Ce este fermentarea acidului lactic?

În măsura în care sunteți familiarizați cu cuvântul „fermentare”, este posibil să fiți înclinați să-l asociați cu procesul de creare a băuturilor alcoolice. În timp ce acest lucru profită într-adevăr de un tip de fermentație (numită formal și non-misterios fermentare alcoolică), un al doilea tip, fermentarea acidului lactic, este de fapt mai vital și este aproape sigur că apare într-o oarecare măsură în propriul corp în timp ce citiți acest lucru.

Fermentarea se referă la orice mecanism prin care o celulă poate folosi glucoza pentru a elibera energie sub formă de adenozin trifosfat (ATP) în absența oxigenului - adică în condiții anaerobe. Sub toate condiții - de exemplu, cu sau fără oxigen și în celulele eucariote (vegetale și animale) și procariote (bacteriene) - metabolismul unei molecule de glucoză, numită glicoliză, se desfășoară printr-o serie de etape pentru a produce două molecule de piruvat. Ceea ce se întâmplă atunci depinde de organismul implicat și de prezența oxigenului.

În toate organismele, glucoza (C₆H₁₂O₆) este utilizat ca sursă de energie și este transformat într-o serie de nouă reacții chimice distincte la piruvat. Glucoza însăși provine din descompunerea tuturor tipurilor de alimente, inclusiv carbohidrați, proteine ​​și grăsimi. Aceste reacții au loc în citoplasma celulară, independent de mașinile celulare speciale. Procesul începe cu o investiție de energie: două grupe de fosfați, fiecare dintre ele luate dintr-un moleculă de ATP, sunt atașate de molecula de glucoză, lăsând două molecule de adenozin difosfat (ADP) in spate. Rezultatul este o moleculă asemănătoare fructozei din zahăr din fructe, dar cu cele două grupări fosfat atașate. Acest compus se împarte într-o pereche de molecule de trei carbon, dihidroxiacetonă fosfat (DHAP) și gliceraldehidă-3-fosfat (G-3-P), care au aceeași formulă chimică, dar aranjamente diferite ale lor atomi constitutivi; DHAP este apoi convertit în G-3-P oricum.

Cele două molecule G-3-P intră apoi în ceea ce se numește adesea etapa producătoare de energie a glicolizei. G-3-P (și amintiți-vă, există două dintre acestea) renunță la un proton sau atom de hidrogen, la o moleculă de NAD + (nicotinamidă adenină dinucleotidă, o energie importantă) purtător în multe reacții celulare) pentru a produce NADH, în timp ce NAD donează un fosfat la G-3-P pentru a-l transforma în bifosfoglicerat (BPG), un compus cu două fosfați. Fiecare dintre acestea este dat ADP pentru a forma două ATP, deoarece piruvatul este în cele din urmă generat. Amintiți-vă, totuși, că tot ce se întâmplă după împărțirea zahărului cu șase carbon în doi cu trei carboni zaharurile sunt duplicate, deci acest lucru înseamnă că rezultatul net al glicolizei este de patru ATP, două NADH și doi piruvat molecule.

Este important de reținut că glicoliza este considerată anaerobă deoarece oxigenul nu este necesar pentru ca procesul să aibă loc. Este ușor să confundăm acest lucru cu „numai dacă nu este prezent oxigen”. În același mod, puteți coborî pe un deal într-o mașină chiar și cu un rezervor plin de gaz, și astfel se angajează în „conducere fără gaz”, glicoliza se desfășoară în același mod indiferent dacă oxigenul este prezent în cantități generoase, cantități mai mici sau nu la toate.

Odată ce glicoliza a ajuns la etapa piruvat, soarta moleculelor piruvat depinde de mediul specific. În eucariote, dacă există suficient oxigen, aproape tot piruvatul este transportat în respirație aerobă. Primul pas al acestui proces în doi pași este ciclul Krebs, numit și ciclul acidului citric sau ciclul acidului tricarboxilic; al doilea pas este lanțul de transport al electronilor. Acestea au loc în mitocondriile celulelor, organite care sunt adesea asemănate cu mici centrale electrice. Unii procarioti se pot angaja în metabolismul aerob, în ​​ciuda faptului că nu au mitocondrii sau alte organite („aerobii facultativi”), dar pentru cei mai mulți în parte, își pot satisface nevoile de energie doar prin căile metabolice anaerobe, și multe bacterii sunt de fapt otrăvite de oxigen ( anaerobi ").

