Τι είναι η ζύμωση γαλακτικού οξέος;

Περιεχόμενο

• Ρύθμιση του πίνακα για τη ζύμωση: Γλυκόλυση
• Πού και πότε συμβαίνει η ζύμωση γαλακτικού οξέος;
• Ζύμωση γαλακτικού οξέος
• Γαλακτικό και Άσκηση
• Γαλακτικό Οξύ και "Το Κάψιμο": Ένας Μύθος;

Στο βαθμό που είστε εξοικειωμένοι με τη λέξη "ζύμωση", μπορεί να είστε διατεθειμένοι να την συσχετίσετε με τη διαδικασία δημιουργίας οινοπνευματωδών ποτών. Αν και αυτό πράγματι εκμεταλλεύεται ένα είδος ζύμωσης (τυπικά και μη μυστηριωδώς αποκαλούμενο αλκοολική ζύμωση), ένα δεύτερο τύπο, ζύμωση γαλακτικού οξέος, είναι στην πραγματικότητα πιο ζωτικής σημασίας και συμβαίνει σχεδόν βεβαίως σε κάποιο βαθμό στο δικό σας σώμα καθώς διαβάζετε αυτό.

Η ζύμωση αναφέρεται σε οποιονδήποτε μηχανισμό με τον οποίο ένα κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιήσει γλυκόζη για να απελευθερώσει ενέργεια με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ) απουσία οξυγόνου - δηλαδή υπό αναερόβιες συνθήκες. Υπό όλα για παράδειγμα, με ή χωρίς οξυγόνο, και στα ευκαρυωτικά (φυτικά και ζωικά) και προκαρυωτικά (βακτηριακά) κύτταρα - ο μεταβολισμός ενός μορίου γλυκόζης, που ονομάζεται γλυκόλυση, προχωρά μέσω ενός αριθμού σταδίων για την παραγωγή δύο μορίων πυροσταφυλικού οξέος. Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια εξαρτάται από τον οργανισμό και από το αν υπάρχει οξυγόνο.

Ρύθμιση του πίνακα για τη ζύμωση: Γλυκόλυση

Σε όλους τους οργανισμούς, η γλυκόζη (C₆H₁₂Ο₆) χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας και μετατρέπεται σε μια σειρά εννέα διαφορετικών χημικών αντιδράσεων σε πυροσταφυλικό. Η ίδια η γλυκόζη προέρχεται από την κατανομή όλων των τρόπων διατροφής, συμπεριλαμβανομένων των υδατανθράκων, των πρωτεϊνών και των λιπών. Αυτές οι αντιδράσεις όλες λαμβάνουν χώρα στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων, ανεξάρτητα από ειδικά κυψελοειδή μηχανήματα. Η διαδικασία ξεκινά με μια επένδυση ενέργειας: Δύο φωσφορικές ομάδες, καθεμία από τις οποίες λαμβάνονται από ένα μόριο ΑΤΡ, συνδέονται με το μόριο γλυκόζης, αφήνοντας πίσω δύο μόρια διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP). Το αποτέλεσμα είναι ένα μόριο που μοιάζει με φρουκτόζη σακχάρων φρούτων, αλλά με τις δύο συνδεδεμένες φωσφορικές ομάδες. Αυτή η ένωση χωρίζεται σε ένα ζεύγος μορίων τριών ατόμων άνθρακα, φωσφορικής διυδροξυακετόνης (DHAP) και 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης (G-3-P), τα οποία έχουν τον ίδιο χημικό τύπο αλλά διαφορετικές διατάξεις των συστατικών τους ατόμων. το DHAP στη συνέχεια μετατρέπεται σε G-3-P ούτως ή άλλως.

