Kaj je mlečnokislinsko vrenje?

Kolikor ste seznanjeni z besedo "fermentacija", ste jo nagnjeni k povezovanju s postopkom ustvarjanja alkoholnih pijač. Čeprav to resnično izkorišča eno vrsto fermentacije (formalno in ne skrivnostno imenovano alkoholno vrenje), drugi tip, mlečnokislinska fermentacija, je pravzaprav bolj življenjsko pomemben in se skoraj gotovo pojavlja do neke mere v vašem telesu, ko to berete.

Fermentacija se nanaša na kateri koli mehanizem, s katerim lahko celica z glukozo sprosti energijo v obliki adenozin trifosfata (ATP) v odsotnosti kisika - torej v anaerobnih pogojih. Spodaj vse pogoje - na primer s kisikom ali brez njega ter v evkariontskih (rastlinskih in živalskih) in prokariontskih (bakterijskih) celicah - presnova molekule glukoze, imenovana glikoliza, poteka skozi številne korake, da tvori dve molekuli piruvat. Kaj se potem zgodi, je odvisno od tega, kateri organizem je vključen in ali je prisoten kisik.

V vseh organizmih je glukoza (C₆H₁₂O₆) se uporablja kot vir energije in se v devetih različnih kemijskih reakcijah pretvori v piruvat. Sama glukoza izhaja iz razgradnje vseh vrst živil, vključno z ogljikovimi hidrati, beljakovinami in maščobami. Vse te reakcije potekajo v celični plazmi, neodvisno od posebnih celičnih strojev. Postopek se začne z naložbo energije: dve fosfatni skupini, vsaka od njih je vzeta iz molekule ATP, pritrjeni na molekulo glukoze, tako da ostaneta dve molekuli adenozin difosfata (ADP) zadaj. Rezultat je molekula, ki spominja na fruktozo sadnega sladkorja, vendar z dvema pritrjenima fosfatnima skupinama. Ta spojina se razcepi na par molekul s tremi ogljiki, dihidroksiaceton fosfat (DHAP) in gliceraldehid-3-fosfat (G-3-P), ki imajo enako kemijsko formulo, vendar sestavni atomi; DHAP se nato vseeno pretvori v G-3-P.

Dve molekuli G-3-P nato vstopita v tako imenovano stopnjo glikolize, ki proizvaja energijo. G-3-P (in ne pozabite, da sta ta dva) odpove protonu ali atomu vodika molekuli NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid, pomembna energija v mnogih celičnih reakcijah), da proizvede NADH, medtem ko NAD da G-3-P fosfat, da ga pretvori v bisfosfoglicerat (BPG), spojino z dvema fosfati. Vsak od njih se odda ADP, da tvori dva ATP, ko končno nastane piruvat. Spomnimo pa se, da vse, kar se zgodi po razdelitvi šest-ogljikovega sladkorja na dva tri-ogljikova sladkorja podvojen, zato to pomeni, da je neto rezultat glikolize štiri ATP, dva NADH in dva piruvata molekul.

Pomembno je omeniti, da se glikoliza šteje za anaerobno, ker kisik ni potreben za postopek. Tega je enostavno zamenjati z "le, če ni kisika". Na enak način se lahko z avtomobilom spustite po hribu, tudi s polnim rezervoarjem plina, in se tako vključijo v "brezplinsko vožnjo", glikoliza se odvija na enak način, ne glede na to, ali je kisik v velikih količinah, manjših količinah ali ne vse.

Ko glikoliza doseže stopnjo piruvata, je usoda molekul piruvata odvisna od določenega okolja. Če je v evkariontih dovolj kisika, se skoraj ves piruvat preusmeri v aerobno dihanje. Prvi korak tega dvostopenjskega procesa je Krebsov cikel, imenovan tudi cikel citronske kisline ali cikel trikarboksilne kisline; drugi korak je veriga prenosa elektronov. Potekajo v mitohondrijih celic, organelov, ki jih pogosto primerjamo z majhnimi elektrarnami. Nekateri prokarionti lahko sodelujejo v aerobni presnovi, čeprav nimajo nobenih mitohondrijev ali drugih organelov ("fakultativni aerobi"), toda del lahko zadovoljijo svoje potrebe po energiji samo z anaerobnimi presnovnimi potmi, številne bakterije pa so dejansko zastrupljene s kisikom ( anaerobi ").

