Kas ir pienskābes fermentācija?

Ciktāl jūs pazīstat vārdu “fermentācija”, jūs, iespējams, sliecaties to saistīt ar alkoholisko dzērienu radīšanas procesu. Lai gan tas patiešām izmanto viena veida fermentāciju (oficiāli un bez noslēpumaini saukta par spirta fermentācija), otrais tips, pienskābes fermentācija, patiesībā ir daudz svarīgāka un gandrīz noteikti zināmā mērā notiek jūsu pašu ķermenī, kad jūs to lasāt.

Fermentācija attiecas uz jebkuru mehānismu, ar kura palīdzību šūna var izmantot glikozi, lai atbrīvotu enerģiju adenozīna trifosfāta (ATP) veidā bez skābekļa - tas ir, anaerobos apstākļos. Zem visi apstākļi - piemēram, ar skābekli vai bez tā, gan eikariotu (augu un dzīvnieku), gan prokariotu (baktēriju) šūnās - glikozes molekulas, ko sauc par glikolīzi, vielmaiņa notiek, veicot vairākus soļus, lai iegūtu divas molekulas piruvāts. Kas tad notiek, ir atkarīgs no tā, kāds organisms ir iesaistīts un vai tajā ir skābeklis.

Visos organismos glikoze (C.₆H₁₂O₆) tiek izmantots kā enerģijas avots un tiek pārveidots deviņu atšķirīgu ķīmisko reakciju virknē par piruvātu. Pati glikoze rodas visu veidu pārtikas produktu, tostarp ogļhidrātu, olbaltumvielu un tauku, sadalīšanās rezultātā. Šīs visas reakcijas notiek šūnu citoplazmā, neatkarīgi no īpašas šūnu iekārtas. Process sākas ar enerģijas ieguldīšanu: Divas fosfātu grupas, katra no tām ņemta no a ATP molekulas, ir piesaistītas glikozes molekulai, atstājot divas adenozīna difosfāta (ADP) molekulas aiz muguras. Rezultāts ir molekula, kas atgādina augļu cukura fruktozi, bet ar abām fosfātu grupām. Šis savienojums sadalās trīs oglekļa molekulu, dihidroksiacetona fosfāta (DHAP) un gliceraldehīda-3-fosfāta (G-3-P) ķīmiskā formula ir vienāda, bet to izkārtojums atšķiras atomi; pēc tam DHAP tik un tā tiek pārveidots par G-3-P.

Pēc tam abas G-3-P molekulas nonāk tajā, ko bieži sauc par enerģijas ražošanas glikolīzes stadiju. G-3-P (un atcerieties, ka ir divi no tiem) nodod protonu jeb ūdeņraža atomu NAD + molekulai (nikotīnamīda adenīna dinukleotīds, svarīga enerģija nesējs daudzās šūnu reakcijās), lai ražotu NADH, savukārt NAD ziedo fosfātu G-3-P, lai to pārveidotu par bisfosfoglicerātu (BPG), savienojumu ar diviem fosfāti. Katrs no tiem tiek izdalīts ADP, lai izveidotu divus ATP, jo beidzot rodas piruvāts. Tomēr jāatgādina, ka viss, kas notiek pēc sešu oglekļa cukura sadalīšanas divos trīs oglekļa savienojumos cukuri tiek dublēti, tāpēc tas nozīmē, ka glikolīzes tīrais rezultāts ir četri ATP, divi NADH un divi piruvāti molekulas.

Ir svarīgi atzīmēt, ka glikolīzi uzskata par anaerobu, jo skābeklis nav nepieciešams lai process notiktu. To ir viegli sajaukt ar "tikai tad, ja nav skābekļa". Tādā pašā veidā jūs varat piekāpties kalnā ar automašīnu pat ar pilnu benzīna bāku, un tādējādi iesaistās "braukšanā bez gāzes", glikolīze notiek tāpat kā neatkarīgi no tā, vai skābeklis ir bagātīgā daudzumā, mazākā daudzumā vai nav visi.

Kad glikolīze ir sasniegusi piruvāta soli, piruvāta molekulu liktenis ir atkarīgs no konkrētās vides. Ja ir pietiekami daudz skābekļa, eikariotos gandrīz visu piruvātu pārceļ uz aerobo elpošanu. Pirmais šī divpakāpju procesa posms ir Krebsa cikls, ko sauc arī par citronskābes ciklu vai trikarboksilskābes ciklu; otrais solis ir elektronu transporta ķēde. Tās notiek šūnu mitohondrijos - organoīdos, kurus bieži pielīdzina sīkām elektrostacijām. Daži prokarioti var iesaistīties aerobā metabolismā, neskatoties uz to, ka tiem nav mitohondriju vai citu organellu ("fakultatīvie aerobi"), bet visvairāk daļēji viņi var apmierināt savas enerģijas vajadzības, izmantojot tikai anaerobos metabolisma ceļus, un daudzas baktērijas faktiski saindē ar skābekli ( anaerobi ").

