Hva er melkesyregjæring?

I den grad du er kjent med ordet "gjæring", kan du være tilbøyelig til å knytte det til prosessen med å lage alkoholholdige drikker. Selv om dette faktisk utnytter en type gjæring (formelt og ikke-mystisk kalt alkoholholdig gjæring), en annen type, melkesyregjæring, er faktisk mer viktig og forekommer nesten helt sikkert til en viss grad i din egen kropp når du leser dette.

Fermentering refererer til enhver mekanisme der en celle kan bruke glukose til å frigjøre energi i form av adenosintrifosfat (ATP) i fravær av oksygen - det vil si under anaerobe forhold. Under alle forhold - for eksempel med eller uten oksygen, og i både eukaryote (plante- og dyr) og prokaryote (bakterielle) celler - metabolismen av et molekyl glukose, kalt glykolyse, fortsetter gjennom en rekke trinn for å produsere to molekyler av pyruvat. Hva som da skjer, avhenger av hvilken organisme som er involvert, og om oksygen er tilstede.

I alle organismer er glukose (C₆H₁₂O₆) brukes som energikilde og omdannes i en serie på ni forskjellige kjemiske reaksjoner på pyruvat. Glukose i seg selv kommer fra nedbrytingen av alle slags matvarer, inkludert karbohydrater, proteiner og fett. Disse reaksjonene finner alle sted i cellecytoplasmaet, uavhengig av spesialmaskiner. Prosessen begynner med en investering av energi: To fosfatgrupper, hver av dem hentet fra en molekyl av ATP, er festet til glukosemolekylet, og etterlater to adenosindifosfat (ADP) molekyler bak. Resultatet er et molekyl som ligner frukt sukker fruktose, men med de to fosfatgruppene festet. Denne forbindelsen deler seg i et par med tre-karbonmolekyler, dihydroxyacetone phosphate (DHAP) og glyseraldehyd-3-fosfat (G-3-P), som har samme kjemiske formel, men forskjellige ordninger av deres bestanddeler atomer; DHAP blir deretter konvertert til G-3-P uansett.

De to G-3-P-molekylene går deretter inn i det som ofte kalles det energiproduserende stadiet av glykolyse. G-3-P (og husk, det er to av disse) gir opp et proton, eller hydrogenatom, til et molekyl av NAD + (nikotinamid-adenin-dinukleotid, en viktig energi bærer i mange cellulære reaksjoner) for å produsere NADH, mens NAD donerer et fosfat til G-3-P for å omdanne det til bisfosfoglyserat (BPG), en forbindelse med to fosfater. Hver av disse blir gitt til ADP for å danne to ATP når pyruvat til slutt genereres. Husk imidlertid at alt som skjer etter oppdeling av seks-karbon sukker i to tre-karbon sukker dupliseres, så dette betyr at nettoresultatet av glykolyse er fire ATP, to NADH og to pyruvat molekyler.

Det er viktig å merke seg at glykolyse regnes som anaerob fordi oksygen er ikke nødvendig for at prosessen skal skje. Det er lett å forveksle dette med "bare hvis det ikke er oksygen til stede." På samme måte kan du kaste deg nedover en bakke i en bil selv med en full tank med bensin, og dermed delta i "gassfri kjøring", utfolder glykolyse på samme måte om oksygen er tilstede i sjenerøse mengder, mindre mengder eller ikke ved alle.

Når glykolyse har nådd pyruvat-trinnet, avhenger skjebnen til pyruvat-molekylene av det spesifikke miljøet. I eukaryoter, hvis tilstrekkelig oksygen er tilstede, blir nesten alt pyruvat skutt til aerob respirasjon. Det første trinnet i denne totrinnsprosessen er Krebs-syklusen, også kalt sitronsyresyklusen eller trikarboksylsyresyklusen; det andre trinnet er elektrontransportkjeden. Disse foregår i mitokondriene i celler, organeller som ofte sammenlignes med små kraftverk. Noen prokaryoter kan delta i aerob metabolisme til tross for at de ikke har noen mitokondrier eller andre organeller (de "fakultative aerobene"), men for det meste del de kan dekke energibehovene sine gjennom anaerobe metabolske veier alene, og mange bakterier blir faktisk forgiftet av oksygen (den "obligatoriske anaerober ").

