Laktik Asit Fermantasyonu Nedir?

"Fermantasyon" kelimesine aşina olduğunuz ölçüde, onu alkollü içecek üretme süreciyle ilişkilendirme eğiliminde olabilirsiniz. Bu gerçekten bir tür fermantasyondan yararlanırken (resmi ve gizemli olmayan bir şekilde denir) alkollü fermantasyon), ikinci bir tür, laktik asit fermantasyonu, aslında daha hayatidir ve siz bunu okurken bir dereceye kadar bedeninizde meydana geldiği neredeyse kesindir.

Fermantasyon, bir hücrenin, oksijenin yokluğunda, yani anaerobik koşullar altında adenosin trifosfat (ATP) formundaki enerjiyi serbest bırakmak için glikoz kullanabileceği herhangi bir mekanizmayı ifade eder. Altında herşey koşullar – örneğin oksijenli veya oksijensiz ve hem ökaryotik (bitki ve hayvan) hem de prokaryotik (bakteriyel) hücrelerde – Glikoliz adı verilen bir glikoz molekülünün metabolizması, iki molekül molekülü üretmek için birkaç adımdan geçer. piruvat. O zaman ne olacağı, hangi organizmanın dahil olduğuna ve oksijenin mevcut olup olmadığına bağlıdır.

Tüm organizmalarda, glikoz (C₆H₁₂Ö₆) bir enerji kaynağı olarak kullanılır ve bir dizi dokuz farklı kimyasal reaksiyonda piruvata dönüştürülür. Glikozun kendisi, karbonhidratlar, proteinler ve yağlar dahil olmak üzere her türlü gıda maddesinin parçalanmasından gelir. Bu reaksiyonların tümü, özel hücresel mekanizmalardan bağımsız olarak hücre sitoplazmasında gerçekleşir. Süreç, bir enerji yatırımı ile başlar: Her biri bir kaynaktan alınan iki fosfat grubu. ATP molekülü, glikoz molekülüne bağlanır ve iki adenozin difosfat (ADP) molekülü bırakır. arkasında. Sonuç, meyve şekeri fruktozuna benzeyen, ancak iki fosfat grubunun bağlı olduğu bir moleküldür. Bu bileşik, bir çift üç karbonlu molekül, dihidroksiaseton fosfat (DHAP) ve aynı kimyasal formüle sahip ancak farklı düzenlemeleri olan gliseraldehit-3-fosfat (G-3-P) kurucu atomlar; DHAP daha sonra yine de G-3-P'ye dönüştürülür.

İki G-3-P molekülü daha sonra genellikle glikolizin enerji üreten aşaması olarak adlandırılan aşamaya girer. G-3-P (ve unutmayın, bunlardan ikisi vardır) bir proton veya hidrojen atomunu bir NAD+ molekülüne (nikotinamid adenin dinükleotidi, önemli bir enerji) verir. Birçok hücresel reaksiyonda taşıyıcı), NADH üretmek için NAD, G-3-P'ye bir fosfat bağışlayarak onu iki bileşenli bir bileşik olan bifosfogliserata (BPG) dönüştürür. fosfatlar. Piruvat sonunda üretildiğinden, bunların her biri iki ATP oluşturmak üzere ADP'ye verilir. Bununla birlikte, altı karbonlu şekerin iki üç karbonlu şekere bölünmesinden sonra olan her şeyin olduğunu hatırlayın. şekerler kopyalanır, bu nedenle bu, glikolizin net sonucunun dört ATP, iki NADH ve iki piruvat olduğu anlamına gelir. moleküller.

Glikolizin anaerobik olarak kabul edildiğini belirtmek önemlidir, çünkü oksijen gerekli değildir sürecin gerçekleşmesi için. Bunu "sadece oksijen yoksa" ile karıştırmak kolaydır. Aynı şekilde, dolu bir depo benzinle bile bir arabada yokuş aşağı inebilirsiniz, ve böylece "gazsız sürüş" ile meşgul olur, glikoliz, oksijen bol miktarda, daha küçük miktarlarda mevcut olsun veya olmasın, aynı şekilde açılır. herşey.

Glikoliz piruvat aşamasına ulaştığında, piruvat moleküllerinin kaderi spesifik ortama bağlıdır. Ökaryotlarda, eğer yeterli oksijen varsa, piruvatın neredeyse tamamı aerobik solunuma gönderilir. Bu iki aşamalı işlemin ilk adımı, sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü olarak da adlandırılan Krebs döngüsüdür; ikinci adım elektron taşıma zinciridir. Bunlar, genellikle küçük enerji santrallerine benzetilen organeller olan hücrelerin mitokondrilerinde gerçekleşir. Bazı prokaryotlar, herhangi bir mitokondri veya diğer organellere ("fakültatif aeroblar") sahip olmamasına rağmen aerobik metabolizmaya girebilir, ancak çoğu için enerji ihtiyaçlarını yalnızca anaerobik metabolik yollarla karşılayabilirler ve birçok bakteri aslında oksijen tarafından zehirlenir ("zorunlu anaeroblar").