Kad ir pietiekami daudz skābekļa nē prokariotos un lielākajā daļā eikariotu piruvāts nonāk pienskābes fermentācijas ceļā. Izņēmums ir vienšūnu eikariota raugs, sēne, kas metabolizē piruvātu līdz etanolam (divu oglekļa spirts, kas atrodams alkoholiskajos dzērienos). Alkoholiskajā fermentācijā oglekļa dioksīda molekula tiek noņemta no piruvāta, lai izveidotu acetaldehīdu, un pēc tam acetaldehīdam pievieno ūdeņraža atomu, lai iegūtu etanolu.

Glikolīze teorētiski varētu turpināties bezgalīgi, lai piegādātu enerģiju vecākorganismam, jo ​​katra glikoze rada tīro enerģijas pieaugumu. Galu galā glikozi var vairāk vai mazāk nepārtraukti ievadīt shēmā, ja organisms vienkārši ēd pietiekami daudz, un ATP būtībā ir atjaunojams resurss. Ierobežojošais faktors šeit ir NAD pieejamība⁺, un šeit notiek pienskābes fermentācija.

Ferments, ko sauc par laktāta dehidrogenāzi (LDH), pārvērš piruvātu laktātā, pievienojot protonu (H⁺) uz piruvātu, un procesā daļa no glikolīzes iegūtā NADH tiek pārveidota atpakaļ par NAD⁺. Tas nodrošina NAD⁺ molekula, kuru var atgriezt "augšpus straumes", lai piedalītos un tādējādi palīdzētu uzturēt glikolīzi. Patiesībā tas nav pilnībā atjaunojošs organisma vielmaiņas vajadzību ziņā. Izmantojot cilvēku kā piemēru, pat cilvēks, kas sēž mierīgā stāvoklī, nevarētu tuvināties vielmaiņas vajadzību apmierināšanai, izmantojot tikai glikolīzi. Tas, iespējams, ir redzams faktā, ka, pārtraucot elpošanu, skābekļa trūkuma dēļ viņi nevar uzturēt dzīvību ļoti ilgi. Rezultātā glikolīze kopā ar fermentāciju faktiski ir tikai apstāšanās pasākums, veids, kā izmantot ekvivalentu mazai papildu degvielas tvertnei, kad motoram nepieciešama papildu degviela. Šī koncepcija veido visu sarunu izteicienu pamatu vingrojumu pasaulē: "Sajūti apdegumu", "sit pret sienu" un citus.

Ja pienskābe - viela, par kuru gandrīz noteikti esat dzirdējis, atkal vingrinājumu kontekstā - izklausās kā kaut kas kas varētu būt atrodams pienā (iespējams, vietējā piena dzesinātājā esat redzējuši tādu produktu nosaukumus kā Lactaid), tas nav nejaušs gadījums. Laktāts pirmo reizi tika izolēts novecojušā pienā tālajā 1780. gadā. (Laktāts ir pienskābes formas nosaukums, kas ziedojis protonu, kā to dara visas skābes pēc definīcijas. Šī skābju nosaukuma "-ate" un "-skābe" apzīmēšana attiecas uz visu ķīmiju.) Kad jūs skrienat vai ceļat svaru vai piedalāties augstas intensitātes vingrinājumos - jebkas, kas liek elpot neērti grūti, patiesībā - aerobā vielmaiņa, kuras pamatā ir skābeklis, vairs nav pietiekama, lai tiktu galā ar jūsu darba prasībām muskuļi.

Šādos apstākļos ķermenis nonāk "skābekļa parādos", kas ir kaut kas nepareizs nosaukums kopš Patiesais jautājums ir šūnu aparāts, kas ražo "tikai" 36 vai 38 ATP uz vienu glikozes molekulu piegādāts. Ja vingrinājumu intensitāte tiek uzturēta, ķermenis mēģina turēt tempu, iesitot LDH augstā ātrumā un radot tik daudz NAD⁺ pēc iespējas pārvēršot piruvātu laktātā. Šajā brīdī sistēmas aerobā sastāvdaļa ir nepārprotami palielināta, un anaerobā sastāvdaļa cīnās tāpat kāds, izmisīgi glābjot laivu, pamana, ka ūdens līmenis turpina augt, neskatoties uz viņu centieniem.