Når tilstrekkelig oksygen er ikke til stede, i prokaryoter og de fleste eukaryoter, kommer pyruvat inn i melkesyregjæringsveien. Unntaket fra dette er den encellede eukaryote gjæren, en sopp som metaboliserer pyruvat til etanol (to-karbonalkoholen som finnes i alkoholholdige drikker). Ved alkoholgjæring fjernes et karbondioksydmolekyl fra pyruvat for å skape acetaldehyd, og et hydrogenatom blir deretter festet til acetaldehyd for å generere etanol.

Glykolyse kunne i teorien fortsette på ubestemt tid for å levere energi til moderorganismen, siden hver glukose resulterer i en netto energiforsterkning. Tross alt kan glukose tilføres mer eller mindre kontinuerlig inn i skjemaet hvis organismen rett og slett spiser nok, og ATP er egentlig en fornybar ressurs. Den begrensende faktoren her er tilgjengeligheten av NAD⁺, og det er her melkesyregjæring kommer inn.

Et enzym kalt laktatdehydrogenase (LDH) omdanner pyruvat til laktat ved å tilsette et proton (H⁺) til pyruvat, og i prosessen blir noe av NADH fra glykolyse omdannet tilbake til NAD⁺. Dette gir en NAD⁺ molekyl som kan returneres "oppstrøms" for å delta i, og dermed bidra til å opprettholde, glykolyse. I virkeligheten er dette ikke helt gjenopprettende når det gjelder organismens metabolske behov. Ved å bruke mennesker som et eksempel, kunne ikke en person som satt i ro, komme i nærheten av å møte hennes metabolske behov via glykolyse alene. Dette er sannsynligvis tydelig i det faktum at når folk slutter å puste, kan de ikke opprettholde livet veldig lenge på grunn av oksygen. Som et resultat er glykolyse kombinert med gjæring egentlig bare et stoppgap-mål, en måte å trekke på ekvivalenten til en liten, ekstra drivstofftank når motoren trenger ekstra drivstoff. Dette konseptet danner hele grunnlaget for dagligdags uttrykk i treningsverdenen: "Feel the burn", "hit the wall" og andre.

Hvis melkesyre - et stoff du nesten helt sikkert har hørt om, igjen i treningssammenheng - høres ut som noe som kan finnes i melk (du har kanskje sett produktnavn som Lactaid i den lokale melkekjøleren), er dette ingen tilfeldighet. Laktat ble først isolert i foreldet melk helt tilbake i 1780. (Laktat er navnet på formen av melkesyre som har donert en proton, slik alle syrer per definisjon gjør. Denne "-ate" og "-ic acid" navnekonvensjonen for syrer spenner over all kjemi.) Når du løper eller løfter vekter eller deltar i treningsformer med høy intensitet - alt som får deg til å puste ubehagelig hardt, faktisk - aerob metabolisme, som er avhengig av oksygen, er ikke lenger tilstrekkelig til å holde tritt med kravene du trenger til å jobbe muskler.

Under disse forholdene går kroppen inn i "oksygengjeld", noe som er feilaktig siden det virkelige problemet er et mobilapparat som produserer "bare" 36 eller 38 ATP per molekyl glukose medfølgende. Hvis treningsintensiteten opprettholdes, prøver kroppen å holde tritt ved å sparke LDH i høyt gir og generere så mye NAD⁺ som mulig via omdannelse av pyruvat til laktat. På dette punktet er den aerobe komponenten i systemet tydelig maksimert, og den anaerobe komponenten sliter med på samme måte som noen frenetisk redder en båt, merker at vannstanden fortsetter å krype til tross for hans anstrengelser.