Yeterli oksijen olduğunda değil prokaryotlarda ve çoğu ökaryotta mevcut olan piruvat, laktik asit fermantasyon yoluna girer. Bunun istisnası, piruvatı etanole (alkollü içeceklerde bulunan iki karbonlu alkol) metabolize eden bir mantar olan tek hücreli ökaryot mayadır. Alkollü fermentasyonda, asetaldehit oluşturmak için piruvattan bir karbon dioksit molekülü çıkarılır ve daha sonra etanol oluşturmak için asetaldehite bir hidrojen atomu bağlanır.

Glikoliz, teorik olarak, ana organizmaya enerji sağlamak için süresiz olarak ilerleyebilir, çünkü her glikoz net bir enerji kazanımı ile sonuçlanır. Sonuçta, organizma yeterince yerse ve ATP esasen yenilenebilir bir kaynaksa, glikoz şemaya aşağı yukarı sürekli olarak beslenebilir. Buradaki sınırlayıcı faktör, NAD'nin mevcudiyetidir.⁺ve laktik asit fermantasyonunun geldiği yer burasıdır.

Laktat dehidrojenaz (LDH) adı verilen bir enzim, bir proton (H) ekleyerek piruvatı laktata dönüştürür.⁺) piruvata dönüştürülür ve bu süreçte, glikolizden gelen NADH'nin bir kısmı tekrar NAD'ye dönüştürülür.⁺. Bu bir NAD sağlar⁺ Glikolize katılmak ve böylece korunmasına yardımcı olmak için "yukarı akışa" döndürülebilen molekül. Gerçekte, bu bir organizmanın metabolik ihtiyaçları açısından tamamen onarıcı değildir. İnsanları örnek alacak olursak, oturan bir insan bile tek başına glikoliz yoluyla metabolik ihtiyaçlarını karşılamaya yaklaşamazdı. Bu muhtemelen, insanların nefes almayı bıraktığında oksijen eksikliği nedeniyle çok uzun süre yaşamlarını sürdürememeleri gerçeğinde belirgindir. Sonuç olarak, fermantasyonla birlikte glikoliz, motorun ekstra yakıta ihtiyacı olduğunda, küçük, yardımcı bir yakıt deposunun eşdeğerinden yararlanmanın bir yolu olan, gerçekten sadece bir geçici önlemdir. Bu kavram, egzersiz dünyasındaki günlük konuşma ifadelerinin tüm temelini oluşturur: "Yanmayı hisset", "duvara çarp" ve diğerleri.

Laktik asit – yine egzersiz bağlamında neredeyse kesinlikle duymuş olduğunuz bir madde – kulağa bir şey gibi geliyorsa sütte bulunabilecek (yerel mandıra soğutucusunda Lactaid gibi ürün adları görmüş olabilirsiniz), bu bir tesadüf değil. Laktat ilk olarak 1780'de bayat sütte izole edildi. (Laktat tanım gereği tüm asitlerin yaptığı gibi, bir proton bağışlayan laktik asit formunun adıdır. Asitler için bu "-yedi" ve "-ik asit" adlandırma kuralı tüm kimyayı kapsar.) Koşarken veya ağırlık kaldırırken veya yüksek yoğunluklu egzersiz türlerine katılırken – Rahatsız edici derecede zor nefes almanızı sağlayan herhangi bir şey, aslında - oksijene dayanan aerobik metabolizma, çalışmanızın taleplerine ayak uydurmak için artık yeterli değil kaslar.

Bu koşullar altında, vücut "oksijen borcuna" girer, bu da yanlış bir adlandırmadır. asıl mesele, glikoz molekülü başına "sadece" 36 veya 38 ATP üreten hücresel bir aparattır. tedarik edildi. Egzersizin yoğunluğu sürdürülürse, vücut LDH'yi yüksek vitese geçirerek ve mümkün olduğu kadar çok NAD üreterek ayak uydurmaya çalışır.⁺ piruvatın laktata dönüştürülmesi yoluyla mümkün olduğu kadar. Bu noktada, sistemin aerobik bileşeni açıkça maksimize edilmiştir ve anaerobik bileşen, Aynı şekilde, bir tekneyi çılgınca kurtaran biri, kendi gücüne rağmen su seviyesinin yükselmeye devam ettiğini fark eder. çabalar.

