro piruvatas. Vis dėlto prisiminkime, kad viskas, kas nutinka padalijus šešių anglių cukrų į tris trijų anglių anglis cukrus yra dubliuojamas, taigi tai reiškia, kad grynasis glikolizės rezultatas yra keturi ATP, du NADH ir du piruvatai. molekulės.

Svarbu pažymėti, kad glikolizė laikoma anaerobine, nes deguonies nereikia kad procesas vyktų. Tai lengva supainioti su „tik tuo atveju, jei nėra deguonies“. Lygiai taip pat galite nusileisti nuo kalvos automobiliu net ir pripildę baką degalų, ir tokiu būdu užsiimant „važiavimu be dujų“, glikolizė atsiskleidžia tuo pačiu būdu, nesvarbu, ar deguonies yra visi.

Glikolizei pasiekus piruvato pakopą, piruvato molekulių likimas priklauso nuo konkrečios aplinkos. Eukariotuose, jei yra pakankamai deguonies, beveik visas piruvatas pernešamas į aerobinį kvėpavimą. Pirmasis šio dviejų pakopų proceso etapas yra Krebso ciklas, dar vadinamas citrinos rūgšties arba trikarboksirūgšties ciklu; antrasis žingsnis yra elektronų perdavimo grandinė. Jie vyksta ląstelių, organelių, mitochondrijose, kurios dažnai yra panašios į mažas elektrines. Kai kurie prokariotai gali užsiimti aerobine medžiagų apykaita, nepaisant to, kad neturi mitochondrijų ar kitų organelių („fakultatyviniai aerobai“), tačiau dažniausiai dalį energijos jie gali patenkinti per anaerobinius metabolinius kelius, ir daugelis bakterijų yra apsinuodijusios deguonimi ( anaerobai ").

Kai deguonies yra pakankamai ne esantis prokariotuose ir daugumoje eukariotų, piruvatas patenka į pieno rūgšties fermentacijos kelią. Išimtis yra vienaląsės eukarioto mielės - grybelis, kuris metabolizuoja piruvatą į etanolį (alkoholio turinčiuose dviejuose anglies dvideginiuose). Alkoholio fermentacijos metu iš piruvato pašalinama anglies dvideginio molekulė, kad būtų sukurtas acetaldehidas, o po to prie acetaldehido prijungiamas vandenilio atomas, kad gautų etanolį.

Glikolizė teoriškai galėtų neribotą laiką tiekti energiją pirminiam organizmui, nes kiekviena gliukozė sukelia grynąjį energijos prieaugį. Galų gale, gliukozė galėtų būti daugiau ar mažiau nuolat įtraukiama į schemą, jei organizmas tiesiog valgo pakankamai, o ATP iš esmės yra atsinaujinantis šaltinis. Ribojantis veiksnys čia yra NAD prieinamumas⁺, ir čia vyksta pieno rūgšties fermentacija.

Fermentas, vadinamas laktato dehidrogenaze (LDH), konvertuoja piruvatą į laktatą, pridedant protoną (H⁺) į piruvatą, o proceso metu dalis glikolizės NADH vėl virsta NAD⁺. Tai suteikia NAD⁺ molekulė, kurią galima grąžinti „prieš srovę“, kad galėtų dalyvauti glikolizėje ir taip padėti ją palaikyti. Iš tikrųjų tai nėra visiškai atstatanti organizmo medžiagų apykaitos poreikiai. Naudojant žmones kaip pavyzdį, net poilsio metu sėdintis žmogus negalėjo patenkinti savo medžiagų apykaitos poreikių vien glikolizės būdu. Tai tikriausiai akivaizdu tuo, kad nustoję kvėpuoti žmonės negali ilgai palaikyti gyvybės, nes trūksta deguonies. Dėl to glikolizė kartu su fermentacija iš tikrųjų yra tik tarpinė priemonė - būdas pasinaudoti mažo pagalbinio kuro bako ekvivalentu, kai varikliui reikia papildomų degalų. Ši sąvoka sudaro visą šnekamosios išraiškos pagrindą mankštos pasaulyje: „Pajusk deginimą“, „atsitrenk į sieną“ ir kt.

Jei pieno rūgštis - medžiaga, apie kurią beveik neabejotinai girdėjote, vėlgi mankštos kontekste - skamba kaip kažkas kurių gali būti piene (galbūt jūs matėte tokių produktų pavadinimus kaip „Lactaid“ vietiniame pieno šaldytuve), tai nėra atsitiktinumas. Pirmą kartą laktatas buvo išskirtas pasenusiame piene dar 1780 m. (Laktatas yra pieno rūgšties, padovanojusios protoną, pavadinimas, kaip tai daro visos rūgštys pagal apibrėžimą. Ši rūgščių pavadinimų „-ate“ ir „-rūgšties“ sutartis apima visą chemiją.) Kai bėgate ar keliate svarmenis ar dalyvaujate didelio intensyvumo mankštose - iš tikrųjų viskas, kas priverčia kvėpuoti nemaloniai, iš tikrųjų - aerobinio metabolizmo, kuris priklauso nuo deguonies, nebepakanka, kad atitiktų jūsų darbo reikalavimus raumenys.