Laktatet som produseres i gjæring har snart et proton festet til seg, og genererer melkesyre. Denne syren fortsetter å bygge seg opp i musklene ettersom arbeidet opprettholdes, til endelig alle veier for å generere ATP ganske enkelt ikke kan holde tritt. På dette stadiet må muskulært arbeid bremse eller opphøre helt. En løper som er på en milsløp, men starter noe for fort for treningsnivået, kan finne seg selv tre runder i firetrinnskonkurransen allerede i lammende oksygengjeld. For å bare bli ferdig, må hun redusere hastigheten drastisk, og musklene er så beskattet at løpeformen, eller stilen, sannsynligvis vil lide. Hvis du noen gang har sett en løper i et langt sprintløp, for eksempel 400 meter (som tar idrettsutøvere i verdensklasse ca 45 til 50 sekunder til slutt) sakte alvorlig i den siste delen av løpet, har du sannsynligvis lagt merke til at han eller hun nesten ser ut til å være svømming. Løst sagt kan dette tilskrives muskelsvikt: Fraværende drivstoffkilder av noe slag, fibrene i atletens muskler kan rett og slett ikke trekke seg sammen helt eller med presisjon, og konsekvensen er en løper som plutselig ser ut som om han bærer et usynlig piano eller annet stort objekt på seg tilbake.

Forskere har lenge kjent at melkesyre bygger seg raskt opp i muskler som er på randen til å svikte. Tilsvarende er det veletablert at den typen fysisk trening som fører til denne typen rask muskelsvikt, gir en unik og karakteristisk brennende følelse i de berørte musklene. (Det er ikke vanskelig å indusere dette; fall på gulvet og prøv å gjøre 50 uavbrutt push-ups, og det er praktisk talt sikkert at musklene i brystet og skuldrene dine snart vil oppleve "brenningen.") Det var derfor naturlig nok å anta, fraværende motsatt bevis, at melkesyren i seg selv var årsaken til forbrenningen, og at melkesyren i seg selv var noe av et giftstoff - et nødvendig onde underveis for å gjøre sårt tiltrengt NAD⁺. Denne troen har blitt forplantet grundig gjennom hele treningssamfunnet; gå til et løpsmøte eller 5K-løp, og du vil sannsynligvis høre løpere klage over å være sår fra forrige dags trening takket være for mye melkesyre i beina.

Nyere forskning har satt spørsmålstegn ved dette paradigmet. Laktat (her, dette begrepet og "melkesyre" brukes om hverandre for enkelhets skyld) har blitt funnet å være alt annet enn et sløsende molekyl som er ikke årsaken til muskelsvikt eller svie. Det fungerer tilsynelatende både som et signalmolekyl mellom celler og vev og som en velkledd drivstoffkilde i seg selv.

Den tradisjonelle begrunnelsen som tilbys for hvordan laktat angivelig forårsaker muskelsvikt, er lav pH (høy surhet) i arbeidsmusklene. Kroppens normale pH svever nær nøytral mellom sur og basisk, men melkesyre kaster dens protoner for å bli laktat, oversvømmer muskler med hydrogenioner, noe som gjør at de ikke kan fungere pr se. Denne ideen har imidlertid blitt utfordret sterkt siden 1980-tallet. I lyset av forskerne fremme en annen teori, veldig lite av H⁺ som bygger seg opp i arbeidende muskler, kommer faktisk fra melkesyre. Denne ideen har hovedsakelig kommet fra en grundig studie av glykolysereaksjonene "oppstrøms" fra pyruvat, og påvirker både pyruvat- og laktatnivå. Dessuten transporteres mer melkesyre ut av muskelceller under trening enn man tidligere antok, og begrenser dermed dens evne til å dumpe H⁺ inn i musklene. Noe av dette laktatet kan tas opp av leveren og brukes til å lage glukose ved å følge trinnene for glykolyse i omvendt retning. Oppsummerende hvor mye forvirring som fremdeles eksisterer fra og med 2018 rundt dette problemet, har noen forskere til og med foreslo å bruke laktat som drivstofftilskudd for trening, og dermed snu langvarige ideer helt opp ned.