Când este suficient oxigen nu prezent, în procariote și în majoritatea eucariotelor, piruvatul intră pe calea fermentației acidului lactic. Excepția de la aceasta este drojdia eucariotă unicelulară, o ciupercă care metabolizează piruvatul în etanol (alcoolul cu doi atomi de carbon din băuturile alcoolice). În fermentația alcoolică, o moleculă de dioxid de carbon este îndepărtată din piruvat pentru a crea acetaldehidă, iar un atom de hidrogen este apoi atașat la acetaldehidă pentru a genera etanol.

Glicoliza ar putea, în teorie, să procedeze la nesfârșit pentru a furniza energie organismului părinte, deoarece fiecare glucoză are ca rezultat un câștig net de energie. La urma urmei, glucoza ar putea fi alimentată mai mult sau mai puțin continuu în schemă dacă organismul mănâncă pur și simplu suficient, iar ATP este în esență o resursă regenerabilă. Factorul limitativ aici este disponibilitatea NAD⁺, și aici intervine fermentația acidului lactic.

O enzimă numită lactat dehidrogenază (LDH) transformă piruvatul în lactat prin adăugarea unui proton (H⁺) la piruvat și, în acest proces, o parte din NADH din glicoliză este convertită înapoi în NAD⁺. Aceasta oferă un NAD⁺ moleculă care poate fi returnată „în amonte” pentru a participa la glicoliză și a ajuta astfel la menținerea acesteia. În realitate, acest lucru nu este în întregime restaurativ în ceea ce privește nevoile metabolice ale unui organism. Folosind oamenii ca exemplu, nici măcar o persoană care stătea odihnită nu putea ajunge aproape de satisfacerea nevoilor sale metabolice numai prin glicoliză. Acest lucru este probabil evident în faptul că atunci când oamenii încetează să respire, nu pot susține viața foarte mult timp din lipsă de oxigen. Ca rezultat, glicoliza combinată cu fermentarea este într-adevăr doar o măsură oprită, o modalitate de a folosi echivalentul unui rezervor mic de combustibil auxiliar atunci când motorul are nevoie de combustibil suplimentar. Acest concept formează întreaga bază a expresiilor colocviale din lumea exercițiilor: „Simțiți arderea”, „loviți peretele” și altele.

Dacă acidul lactic - o substanță despre care ați auzit aproape sigur, din nou în contextul exercițiilor fizice - sună ca ceva care ar putea fi găsit în lapte (este posibil să fi văzut nume de produse precum Lactaid în răcitorul de lactate local), acest lucru nu este întâmplător. Lactatul a fost izolat pentru prima dată în lapte învechit înapoi în 1780. (Lactat este numele formei de acid lactic care a donat un proton, așa cum o fac toți acizii prin definiție. Această convenție de denumire „-ate” și „acid -ic” pentru acizi se întinde pe toată chimia.) Când alergați sau ridicați greutăți sau participați la exerciții de intensitate ridicată - orice vă face să respirați greu, de fapt - metabolismul aerob, care se bazează pe oxigen, nu mai este suficient pentru a ține pasul cu cerințele muncii dvs. mușchii.

În aceste condiții, corpul se îndreaptă spre „datoria de oxigen”, ceea ce este ceva necunoscut de la problema reală este un aparat celular care produce „numai” 36 sau 38 ATP pe moleculă de glucoză furnizat. Dacă intensitatea exercițiului este susținută, corpul încearcă să țină pasul lovind LDH în treapta mare și generând la fel de mult NAD⁺ posibil prin conversia piruvatului în lactat. În acest moment, componenta aerobă a sistemului este clar maximizată, iar componenta anaerobă se luptă în același mod în care cineva salvează frenetic o barcă observă că nivelul apei continuă să se strecoare în ciuda lui eforturi.