Šiomis sąlygomis kūnas patenka į "deguonies skolą", kuris yra neteisingas pavadinimas nuo tikras klausimas yra ląstelių aparatas, gaminantis „tik“ 36 arba 38 ATP vienai gliukozės molekulei tiekiama. Jei mankštos intensyvumas palaikomas, kūnas bando išlaikyti tempą, spardydamas LDH į aukštą pavarą ir generuodamas kuo daugiau NAD⁺ kiek įmanoma paverčiant piruvatą į laktatą. Šiuo metu aerobinis sistemos komponentas yra aiškiai išnaudotas, o anaerobinis komponentas kovoja lygiai taip pat kažkas, įnirtingai gelbėdamas valtį, pastebi, kad vandens lygis ir toliau didėja, nepaisant jo pastangų.

Fermentacijos metu gaminamas laktatas netrukus turi protoną, kuris sukuria pieno rūgštį. Ši rūgštis ir toliau kaupiasi raumenyse, nes išlaikomas darbas, kol galiausiai visi ATP generavimo būdai paprasčiausiai negali išlaikyti tempą. Šiame etape raumenų darbas turi sulėtėti arba visiškai nutrūkti. Bėgikė, dalyvaujanti mylios lenktynėse, bet startuojanti kiek per greitai dėl savo fizinio pasirengimo lygio, gali atsidurti trijų ratų varžybose keturių ratų varžybose jau slopindama deguonies skolą. Norėdama paprasčiausiai finišuoti, ji turi smarkiai sulėtinti tempą, o raumenys yra taip apmokestinti, kad greičiausiai akivaizdžiai nukentės bėgimo forma ar stilius. Jei kada nors stebėjote bėgiką ilgose sprinto varžybose, tokiose kaip 400 metrų (kurios pasaulio klasės sportininkams užtrunka apie 45–50) sekundės iki finišo) labai lėtai paskutinėje lenktynių dalyje tikriausiai pastebėjote, kad jis ar ji beveik toks yra plaukimas. Tai, laisvai tariant, siejama su raumenų nepakankamumu: Jei nėra bet kokio kuro šaltinio, sportininko raumenyse esančios skaidulos paprasčiausiai negali susitraukti visiškai ar tiksliai, o pasekmė - bėgikas, kuris staiga atrodo taip, lyg ant savo rankos neštųsi nematomą pianiną ar kitą didelį daiktą. atgal.

Mokslininkai jau seniai žino, kad pieno rūgštis greitai kaupiasi raumenyse, kurie yra ant žlugimo ribos. Panašiai yra gerai nustatyta, kad fiziniai pratimai, dėl kurių atsiranda tokio tipo greitas raumenų nepakankamumas, sukelia nepakartojamą ir būdingą deginimo pojūtį paveiktuose raumenyse. (Tai nesunku sukelti; nuleisk ant grindų ir pabandyk atlikti 50 nenutrūkstamų atsispaudimų, ir praktiškai tikra, kad krūtinės ir pečių raumenys netrukus patirs „nudegimą“.) Todėl tai buvo pakankamai natūralu daryti prielaidą, kad nėra priešingų įrodymų, jog pati pieno rūgštis buvo nudegimo priežastis, o pati pieno rūgštis buvo toksinas - būtinas blogis, padarant labai reikalingą NAD⁺. Šis įsitikinimas buvo kruopščiai paplitęs visoje pratybų bendruomenėje; eikite į trasos susitikimą ar 5K plento lenktynes, ir greičiausiai išgirsite bėgikus skundžiantis, kad skauda nuo praėjusios dienos treniruotės dėl per didelio pieno rūgšties kojose.

Naujausi tyrimai šią paradigmą suabejojo. Nustatyta, kad laktatas (paprastumo sumetimais šis terminas ir „pieno rūgštis“ keičiami vienas kitu) yra tik švaistanti molekulė, kuri yra ne raumenų nepakankamumo ar deginimo priežastis. Akivaizdu, kad jis yra ir signalinė molekulė tarp ląstelių ir audinių, ir kaip gerai užmaskuotas kuro šaltinis.

Tradicinis argumentas, kaip laktatas sukelia raumenų nepakankamumą, yra žemas pH (didelis rūgštingumas) dirbančiuose raumenyse. Normalus kūno pH yra beveik neutralus tarp rūgštinės ir bazinės, tačiau pieno rūgštis ją išskiria protonai, kurie tampa laktatais, užplūsta raumenis vandenilio jonais, todėl jie negali veikti pagal se. Tačiau ši idėja buvo stipriai ginčijama nuo 1980-ųjų. Mokslininkų nuomone, besiverčiančių kita teorija, labai mažai H⁺ kuris kaupiasi dirbančiuose raumenyse, iš tikrųjų gaunamas iš pieno rūgšties. Ši idėja atsirado daugiausia atlikus glaudų glikolizės reakcijų tyrimą „prieš srovę“ nuo piruvato, turinčio įtakos piruvato ir laktato lygiams. Taip pat fizinio krūvio metu iš raumenų ląstelių pernešama daugiau pieno rūgšties, nei manyta anksčiau, taip ribojant jos galimybes išmesti H⁺ į raumenis. Dalį šio laktato gali pasisavinti kepenys ir panaudoti gliukozei gaminti, atlikdami atvirkštinius glikolizės veiksmus. Apibendrinant tai, kiek nuo 2018 m. Vis dar egzistuoja painiava dėl šio klausimo, kai kurie mokslininkai netgi turi pasiūlė naudoti laktatą kaip degalų papildą mankštai, taip visiškai paverčiant seniai laikomas idėjas aukštyn kojomis.