Ko je dovolj kisika ne prisoten v prokariontih in večini evkariontov piruvat vstopi v fermentacijsko pot mlečne kisline. Izjema pri tem je enocelični kvas evkarion, gliva, ki presnavlja piruvat v etanol (dvoogljični alkohol, ki ga najdemo v alkoholnih pijačah). Pri alkoholni fermentaciji se molekula ogljikovega dioksida odstrani iz piruvata, da nastane acetaldehid, na acetaldehid pa se nato veže vodikov atom, da nastane etanol.

Teorija glikolize bi lahko teoretično potekala v neskončnost za oskrbo matičnega organizma z energijo, saj vsaka glukoza povzroči neto dobiček. Navsezadnje bi lahko glukozo več ali manj nenehno vnašali v shemo, če organizem preprosto poje dovolj, ATP pa je v bistvu obnovljiv vir. Omejevalni dejavnik pri tem je razpoložljivost NAD⁺in tu nastopi mlečnokislinsko vrenje.

Encim, imenovan laktat dehidrogenaza (LDH), z dodajanjem protona (H) pretvori piruvat v laktat⁺) v piruvat, pri čemer se del NADH iz glikolize pretvori nazaj v NAD⁺. To zagotavlja NAD⁺ molekulo, ki jo je mogoče vrniti "gorvodno", da sodeluje in tako pomaga vzdrževati glikolizo. V resnici to v smislu presnovnih potreb organizma ni povsem obnovitveno. Če za primer uporabimo ljudi, se tudi oseba, ki sedi v mirovanju, ne more približati svojim presnovnim potrebam samo z glikolizo. To je verjetno razvidno iz dejstva, da ko ljudje prenehajo dihati, zaradi pomanjkanja kisika ne morejo dolgo preživeti življenja. Posledično je glikoliza v kombinaciji s fermentacijo v resnici le zavorni ukrep, način, kako črpati ekvivalent majhnega pomožnega rezervoarja za gorivo, ko motor potrebuje dodatno gorivo. Ta koncept tvori celotno osnovo pogovornih izrazov v svetu vadbe: "Občutite opekline", "udarite v zid" in drugi.

Če mlečna kislina - snov, za katero ste skoraj zagotovo že slišali, spet v okviru vadbe - zveni kot nekaj ki jih lahko najdemo v mleku (morda ste v lokalnem hladilniku mleka videli imena izdelkov, kot je Lactaid), to ni naključje. Laktat je bil prvič izoliran v zastarelem mleku že leta 1780. (Laktat je ime oblike mlečne kisline, ki je darovala proton, kot to počnejo vse kisline po definiciji. Ta konvencija o poimenovanju kislin "-ate" in "-ična kislina" zajema celotno kemijo.) Ko tečete ali dvigujete uteži ali se udeležujete visokointenzivnih vrst vadbe - karkoli, zaradi česar dihate neprijetno težko, aerobna presnova, ki je odvisna od kisika, ne zadostuje več, da bi sledila zahtevam vašega dela mišice.

V teh pogojih telo zaide v "dolg kisika", kar je napačno poimenovanje od leta resnično vprašanje je celični aparat, ki proizvede "le" 36 ali 38 ATP na molekulo glukoze dobavljeno. Če se intenzivnost vadbe ohrani, telo poskuša slediti koraku tako, da LDH brcne v visoko prestavo in ustvari toliko NAD⁺ s pretvorbo piruvata v laktat. Na tej točki je aerobna komponenta sistema očitno maksimalna in anaerobna komponenta se trudi na enak način, ko nekdo mrzlično reši čoln, opazi, da se gladina vode kljub njegovi narašča prizadevanja.