Τα δύο μόρια G-3-P εισέρχονται στη συνέχεια σε αυτό που συχνά ονομάζεται στάδιο παραγωγής ενέργειας της γλυκόλυσης. Το G-3-P (και θυμάται, υπάρχουν δύο από αυτά) δίνει ένα πρωτόνιο ή άτομο υδρογόνου σε ένα μόριο NAD + (δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμιδίου, ένας σημαντικός ενεργειακός φορέας σε πολλές κυτταρικές αντιδράσεις) για να παράγει NADH, δωρίζει ένα φωσφορικό άλας στο G-3-P για να το μετατρέψει σε διφωσφογλυκερικό (BPG), ένωση με δύο φωσφορικά άλατα. Καθένα από αυτά αποδίδεται στο ADP για να σχηματίσει δύο ΑΤΡ καθώς τελικά δημιουργείται πυροσταφυλικό. Ωστόσο, υπενθυμίζουμε ότι όλα όσα συμβαίνουν μετά τη διάσπαση του ζάχαρης των έξι ανθρακονών σε δύο σάκχαρα τριών ατόμων άνθρακα αντιγράφονται, οπότε αυτό σημαίνει ότι το καθαρό αποτέλεσμα της γλυκόλυσης είναι τέσσερα μόρια ΑΤΡ, δύο NADH και δύο πυροσταφυλικά.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η γλυκόλυση θεωρείται αναερόβια επειδή δεν απαιτείται οξυγόνο για να συμβεί η διαδικασία. Είναι εύκολο να το μπερδέψετε με "μόνο αν δεν υπάρχει οξυγόνο". Με τον ίδιο τρόπο μπορείτε να κατεβείτε κάτω από ένα λόφο σε ένα αυτοκίνητο ακόμα και με μια πλήρης δεξαμενή αερίου και, συνεπώς, να ασχοληθείτε με την "άνευ αερίου οδήγηση", η γλυκόλυση εκτυλίσσεται με τον ίδιο τρόπο εάν το οξυγόνο υπάρχει σε γενικές ποσότητες, μικρότερες ποσότητες ή καθόλου.

Πού και πότε συμβαίνει η ζύμωση γαλακτικού οξέος;

Μόλις η γλυκόλυση φθάσει στο στάδιο του πυροσταφυλικού, η μοίρα των μορίων πυροσταφυλικού εξαρτάται από το συγκεκριμένο περιβάλλον. Σε ευκαρυωτικά, εάν υπάρχει επαρκές οξυγόνο, σχεδόν όλο το πυρουβικό άλας μεταφέρεται σε αερόβια αναπνοή. Το πρώτο βήμα αυτής της διαδικασίας σε δύο βήματα είναι ο κύκλος Krebs, που ονομάζεται επίσης κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος. το δεύτερο βήμα είναι η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτά συμβαίνουν στα μιτοχόνδρια των κυττάρων, οργανίδια που συχνά παρομοιάζονται με μικροσκοπικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής. Ορισμένοι προκαρυώτες μπορούν να εμπλακούν σε αερόβιο μεταβολισμό, παρά το γεγονός ότι δεν έχουν μιτοχόνδρια ή άλλα οργανίδια (τα "προαιρετικά αεροβέβαια"), αλλά ως επί το πλείστον μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες τους μόνο μέσω αναερόβιων μεταβολικών μονοπατιών και πολλά βακτήρια δηλητηριάζονται από το οξυγόνο "υποχρεωτικά αναερόβια").

Όταν υπάρχει αρκετό οξυγόνο δεν παρόν, σε προκαρυώτες και περισσότερους ευκαρυώτες, το πυροσταφυλικό άλας εισέρχεται στο μονοπάτι ζύμωσης γαλακτικού οξέος. Η εξαίρεση είναι η μονοκύτταρη ζύμη ευκαρυωτικών, ένας μύκητας που μετατρέπει το πυροσταφυλικό σε αιθανόλη (αλκοόλη δύο αλκοολούχων ποτών που βρίσκεται στα αλκοολούχα ποτά). Στην αλκοολική ζύμωση, ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα απομακρύνεται από το πυροσταφυλικό για να δημιουργηθεί ακεταλδεΰδη και ένα άτομο υδρογόνου στη συνέχεια προσαρτάται στην ακεταλδεΰδη για να παράγει αιθανόλη.

