Шта је млечно-киселинска ферментација?

Уколико вам је реч „ферментација“ позната, можда ћете бити склони да је повежете са поступком стварања алкохолних пића. Иако ово заиста користи предност једне врсте ферментације (формално и не мистериозно назване алкохолна ферментација), други тип, ферментација млечне киселине, заправо је виталније и готово сигурно се дешава у одређеној мери у вашем телу док ово читате.

Ферментација се односи на било који механизам којим ћелија може да користи глукозу за ослобађање енергије у облику аденозин трифосфата (АТП) у одсуству кисеоника - то јест, под анаеробним условима. Под све услови - на пример, са или без кисеоника, и у еукариотским (биљним и животињским) и прокариотским (бактеријским) ћелијама - метаболизам молекула глукозе, назван гликолиза, одвија се кроз низ корака да би се произвела два молекула пируват. Шта се тада догађа зависи од тога који је организам укључен и да ли је присутан кисеоник.

У свим организмима глукоза (Ц.₆Х.₁₂О.₆) користи се као извор енергије и претвара се у серију од девет различитих хемијских реакција у пируват. Сама глукоза долази од разградње свих врста прехрамбених производа, укључујући угљене хидрате, протеине и масти. Све ове реакције се одвијају у ћелијској цитоплазми, независно од посебних ћелијских машина. Процес започиње улагањем енергије: две фосфатне групе, свака од њих узета из молекула АТП, везани су за молекул глукозе, остављајући два молекула аденозин дифосфата (АДП) иза. Резултат је молекул који подсећа на фруктозу од воћног шећера, али са две повезане фосфатне групе. Ово једињење се дели на пар молекула са три угљеника, дихидроксиацетон фосфат (ДХАП) и глицералдехид-3-фосфат (Г-3-П), који имају исту хемијску формулу, али различит распоред саставни атоми; ДХАП се тада ионако претвара у Г-3-П.

Два молекула Г-3-П тада улазе у оно што се често назива фазом гликолизе која производи енергију. Г-3-П (и имајте на уму да их има два) предаје протон или атом водоника молекулу НАД + (никотинамид аденин динуклеотид, важна енергија носилац у многим ћелијским реакцијама) да би се произвео НАДХ, док НАД донира фосфат Г-3-П да би га претворио у бисфосфоглицерат (БПГ), једињење са два фосфати. Сваки од њих се даје АДП-у да би формирао два АТП-а док се пируват коначно генерише. Подсети се, међутим, да је све што се дешава након цепања шећера са шест угљеника у два три угљеника шећери су дуплирани, па то значи да је нето резултат гликолизе четири АТП, два НАДХ и два пирувата молекула.

Важно је напоменути да се гликолиза сматра анаеробном јер кисеоник није потребан да би се процес догодио. Лако је ово помешати са „само ако нема кисеоника“. На исти начин се аутомобилом можете спустити низ брдо чак и са пуним резервоаром бензина, и тако се укључује у „вожњу без гаса“, гликолиза се одвија на исти начин без обзира да ли је кисеоник присутан у обилним количинама, мањим количинама или не све.

Једном када гликолиза достигне ступањ пирувата, судбина молекула пирувата зависи од специфичног окружења. У еукариота, ако је присутно довољно кисеоника, готово сав пируват се пребацује у аеробно дисање. Први корак овог двостепеног процеса је Кребсов циклус, такође назван циклус лимунске киселине или циклус трикарбоксилне киселине; други корак је ланац транспорта електрона. Они се одвијају у митохондријима ћелија, органела које се често успоређују са сићушним електранама. Неки прокариоти могу да се укључе у аеробни метаболизам, упркос томе што немају митохондрије или друге органеле („факултативни аероби“), али за већину делом могу да задовоље своје енергетске потребе само анаеробним метаболичким путевима, а многе бактерије су заправо отроване кисеоником („обвезни“ анаероби ").

Када је довољно кисеоника не присутан, у прокарионима и већини еукариота, пируват улази у пут ферментације млечне киселине. Изузетак је једноћелијски квасац еукариота, гљива која метаболише пируват у етанол (двокарбонски алкохол који се налази у алкохолним пићима). Током алкохолне ферментације, молекул угљен-диоксида уклања се из пирувата да би се створио ацеталдехид, а атом водоника је затим везан за ацеталдехид да би се добио етанол.

Гликолиза би у теорији могла да се одвија у недоглед како би опскрбљивала родитељски организам енергијом, јер свака глукоза резултира нето добитком енергије. На крају, глукоза би се могла више или мање континуирано уносити у шему ако организам једноставно једе довољно, а АТП је у основи обновљиви ресурс. Ограничавајући фактор овде је доступност НАД⁺, и ту долази до ферментације млечне киселине.

Ензим назван лактат дехидрогеназа (ЛДХ) претвара пируват у лактат додавањем протона (Х⁺) у пируват, а током тога се део НАДХ из гликолизе претвара назад у НАД⁺. Ово обезбеђује НАД⁺ молекул који се може вратити „узводно“ да би учествовао и тако помогао у одржавању гликолизе. У стварности, ово није у потпуности обновљиво у смислу метаболичких потреба организма. Користећи људе за пример, чак и особа која седи у миру није могла да се приближи задовољењу својих метаболичких потреба само гликолизом. То се вероватно види у чињеници да када људи престану да дишу, не могу дуго да одржавају живот због недостатка кисеоника. Као резултат, гликолиза у комбинацији са ферментацијом заиста је само зауставна мера, начин да се искористи еквивалент малог помоћног резервоара за гориво када мотору треба додатно гориво. Овај концепт чини целокупну основу колоквијалних израза у свету вежбања: „Осети опекотину“, „удари у зид“ и други.

