Wat is melkzuurfermentatie?

Voor zover je bekend bent met het woord 'fermentatie', ben je misschien geneigd het te associëren met het proces van het maken van alcoholische dranken. Hoewel dit inderdaad profiteert van één type fermentatie (formeel en niet-mysterieus genoemd) alcoholische gisting), een tweede soort, melkzuurfermentatie, is eigenlijk belangrijker en komt vrijwel zeker tot op zekere hoogte in uw eigen lichaam voor terwijl u dit leest.

Fermentatie verwijst naar elk mechanisme waarmee een cel glucose kan gebruiken om energie vrij te maken in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) in afwezigheid van zuurstof, dat wil zeggen onder anaërobe omstandigheden. Onder alle aandoeningen – bijvoorbeeld met of zonder zuurstof, en in zowel eukaryote (plantaardige en dierlijke) als prokaryotische (bacteriële) cellen – het metabolisme van een glucosemolecuul, glycolyse genaamd, verloopt via een aantal stappen om twee moleculen te produceren pyruvaat. Wat er dan gebeurt, hangt af van om welk organisme het gaat en of er zuurstof aanwezig is.

In alle organismen is glucose (C₆H₁₂O₆) wordt gebruikt als energiebron en wordt in een reeks van negen verschillende chemische reacties omgezet in pyruvaat. Glucose zelf is afkomstig van de afbraak van allerlei voedingsmiddelen, waaronder koolhydraten, eiwitten en vetten. Deze reacties vinden allemaal plaats in het celcytoplasma, onafhankelijk van speciale cellulaire machinerie. Het proces begint met een investering van energie: twee fosfaatgroepen, elk genomen uit een molecuul ATP, zijn gehecht aan het glucosemolecuul, waardoor twee adenosinedifosfaat (ADP) moleculen overblijven achter. Het resultaat is een molecuul dat lijkt op de fruitsuiker fructose, maar met de twee fosfaatgroepen eraan vast. Deze verbinding splitst zich in een paar van drie-koolstofmoleculen, dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde-3-fosfaat (G-3-P), die dezelfde chemische formule hebben maar verschillende rangschikkingen van hun samenstellende atomen; de DHAP wordt dan toch omgezet in G-3-P.

De twee G-3-P-moleculen komen dan in wat vaak het energieproducerende stadium van glycolyse wordt genoemd. G-3-P (en onthoud, er zijn er twee) geeft een proton of waterstofatoom af aan een molecuul NAD+ (nicotinamide-adenine-dinucleotide, een belangrijke energiebron drager in veel cellulaire reacties) om NADH te produceren, terwijl de NAD een fosfaat doneert aan G-3-P om het om te zetten in bisfosfoglyceraat (BPG), een verbinding met twee fosfaten. Elk van deze wordt afgegeven aan ADP om twee ATP te vormen terwijl pyruvaat uiteindelijk wordt gegenereerd. Bedenk echter dat alles wat er gebeurt na de splitsing van de suiker met zes koolstofatomen in twee drie koolstofatomen suikers wordt gedupliceerd, dus dit betekent dat het netto resultaat van glycolyse vier ATP, twee NADH en twee pyruvaat is moleculen.

Het is belangrijk op te merken dat glycolyse als anaëroob wordt beschouwd omdat: zuurstof is niet nodig om het proces te laten plaatsvinden. Het is gemakkelijk te verwarren met "alleen als er geen zuurstof aanwezig is". Op dezelfde manier kun je met een auto zelfs met een volle tank benzine van een heuvel af glijden, en dus deelnemen aan "gasloos rijden", ontvouwt glycolyse zich op dezelfde manier, of zuurstof nu in royale hoeveelheden aanwezig is, kleinere hoeveelheden of niet op alle.

Zodra de glycolyse de pyruvaatstap heeft bereikt, hangt het lot van de pyruvaatmoleculen af ​​van de specifieke omgeving. Bij eukaryoten wordt, als er voldoende zuurstof aanwezig is, bijna al het pyruvaat in de aerobe ademhaling gebracht. De eerste stap van dit tweestapsproces is de Krebs-cyclus, ook wel de citroenzuurcyclus of tricarbonzuurcyclus genoemd; de tweede stap is de elektronentransportketen. Deze vinden plaats in de mitochondriën van cellen, organellen die vaak worden vergeleken met kleine energiecentrales. Sommige prokaryoten kunnen een aëroob metabolisme hebben ondanks het feit dat ze geen mitochondriën of andere organellen hebben (de "facultatieve aeroben"), maar voor de meeste deel kunnen ze alleen via anaërobe metabolische routes in hun energiebehoeften voorzien, en veel bacteriën worden feitelijk vergiftigd door zuurstof (de "verplichte anaëroben").