Ζύμωση γαλακτικού οξέος

Η γλυκόλυση θα μπορούσε θεωρητικά να προχωρήσει επ 'αόριστον στην παροχή ενέργειας στον γονικό οργανισμό, αφού κάθε γλυκόζη έχει ως αποτέλεσμα καθαρό κέρδος ενέργειας. Μετά από όλα, η γλυκόζη θα μπορούσε να τροφοδοτείται περισσότερο ή λιγότερο συνεχώς στο σχήμα, εάν ο οργανισμός τρώει απλά αρκετά, και η ΑΤΡ είναι ουσιαστικά ανανεώσιμος πόρος. Ο περιοριστικός παράγοντας εδώ είναι η διαθεσιμότητα του NAD⁺, και εδώ έρχεται η ζύμωση γαλακτικού οξέος.

Ένα ένζυμο που ονομάζεται γαλακτική αφυδρογονάση (LDH) μετατρέπει το πυροσταφυλικό σε γαλακτικό με προσθήκη ενός πρωτονίου (Η⁺) στο πυροσταφυλικό, και στη διαδικασία, κάποια από τα NADH από τη γλυκόλυση μετατρέπονται πάλι σε NAD⁺. Αυτό παρέχει ένα NAD⁺ μόριο που μπορεί να επιστραφεί "προς τα πάνω" για να συμμετάσχει και συνεπώς να βοηθήσει στη διατήρηση της γλυκόλυσης. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι απολύτως αποκαταστατικό όσον αφορά τις μεταβολικές ανάγκες των οργανισμών. Χρησιμοποιώντας τον άνθρωπο ως παράδειγμα, ακόμη και ένα άτομο που κάθεται σε ηρεμία δεν μπορούσε να έρθει κοντά στην ικανοποίηση των μεταβολικών του αναγκών μέσω της γλυκόλυσης μόνο του. Αυτό πιθανότατα είναι εμφανές στο γεγονός ότι όταν οι άνθρωποι σταματούν να αναπνέουν, δεν μπορούν να διατηρήσουν τη ζωή για πολύ καιρό για έλλειψη οξυγόνου. Ως αποτέλεσμα, η γλυκόλυση σε συνδυασμό με τη ζύμωση είναι πραγματικά ένα μέτρο stopgap, ένας τρόπος να αντλήσουμε το ισοδύναμο μιας μικρής, βοηθητικής δεξαμενής καυσίμου όταν ο κινητήρας χρειάζεται επιπλέον καύσιμα. Αυτή η έννοια αποτελεί τη βάση των συνομιλικών εκφράσεων στον κόσμο της άσκησης: "Νιώστε το έγκαυμα", "χτύπησε τον τοίχο" και άλλους.

Γαλακτικό και Άσκηση

Εάν το γαλακτικό οξύ - μια ουσία που σχεδόν σίγουρα έχετε ακούσει, και πάλι στο τέλος της άσκησης - ακούγεται σαν κάτι που μπορεί να βρεθεί στο γάλα (ίσως έχετε δει ονόματα προϊόντων όπως το Lactaid στο τοπικό γαλακτοκομικό ψυγείο), αυτό δεν είναι τυχαίο. Το γαλακτικό προϊόν απομονώθηκε για πρώτη φορά με παλιό γάλα το 1780. (Λακτόζη είναι το όνομα της μορφής του γαλακτικού οξέος που έχει δωρίσει ένα πρωτόνιο, όπως όλα τα οξέα εξ ορισμού κάνουν. Αυτή η σύμβαση ονοματολογίας για τα οξέα καλύπτει ολόκληρη τη χημεία.) Όταν τρέχετε ή ανυψώνετε βάρος ή συμμετέχετε σε τύπους άσκησης υψηλής έντασης - οτιδήποτε σας κάνει να αναπνέετε δυσάρεστα σκληρό, στην πραγματικότητα - αερόβιο μεταβολισμό , που βασίζεται στο οξυγόνο, δεν επαρκεί πλέον για να συμβαδίσει με τις απαιτήσεις των μυών σας που λειτουργούν.

Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το σώμα πηγαίνει σε "χρέος οξυγόνου", κάτι που είναι κάτι άσχημο, αφού το πραγματικό ζήτημα είναι μια κυτταρική συσκευή που παράγει μόνο 36 ή 38 ATP ανά μόριο γλυκόζης. Αν η ένταση της άσκησης διατηρηθεί, το σώμα προσπαθεί να κρατήσει το ρυθμό, κτυπώντας LDH σε υψηλή ταχύτητα και δημιουργώντας τόσο NAD⁺ όσο είναι δυνατόν μέσω της μετατροπής του πυροσταφυλικού οξέος σε γαλακτικό. Σε αυτό το σημείο η αεροβική συνιστώσα του συστήματος είναι σαφώς ανώμαλη και το αναερόβιο συστατικό παλεύει με τον ίδιο τρόπο που κάποιος ξέφρενα από μια βάρκα παρατηρεί ότι η στάθμη του νερού συνεχίζει να διασχίζει παρά τις προσπάθειές του.

Το γαλακτικό που παράγεται στη ζύμωση έχει σύντομα ένα πρωτόνιο συνδεδεμένο με αυτό, παράγοντας γαλακτικό οξύ. Αυτό το οξύ συνεχίζει να συσσωρεύεται στους μυς καθώς διατηρείται η εργασία, μέχρι που τελικά όλα τα μονοπάτια για την παραγωγή του ΑΤΡ απλά δεν μπορούν να συμβαδίσουν. Σε αυτό το στάδιο, η μυϊκή εργασία πρέπει να επιβραδυνθεί ή να σταματήσει εντελώς. Ένας δρομέας που βρίσκεται σε απόσταση ενός μιλίου, αλλά ξεκινά κάπως υπερβολικά γρήγορα για το επίπεδο γυμναστικής του, μπορεί να βρει τρεις γύρους στον διαγωνισμό τεσσάρων γύρων, ο οποίος βρίσκεται ήδη σε αναστατωμένο χρέος οξυγόνου. Για να τελειώσει απλά, πρέπει να επιβραδύνει δραστικά, και οι μύες της είναι τόσο φορτισμένοι ώστε η μορφή της, ή το ύφος της, να είναι πιθανό να υποστεί ορατό. Εάν έχετε παρακολουθήσει ποτέ έναν δρομέα σε μακρύ αγώνα, όπως τα 400 μέτρα (τα οποία παίρνουν αθλητές παγκόσμιας κλάσης περίπου 45 έως 50 δευτερόλεπτα για να τελειώσουν) αργά σοβαρά στο τελικό τμήμα του αγώνα, πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι αυτός ή φαίνεται σχεδόν να κολυμπάει. Αυτό, χαλαρά, οφείλεται στην αποτυχία των μυών: Απουσία πηγών καυσίμων οποιουδήποτε είδους, οι ίνες των μυών των αθλητών απλά δεν μπορούν να συστέλλονται εντελώς ή με ακρίβεια και η συνέπεια είναι ένας δρομέας που ξαφνικά μοιάζει να φέρει ένα αόρατο πιάνο άλλο μεγάλο αντικείμενο στην πλάτη του.

Γαλακτικό Οξύ και "Το Κάψιμο": Ένας Μύθος;