Ако млечна киселина - супстанца за коју сте готово сигурно чули, опет у контексту вежбања - звучи као нешто који се могу наћи у млеку (можда сте у локалном хладњаку млека видели називе производа попут Лацтаида), ово није случајно. Лактат је први пут изолован у устајало млеко далеке 1780. године. (Лактат је назив облика млечне киселине која је донирала протон, као што то чине све киселине по дефиницији. Ова конвенција о именовању киселина „-ате“ и „-киселинска киселина“ обухвата целу хемију.) Када трчите или дижете тегове или учествујете у врстама вежбања високог интензитета - све што вам отежава дисање, заправо - аеробни метаболизам који се ослања на кисеоник више није довољан да иде у корак са захтевима вашег рада мишићи.

Под тим условима, тело прелази у „дуг кисеоника“, што је погрешно име од стварни проблем је ћелијски апарат који производи „само“ 36 или 38 АТП по молекулу глукозе испоручује се. Ако се интензитет вежбања одржи, тело покушава да одржи корак ударајући ЛДХ у високу брзину и генеришући толико НАД⁺ што је могуће конверзијом пирувата у лактат. У овом тренутку аеробна компонента система је очигледно максимална, а анаеробна компонента се бори са на исти начин на који неко избезумљено спашава чамац примећује да ниво воде наставља да се пење упркос његовом Напори.

Лактат који се производи у ферментацији убрзо има за себе везан протон, стварајући млечну киселину. Ова киселина се наставља накупљати у мишићима док се рад одржава, све док коначно сви путеви до стварања АТП једноставно не могу држати корак. У овој фази, мишићни рад мора успорити или потпуно престати. Тркачица која трчи километар, али стартује пребрзо за свој ниво кондиције, може се наћи у три круга такмичења у четири круга, већ у сакатом дугу кисеоника. Да би једноставно завршила, она мора драстично успорити, а мишићи су јој толико опорезовани да ће њена форма трчања или стил вероватно видно патити. Ако сте икада гледали тркача у дугој спринт трци, као што је 400 метара (што спортистима светске класе треба око 45 до 50 секунде до краја) озбиљно успорите у последњем делу трке, вероватно сте приметили да се он или она готово чини пливање. Ово се, слободно речено, може приписати затајивању мишића: Ако нема извора горива било које врсте, влакна у мишићима мишића једноставно не могу да се скупљају потпуно или прецизно, а последица тога је тркач који одједном изгледа као да на себи носи невидљиви клавир или други велики предмет назад.

Научници већ дуго знају да се млечна киселина брзо накупља у мишићима који су на ивици да пропадну. Слично томе, добро је утврђено да врста физичког вежбања која доводи до ове врсте брзог затајења мишића производи јединствени и карактеристични осећај сагоревања у погођеним мишићима. (Није тешко то навести; спустите се на под и покушајте да направите 50 непрекидних склекова и готово је сигурно да ће мишићи на грудима и раменима ускоро доживети „опекотину“.) Стога је било довољно природно претпоставити, у одсуству супротних доказа, да је млечна киселина сама по себи узрок опекотина и да је сама млечна киселина нешто попут токсина - неопходно зло на путу до стварања преко потребних НАД⁺. Ово уверење је темељито пропагирано у целој заједници вежби; идите на стазу за сусрет или на 5К цестовну трку и вјероватно ћете чути тркаче како се жале на бол због тренинга претходног дана захваљујући превише млијечне киселине у ногама.

Новија истраживања довела су ову парадигму у питање. Утврђено је да је лактат (овде се овај појам и „млечна киселина“ наизменично користе ради једноставности) све само не расипни молекул који је не узрок отказивања или сагоревања мишића. Очигледно служи и као сигнални молекул између ћелија и ткива и као добро прикривени извор горива.

Традиционално образложење како лактат наводно изазива отказивање мишића је низак пХ (висока киселост) у радним мишићима. Нормални пХ у телу лебди близу неутралног између киселог и базног, али млечна киселина га просипа протони који постају лактати преплављују мишиће јонима водоника, чинећи их неспособним за функционисање се. Међутим, ова идеја је снажно оспоравана од 1980-их. По мишљењу научника који унапређују другачију теорију, врло мало Х.⁺ која се накупља у радним мишићима заправо потиче од млечне киселине. Ова идеја настала је углавном из блиског проучавања реакција гликолизе „узводно“ од пирувата, утичући и на ниво пирувата и лактата. Такође, више млечне киселине се преноси из мишићних ћелија током вежбања него што се раније веровало, ограничавајући тако његову способност да баци Х⁺ у мишиће. Нешто од овог лактата може да преузме јетра и користи се за стварање глукозе пратећи кораке гликолизе обрнуто. Сумирајући колико још увек постоји забуна око овог питања од 2018. године, неки научници чак имају предложио да се лактат користи као додатак гориву за вежбање, чиме се у потпуности окрећу дугогодишње идеје наопако.