Als er voldoende zuurstof is niet aanwezig, in prokaryoten en de meeste eukaryoten, komt pyruvaat de melkzuurfermentatieroute binnen. De uitzondering hierop is de eencellige eukaryote gist, een schimmel die pyruvaat omzet in ethanol (de tweekoolstofalcohol die in alcoholische dranken wordt aangetroffen). Bij alcoholische fermentatie wordt een koolstofdioxidemolecuul uit pyruvaat verwijderd om acetaldehyde te creëren, en vervolgens wordt een waterstofatoom aan acetaldehyde gehecht om ethanol te genereren.

Glycolyse zou in theorie oneindig kunnen doorgaan om energie te leveren aan het ouderorganisme, aangezien elke glucose resulteert in een netto energiewinst. Immers, glucose zou min of meer continu in het schema kunnen worden ingevoerd als het organisme gewoon genoeg eet, en ATP is in wezen een hernieuwbare hulpbron. De beperkende factor hierbij is de beschikbaarheid van NAD⁺, en dit is waar melkzuurfermentatie om de hoek komt kijken.

Een enzym genaamd lactaatdehydrogenase (LDH) zet pyruvaat om in lactaat door een proton (H⁺) naar het pyruvaat, en tijdens het proces wordt een deel van de NADH uit glycolyse terug omgezet in NAD⁺. Dit geeft een NAD⁺ molecuul dat "stroomopwaarts" kan worden teruggestuurd om deel te nemen aan, en zo te helpen bij het handhaven van, glycolyse. In werkelijkheid is dit niet geheel herstellend in termen van de metabole behoeften van een organisme. Als we mensen als voorbeeld nemen, kan zelfs een persoon die in rust zit niet in de buurt komen van het voldoen aan haar metabole behoeften via glycolyse alleen. Dit blijkt waarschijnlijk uit het feit dat wanneer mensen stoppen met ademen, ze het leven niet lang vol kunnen houden door gebrek aan zuurstof. Als gevolg hiervan is glycolyse in combinatie met fermentatie eigenlijk slechts een noodmaatregel, een manier om te putten uit het equivalent van een kleine hulpbrandstoftank wanneer de motor extra brandstof nodig heeft. Dit concept vormt de hele basis van alledaagse uitdrukkingen in de sportwereld: "Feel the burn", "hit the wall" en anderen.

Als melkzuur – een stof waar je vrijwel zeker van hebt gehoord, opnieuw in de context van lichaamsbeweging – als iets klinkt die in melk kunnen worden gevonden (u hebt misschien productnamen zoals Lactaid in de plaatselijke zuivelkoeler gezien), dit is geen toeval. Lactaat werd in 1780 voor het eerst geïsoleerd in muffe melk. (Melk geven is de naam van de vorm van melkzuur die een proton heeft gedoneerd, zoals alle zuren per definitie doen. Deze naamgevingsconventie voor "-ate" en "-ic acid" voor zuren omvat de hele scheikunde.) Wanneer u hardloopt of gewichten opheft of deelneemt aan oefeningen met hoge intensiteit - alles waardoor u onaangenaam hard ademt, eigenlijk - aerobe metabolisme, dat afhankelijk is van zuurstof, is niet langer voldoende om aan de eisen van uw werk te voldoen spieren.

Onder deze omstandigheden gaat het lichaam in 'zuurstofschuld', wat een verkeerde benaming is sinds de... echt probleem is een cellulair apparaat dat "slechts" 36 of 38 ATP per molecuul glucose produceert geleverde. Als de intensiteit van de inspanning wordt volgehouden, probeert het lichaam gelijke tred te houden door LDH in een hogere versnelling te zetten en zoveel mogelijk NAD te genereren.⁺ mogelijk via de omzetting van pyruvaat in lactaat. Op dit punt is de aërobe component van het systeem duidelijk maximaal en worstelt de anaërobe component naar binnen op dezelfde manier merkt iemand die verwoed uit een boot springt, dat het waterpeil ondanks zijn… inspanningen.