Lactatul care este produs în fermentație are în curând un proton atașat la acesta, generând acid lactic. Acest acid continuă să se acumuleze în mușchi pe măsură ce munca este menținută, până când în cele din urmă toate căile de generare a ATP pur și simplu nu pot ține pasul. În acest stadiu, munca musculară trebuie să încetinească sau să înceteze cu totul. Un alergător care se află într-o cursă de mile, dar începe oarecum prea repede pentru nivelul ei de fitness, se poate trezi la trei ture în competiția de patru ture, deja cu o datorie de oxigen invalidantă. Pentru a termina pur și simplu, trebuie să încetinească drastic, iar mușchii ei sunt atât de impozitați, încât forma sau stilul ei de alergare este probabil să sufere vizibil. Dacă ați urmărit vreodată un alergător într-o cursă sprint lungă, cum ar fi cei 400 de metri (care ia sportivi de clasă mondială între 45 și 50 secunde pentru a termina) încetinește sever în ultima porțiune a cursei, probabil că ai observat că el sau ea aproape pare să fie înot. Acest lucru, vag vorbind, este atribuibil insuficienței musculare: absente surse de combustibil de orice fel, fibrele din mușchii sportivului pur și simplu nu se pot contracta complet sau cu precizie, iar consecința este un alergător care brusc arată de parcă ar purta pe pian un pian invizibil sau alt obiect mare înapoi.

Oamenii de știință de multă vreme au știut că acidul lactic se acumulează rapid în mușchii care sunt pe punctul de a eșua. În mod similar, este bine stabilit că exercițiul fizic care duce la acest tip de insuficiență musculară rapidă produce o senzație de arsură unică și caracteristică în mușchii afectați. (Nu este greu să induci acest lucru; coboară pe podea și încearcă să faci 50 de flotări neîntrerupte și este practic sigur că mușchii din piept și umeri vor experimenta în curând „arsura”.) Prin urmare, a fost suficient de natural să presupunem, în absența unor dovezi contrare, că acidul lactic în sine a fost cauza arderii și că acidul lactic în sine a fost ceva de toxină - un rău necesar pe parcurs pentru a face atât de necesar NAD⁺. Această credință a fost răspândită temeinic în întreaga comunitate de exerciții; mergi la o întâlnire pe pista sau la o cursă rutieră de 5 km și este probabil să auzi alergătorii plângându-se că sunt dureroși din antrenamentul din ziua anterioară datorită prea mult acid lactic în picioare.

Cercetări mai recente au pus sub semnul întrebării această paradigmă. Lactatul (aici, acest termen și „acid lactic” sunt folosiți interschimbabil pentru simplitate) sa dovedit a fi orice, în afară de o moleculă risipitoare care este nu cauza insuficienței musculare sau a arsurilor. Se pare că servește atât ca o moleculă de semnalizare între celule și țesuturi, cât și ca o sursă bine disimulată de combustibil în sine.

Rațiunea tradițională oferită pentru modul în care lactatul presupune că provoacă insuficiență musculară este pH-ul scăzut (aciditate ridicată) în mușchii care lucrează. PH-ul normal al corpului se situează aproape de neutru între acid și bazic, dar acidul lactic se elimină protonii pentru a deveni lactat inundă mușchii cu ioni de hidrogen, făcându-i incapabili să funcționeze pe se. Cu toate acestea, această idee a fost puternic contestată încă din anii 1980. În opinia oamenilor de știință care avansează o teorie diferită, foarte puțin din H⁺ care se acumulează în mușchii care lucrează provine de fapt din acid lactic. Această idee a apărut în principal dintr-un studiu atent al reacțiilor de glicoliză „în amonte” de piruvat, afectând atât nivelurile de piruvat, cât și cele de lactat. De asemenea, în timpul exercițiilor fizice este transportat mai mult acid lactic din celulele musculare decât se credea anterior, limitându-i astfel capacitatea de a arunca H⁺ în mușchi. O parte din acest lactat poate fi preluat de ficat și utilizat pentru a produce glucoza urmând pașii glicolizei invers. Rezumând cât de multă confuzie există încă din 2018 în legătură cu această problemă, unii oameni de știință au chiar a sugerat utilizarea lactatului ca supliment de combustibil pentru exerciții fizice, transformând astfel ideile de lungă durată complet Cu susul în jos.