Fermentasyonda üretilen laktat, çok geçmeden laktik asit üreten bir protona sahiptir. Bu asit, iş devam ettikçe kaslarda birikmeye devam eder, sonunda ATP üretmeye yönelik tüm yollar ayak uyduramaz hale gelene kadar. Bu aşamada, kas çalışması yavaşlamalı veya tamamen durmalıdır. Bir mil yarışında olan ancak kondisyon düzeyi için biraz fazla hızlı başlayan bir koşucu, dört turluk yarışmada kendisini zaten sakat bırakan oksijen borcunda üç tur bulabilir. Bitirmek için, büyük ölçüde yavaşlaması gerekir ve kasları o kadar zorlanır ki, koşu formu veya stili muhtemelen gözle görülür şekilde acı çeker. 400 metre gibi uzun bir sprint yarışında bir koşucu izlediyseniz (ki bu da birinci sınıf sporcuları yaklaşık 45 ila 50 kişi alır). Bitirmek için saniyeler) yarışın son bölümünde ciddi bir şekilde yavaşlarsa, muhtemelen neredeyse bitmiş gibi göründüğünü fark etmişsinizdir. yüzme. Bu, genel olarak, kas yetmezliğine atfedilebilir: Herhangi bir yakıt kaynağının olmaması, sporcunun kaslarındaki lifler basitçe kasılamaz. tamamen veya kesin olarak ve sonuç, aniden görünmez bir piyano veya başka bir büyük nesne taşıyormuş gibi görünen bir koşucudur. geri.

Bilim adamları, uzun süredir laktik asidin, başarısızlığın eşiğinde olan kaslarda hızla biriktiğini biliyorlardı. Benzer şekilde, bu tür hızlı kas yetmezliğine yol açan fiziksel egzersiz türünün, etkilenen kaslarda benzersiz ve karakteristik bir yanma hissi ürettiği iyi bilinmektedir. (Bunu ikna etmek zor değil; yere inin ve kesintisiz 50 şınav çekmeye çalışın ve göğsünüzdeki ve omuzlarınızdaki kasların yakında "yanık" yaşayacağı neredeyse kesindir.) Bu nedenle yeterince doğaldı. aksi kanıt olmadan, laktik asidin kendisinin yanığın nedeni olduğunu ve laktik asidin kendisinin bir tür toksin olduğunu varsaymak - çok ihtiyaç duyulan şeyleri yapma yolunda gerekli bir kötülük. NAD⁺. Bu inanç, egzersiz topluluğu boyunca iyice yayılmıştır; bir pist buluşmasına veya 5K yol yarışına gittiğinizde, koşucuların bacaklarındaki çok fazla laktik asit nedeniyle önceki günün antrenmanından dolayı ağrı duymaktan şikayet ettiğini duymanız olasıdır.

Daha yeni araştırmalar bu paradigmayı sorguladı. Laktat (burada, bu terim ve "laktik asit" basitlik açısından birbirinin yerine kullanılmaktadır) israf edici bir molekülden başka bir şey olmadığı bulunmuştur. değil kas yetmezliği veya yanma nedeni. Görünüşe göre hem hücreler ve dokular arasında bir sinyal molekülü hem de kendi başına iyi gizlenmiş bir yakıt kaynağı olarak hizmet ediyor.

Laktatın kas yetmezliğine neden olduğu iddiasıyla ilgili olarak sunulan geleneksel mantık, çalışan kaslarda düşük pH'dır (yüksek asit). Vücudun normal pH'ı asidik ve bazik arasında nötre yakındır, ancak laktik asit Protonların laktata dönüşmesi, kasları hidrojen iyonlarıyla doldurur ve her se. Ancak bu fikir, 1980'lerden beri güçlü bir şekilde sorgulanmıştır. Farklı bir teori geliştiren bilim adamlarının görüşüne göre, H'nin çok azı⁺ Çalışan kaslarda biriken şey aslında laktik asitten gelir. Bu fikir, esas olarak, hem piruvat hem de laktat seviyelerini etkileyen, piruvattan "yukarı akış" olan glikoliz reaksiyonlarının yakından incelenmesinden doğmuştur. Ayrıca, egzersiz sırasında kas hücrelerinden daha önce inanıldığından daha fazla laktik asit taşınır, bu nedenle H'yi boşaltma yeteneğini sınırlar.⁺ kasların içine. Bu laktatın bir kısmı karaciğer tarafından alınabilir ve glikoliz basamaklarını tersten takip ederek glikoz yapmak için kullanılabilir. Bu konuda 2018 itibariyle hala ne kadar kafa karışıklığının var olduğunu özetleyen bazı bilim adamları, egzersiz için bir yakıt takviyesi olarak laktat kullanılmasını önerdi, böylece uzun süredir devam eden fikirleri tamamen değiştirdi Tepe taklak.