Het lactaat dat bij fermentatie wordt geproduceerd, heeft al snel een proton eraan vastgemaakt, waardoor melkzuur ontstaat. Dit zuur blijft zich in de spieren ophopen terwijl het werk wordt volgehouden, totdat uiteindelijk alle wegen voor het genereren van ATP het tempo niet kunnen bijhouden. In dit stadium moet het spierwerk langzamer gaan of helemaal stoppen. Een hardloper die in een race van een mijl zit maar iets te snel begint voor haar fitnessniveau, kan drie ronden in de wedstrijd van vier ronden merken die al een verlammende zuurstofschuld heeft. Om het gewoon af te maken, moet ze drastisch vertragen, en haar spieren worden zo belast dat haar loopvorm, of stijl, zichtbaar zal lijden. Als je ooit een hardloper hebt gezien in een lange sprintrace, zoals de 400 meter (waarvoor atleten van wereldklasse ongeveer 45 tot 50 seconden om te finishen) ernstig langzaam in het laatste deel van de race, je hebt waarschijnlijk gemerkt dat hij of zij bijna lijkt te zijn zwemmen. Dit is losjes toe te schrijven aan spierfalen: als er geen brandstofbronnen zijn, kunnen de vezels in de spieren van de atleet gewoon niet samentrekken volledig of met precisie, en het gevolg is een hardloper die plotseling eruitziet alsof hij een onzichtbare piano of een ander groot voorwerp op zijn terug.

Wetenschappers weten al lang dat melkzuur zich snel opbouwt in spieren die op het punt staan ​​te bezwijken. Evenzo is het algemeen bekend dat het soort lichaamsbeweging dat tot dit soort snel spierfalen leidt, een uniek en kenmerkend branderig gevoel in de aangetaste spieren veroorzaakt. (Het is niet moeilijk om dit op te wekken; laat je op de grond vallen en probeer 50 ononderbroken push-ups te doen, en het is vrijwel zeker dat de spieren in je borst en schouders binnenkort "de verbranding" zullen ervaren.) Het was daarom natuurlijk genoeg om aan te nemen, zonder tegenbewijs, dat melkzuur zelf de oorzaak van de brandwond was, en dat melkzuur zelf een soort gif was – een noodzakelijk kwaad op weg naar het maken van de broodnodige NAD⁺. Dit geloof is grondig gepropageerd door de hele bewegingsgemeenschap; ga naar een atletiekwedstrijd of een 5K-wegrace, en je zult hardlopers waarschijnlijk horen klagen dat ze pijn hebben van de training van de vorige dag dankzij te veel melkzuur in hun benen.

Meer recent onderzoek heeft dit paradigma in twijfel getrokken. Lactaat (hier worden deze term en "melkzuur" omwille van de eenvoud door elkaar gebruikt) is allesbehalve een verspillend molecuul gebleken dat niet de oorzaak van spierfalen of verbranding. Het dient blijkbaar zowel als een signaalmolecuul tussen cellen en weefsels als een goed verhulde bron van brandstof op zich.

De traditionele reden waarom lactaat spierfalen zou veroorzaken, is een lage pH (hoge zuurgraad) in de werkende spieren. De normale pH van het lichaam schommelt bijna neutraal tussen zuur en basisch, maar melkzuur verliest zijn protonen om lactaat te worden, overspoelen spieren met waterstofionen, waardoor ze niet meer kunnen functioneren zie. Dit idee is echter sinds de jaren tachtig sterk op de proef gesteld. Volgens de wetenschappers die een andere theorie naar voren brengen, is er maar heel weinig van de H⁺ dat zich ophoopt in werkende spieren, komt eigenlijk van melkzuur. Dit idee is voornamelijk voortgekomen uit een nauwkeurige studie van de glycolysereacties "stroomopwaarts" van pyruvaat, die zowel de pyruvaat- als lactaatniveaus beïnvloeden. Ook wordt tijdens inspanning meer melkzuur uit de spiercellen getransporteerd dan eerder werd aangenomen, waardoor het vermogen om H. te dumpen wordt beperkt⁺ in de spieren. Een deel van dit lactaat kan door de lever worden opgenomen en worden gebruikt om glucose te maken door de stappen van de glycolyse in omgekeerde volgorde te volgen. Samenvattend hoeveel verwarring er anno 2018 nog steeds bestaat over deze kwestie, hebben sommige wetenschappers zelfs stelde voor om lactaat te gebruiken als brandstofsupplement voor lichaamsbeweging, waardoor lang gekoesterde ideeën volledig worden veranderd ondersteboven.