Fermentācijā saražotajam laktātam drīz ir pievienots protons, kas rada pienskābi. Šī skābe turpina uzkrāties muskuļos, kamēr darbs tiek uzturēts, līdz beidzot visi ATP ģenerēšanas ceļi vienkārši nespēj iet kopsolī. Šajā posmā muskuļu darbībai ir jāpalēnina vai jāpārtrauc tā darbība. Skrējējs, kurš piedalās jūdžu skrējienā, bet startē pārāk ātri, lai sasniegtu savu fizisko sagatavotību, var atrast trīs apļus četru apļu sacensībās, kas jau tagad apgrūtina skābekļa parādu. Lai vienkārši finišētu, viņai krasi jāsamazina ātrums, un muskuļi tiek aplikti ar nodokļiem, lai, iespējams, redzami ciestu viņas skriešanas forma vai stils. Ja esat kādreiz noskatījies skrējēju garās sprinta sacensībās, piemēram, 400 metros (kas pasaules klases sportistiem aizņem apmēram 45 līdz 50 sekundes līdz finišam) sacīkstes pēdējā daļā ļoti lēni, jūs droši vien pamanījāt, ka viņš vai viņa gandrīz šķiet peldēšana. Tas, brīvi sakot, ir saistīts ar muskuļu mazspēju: Ja nav jebkāda veida degvielas avotu, sportista muskuļos esošās šķiedras vienkārši nevar sarauties pilnīgi vai precīzi, un sekas ir skrējējam, kurš pēkšņi izskatās tā, it kā uz viņa nēsātu neredzamas klavieres vai citus lielus priekšmetus. atpakaļ.

Zinātnieki jau ilgu laiku zina, ka pienskābe ātri uzkrājas muskuļos, kas atrodas uz neveiksmes robežas. Tāpat ir labi pierādīts, ka fizisko vingrinājumu veids, kas izraisa šāda veida ātru muskuļu mazspēju, skartajos muskuļos rada unikālu un raksturīgu dedzinošu sajūtu. (To nav grūti izraisīt; nometies uz grīdas un mēģini veikt 50 nepārtrauktus atspiešanās, un ir praktiski skaidrs, ka krūšu un plecu muskuļi drīz piedzīvos "apdegumu".) Tāpēc tas bija pietiekami dabiski pieņemt, ja nav pretēju pierādījumu, ka pati pienskābe ir cēlonis apdegumam un ka pati pienskābe ir kaut kas toksīns - nepieciešams ļaunums ceļā uz ļoti nepieciešamo ražošanu NAD⁺. Šī pārliecība ir pamatīgi izplatīta visā vingrinājumu sabiedrībā; dodieties uz trases tikšanos vai 5K šosejas sacensībām, un jūs, iespējams, dzirdēsiet, ka skrējēji sūdzas par sāpēm no iepriekšējās dienas treniņa, pateicoties pārāk daudz pienskābes kājās.

Jaunāki pētījumi šo paradigmu ir apšaubījuši. Ir konstatēts, ka laktāts (šeit šis termins un "pienskābe" vienkāršības labad ir savstarpēji aizstājami) ir tikai izšķērdīga molekula, nē muskuļu mazspējas vai dedzināšanas cēlonis. Acīmredzot tas pats par sevi kalpo gan kā signāla molekula starp šūnām un audiem, gan labi slēpts degvielas avots.

Tradicionālais pamatojums tam, kā laktāts, iespējams, izraisa muskuļu mazspēju, ir zems pH (augsts skābums) darba muskuļos. Ķermeņa normālais pH līmenis starp skābo un bāzisko atrodas tuvu neitrālam, bet pienskābe to izplūst protoni, lai kļūtu par laktātu, pārpludina muskuļus ar ūdeņraža joniem, padarot tos nespējīgus darboties se. Tomēr šī ideja ir nopietni apstrīdēta kopš 80. gadiem. Pēc zinātnieku domām, kas virzās uz citu teoriju, ļoti maz H⁺ kas uzkrājas darba muskuļos, faktiski nāk no pienskābes. Šī ideja galvenokārt radusies, veicot rūpīgu glikolīzes reakciju izpēti "augšpus straumes" no piruvāta, kas ietekmē gan piruvāta, gan laktāta līmeni. Arī slodzes laikā no muskuļu šūnām tiek transportēts vairāk pienskābes, nekā tika uzskatīts iepriekš, tādējādi ierobežojot tā spēju izgāzt H⁺ muskuļos. Daļu no šī laktāta var uzņemt aknas un izmantot glikozes ražošanai, otrādi veicot glikolīzes darbības. Apkopojot, cik apjukums joprojām pastāv no 2018. gada saistībā ar šo jautājumu, daži zinātnieki to pat ir izdarījuši ieteica izmantot laktātu kā degvielas piedevu vingrinājumiem, tādējādi pilnībā pārvēršot ilgi turētās idejas kājām gaisā.