Οι επιστήμονες για πολύ καιρό γνωρίζουν ότι το γαλακτικό οξύ συσσωρεύεται γρήγορα στους μυς που βρίσκονται στα πρόθυρα της αποτυχίας. Ομοίως, είναι καθιερωμένο ότι το είδος σωματικής άσκησης που οδηγεί σε αυτό το είδος ταχείας μυϊκής ανεπάρκειας παράγει μια μοναδική και χαρακτηριστική αίσθηση καψίματος στους μολυσμένους μύες. (Δεν είναι δύσκολο να το προκαλέσεις, να πέσεις στο πάτωμα και να προσπαθήσεις να κάνεις 50 αδιάκοπες ωθήσεις και είναι σχεδόν βέβαιο ότι οι μύες στο στήθος και στους ώμους σου σύντομα θα βιώσουν το "έγκαυμα.") για να υποθέσουμε ότι δεν υπήρχαν αντιφατικά στοιχεία, ότι το ίδιο το γαλακτικό οξύ ήταν η αιτία του εγκαύματος και ότι το ίδιο το γαλακτικό οξύ ήταν κάτι τοξίνης - ένα απαραίτητο κακό στο δρόμο για να κάνουμε τις απαραίτητες NAD⁺. Αυτή η πίστη έχει αναπτυχθεί διεξοδικά σε όλη την κοινότητα άσκησης. πηγαίνετε σε μια διαδρομή που συναντάτε ή 5K αγώνα δρόμου, και είναι πιθανό να ακούσετε δρομείς παραπονούνται ότι είναι πληγή από την προηγούμενη ημέρα προπόνηση χάρη στο πάρα πολύ γαλακτικό οξύ στα πόδια τους.

Πιο πρόσφατες έρευνες έχουν θέσει υπό αμφισβήτηση αυτό το υπόδειγμα. Το γαλακτικό (εδώ, ο όρος αυτός και το "γαλακτικό οξύ" χρησιμοποιούνται εναλλακτικά για λόγους απλότητας) έχει βρεθεί ότι είναι οτιδήποτε, αλλά ένα σπάσιμο μόριο που είναι δεν η αιτία της αποτυχίας των μυών ή της καύσης. Προφανώς χρησιμεύει και ως σηματοδοτικό μόριο μεταξύ κυττάρων και ιστών και μια καλά συγκεκαλυμμένη πηγή καυσίμου από μόνη της.

Το παραδοσιακό σκεπτικό που προσφέρεται για το πώς το γαλακτικό προϊόν φέρεται να προκαλεί μυϊκή ανεπάρκεια είναι χαμηλό pH (υψηλή οξύτητα) στους μυς εργασίας. Το σώμα του φυσιολογικού pH κυλάει κοντά στο ουδέτερο ανάμεσα σε όξινο και βασικό, αλλά το γαλακτικό οξύ ρίχνει τα πρωτόνια του για να γίνουν μύκητες των γαλακτικών πλημμυρών με ιόντα υδρογόνου, καθιστώντας τους αδύνατον να λειτουργήσουν per se. Αυτή η ιδέα, ωστόσο, αμφισβητήθηκε έντονα από τη δεκαετία του '80. Κατά την άποψη των επιστημόνων που προωθούν μια διαφορετική θεωρία, πολύ λίγα από τα Η⁺ που συσσωρεύεται στους εργαζόμενους μύες προέρχεται από το γαλακτικό οξύ. Αυτή η ιδέα ξεκίνησε κυρίως από τη στενή μελέτη των αντιδράσεων γλυκόλυσης "ανοδικά" από το πυροσταφυλικό, επηρεάζοντας τα επίπεδα πυροσταφυλικού και γαλακτικού. Επίσης, περισσότερο γαλακτικό οξύ μεταφέρεται από τα μυϊκά κύτταρα κατά τη διάρκεια της άσκησης από ό, τι πιστεύεται στο παρελθόν, περιορίζοντας έτσι την ικανότητά του να απορρίπτει το H⁺ στους μυς. Μερικά από αυτά τα γαλακτικά μπορούν να ληφθούν από το συκώτι και να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν τη γλυκόζη ακολουθώντας τα βήματα της γλυκόλυσης αντιστρόφως. Συγκεντρώνοντας πόση σύγχυση εξακολουθεί να υπάρχει γύρω από το 2018 γύρω από αυτό το ζήτημα, ορισμένοι επιστήμονες πρότειναν ακόμη τη χρήση του γαλακτικού ως συμπλήρωμα καυσίμων για άσκηση, μετατρέποντας έτσι τις ιδέες μακράς διάρκειας εντελώς ανάποδα.