V laktatu, ki nastane v fermentaciji, je kmalu nanj pritrjen proton, ki tvori mlečno kislino. Ta kislina se še naprej kopiči v mišicah, ko se delo ohranja, dokler končno vse poti do tvorjenja ATP preprosto ne morejo slediti koraku. V tej fazi se mora mišično delo upočasniti ali popolnoma prenehati. Tekačica, ki je na kilometrski dirki, a začne nekoliko prehitro za svojo kondicijsko pripravljenost, se lahko znajde v treh krogih tekmovanja s štirimi krogi, ki je že v hromem dolgu kisika. Da bi preprosto končala, mora drastično upočasniti in mišice so tako obdavčene, da bo verjetno teče njena oblika ali slog. Če ste že kdaj opazovali tekača na dolgi sprinterski dirki, na primer 400 metrov (ki športnikom svetovnega razreda vzame približno 45 do 50 sekunde do konca) v zadnjem delu dirke močno upočasnite, verjetno ste opazili, da je skorajda videti plavanje. To je lahko rečeno pripisano odpovedi mišic: vlakna v športnikovih mišicah se v odsotnih virih goriva preprosto ne morejo skrčiti. popolnoma ali natančno, posledica pa je tekač, ki nenadoma izgleda, kot da na sebi nosi nevidni klavir ali drug velik predmet nazaj.

Znanstveniki že dolgo vedo, da se mlečna kislina hitro kopiči v mišicah, ki so tik pred odpovedjo. Podobno je že uveljavljeno, da vrsta telesne vadbe, ki vodi do te vrste hitre mišične odpovedi, povzroči edinstven in značilen pekoč občutek v prizadetih mišicah. (Težko je to spodbuditi; spustite se na tla in poskusite narediti 50 neprekinjenih sklecev in skoraj je gotovo, da bodo mišice na prsih in ramenih kmalu doživele "opekline".) Zato je bilo dovolj naravno domnevati ob odsotnosti nasprotnih dokazov, da je bila mlečna kislina sama po sebi vzrok za opekline in da je tudi sama mlečna kislina nekaj toksina - nujno zlo na poti k ustvarjanju prepotrebnih NAD⁺. To prepričanje je bilo temeljito razširjeno v celotni vadbeni skupnosti; pojdite na srečanje na progi ali cestno dirko 5K in verjetno boste slišali tekače, da se zaradi preveč mlečne kisline v nogah pritožujejo zaradi bolečine prejšnjega dne.

Novejše raziskave so to paradigmo postavile pod vprašaj. Ugotovljeno je bilo, da je laktat (tukaj se ta izraz in "mlečna kislina" zaradi enostavnosti uporabljata zamenljivo) vse prej kot zapravljiva molekula, ki je ne vzrok za mišično odpoved ali pekoč občutek. Očitno služi kot signalna molekula med celicami in tkivi in ​​kot dobro prikrit vir goriva.

Tradicionalna utemeljitev, kako domnevno laktat povzroča mišično odpoved, je nizek pH (visoka kislost) v delujočih mišicah. Normalni pH v telesu se giblje blizu nevtralnega med kislim in bazičnim, vendar ga mlečna kislina izloča protoni, ki postanejo laktat, preplavijo mišice z vodikovimi ioni, zaradi česar ne morejo več se. Vendar ta ideja že od osemdesetih let močno izpodbija. Po mnenju znanstvenikov, ki napredujejo v drugačni teoriji, zelo malo H⁺ ki se kopiči v delujočih mišicah, dejansko izvira iz mlečne kisline. Ta ideja je nastala predvsem iz natančne študije glikoliznih reakcij "gorvodno" od piruvata, ki vplivajo na ravni piruvata in laktata. Prav tako se med vadbo iz mišičnih celic prenaša več mlečne kisline, kot so prej verjeli, kar omejuje njeno sposobnost odlaganja H⁺ v mišice. Nekaj ​​tega laktata lahko jetra prevzamejo in iz njega ustvarijo glukozo po korakih glikolize v obratni smeri. Če povzamemo, koliko zmede glede tega vprašanja od leta 2018 še vedno obstaja, nekateri znanstveniki celo menijo je predlagal uporabo laktata kot dodatka k gorivu za vadbo, s čimer so dolgotrajne ideje popolnoma spremenili obrnjen na glavo.