Wat is melkzuurgisting?

Inhoud

• De tabel voor gisting instellen: glycolyse
• Waar en wanneer vindt melkzuurgisting plaats?
• Melkzuurfermentatie
• Lactaat en Oefening
• Melkzuur en "The Burn": een mythe?

Voor zover u bekend bent met het woord 'gisting', kunt u geneigd zijn het te associëren met het proces van het maken van alcoholische dranken. Terwijl dit inderdaad gebruik maakt van één type gisting (formeel en niet-mysterieus genoemd) alcoholische gisting), een tweede type, melkzuurgisting, is eigenlijk vitaler en komt vrijwel zeker tot op zekere hoogte in je eigen lichaam voor terwijl je dit leest.

Fermentatie verwijst naar elk mechanisme waarmee een cel glucose kan gebruiken om energie vrij te maken in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) in afwezigheid van zuurstof - dat wil zeggen onder anaërobe omstandigheden. Onder allemaal omstandigheden - bijvoorbeeld met of zonder zuurstof, en in zowel eukaryotische (planten- en dieren) als prokaryotische (bacteriële) cellen - verloopt het metabolisme van een glucosemolecuul, glycolyse genaamd, door een aantal stappen om twee moleculen pyruvaat te produceren. Wat er dan gebeurt, hangt af van het organisme en of er zuurstof aanwezig is.

De tabel voor gisting instellen: glycolyse

In alle organismen, glucose (C₆H₁₂O₆) wordt gebruikt als energiebron en wordt omgezet in een reeks van negen verschillende chemische reacties tot pyruvaat. Glucose zelf komt van de afbraak van allerlei voedingsmiddelen, waaronder koolhydraten, eiwitten en vetten. Deze reacties vinden allemaal plaats in het celcytoplasma, onafhankelijk van speciale cellulaire machines. Het proces begint met een investering van energie: twee fosfaatgroepen, elk genomen uit een ATP-molecuul, zijn aan het glucosemolecuul gehecht en laten twee adenosinedifosfaatmoleculen (ADP) achter. Het resultaat is een molecule die lijkt op de fruitsuiker fructose, maar met de twee fosfaatgroepen eraan vast. Deze verbinding splitst in een paar van drie koolstofmoleculen, dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde-3-fosfaat (G-3-P), die dezelfde chemische formule hebben, maar verschillende rangschikkingen van hun samenstellende atomen; de DHAP wordt dan toch omgezet in G-3-P.

De twee G-3-P-moleculen komen dan in wat vaak het energieproducerende stadium van glycolyse wordt genoemd. G-3-P (en vergeet niet, er zijn er twee) geeft een proton of waterstofatoom af aan een molecule van NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide, een belangrijke energiedrager in veel cellulaire reacties) om NADH te produceren, terwijl de NAD doneert een fosfaat aan G-3-P om het om te zetten in bisfosfoglyceraat (BPG), een verbinding met twee fosfaten. Elk van deze wordt afgegeven aan ADP om twee ATP te vormen wanneer uiteindelijk pyruvaat wordt gegenereerd. Bedenk echter dat alles wat gebeurt na het splitsen van de zes-koolstofsuiker in twee drie-koolstofsuikers wordt gedupliceerd, dus dit betekent dat het netto resultaat van glycolyse vier ATP-, twee NADH- en twee pyruvaatmoleculen is.

Het is belangrijk op te merken dat glycolyse als anaëroob wordt beschouwd omdat zuurstof is niet vereist om het proces te laten plaatsvinden. Het is gemakkelijk om dit te verwarren met "alleen als er geen zuurstof aanwezig is". Op dezelfde manier kun je in een auto zelfs met een volle tank benzine een heuvel afdalen en zo 'gasloos rijden' ondernemen, waarbij glycolyse zich op dezelfde manier ontvouwt of zuurstof in grote hoeveelheden, kleinere hoeveelheden of helemaal niet aanwezig is.

Waar en wanneer vindt melkzuurgisting plaats?

Zodra glycolyse de pyruvaatstap heeft bereikt, hangt het lot van de pyruvaatmoleculen af ​​van de specifieke omgeving. Bij eukaryoten wordt, als voldoende zuurstof aanwezig is, bijna al het pyruvaat in aerobe ademhaling gebracht. De eerste stap van dit tweestapsproces is de Krebs-cyclus, ook wel de citroenzuurcyclus of tricarbonzuurcyclus genoemd; de tweede stap is de elektronentransportketen. Deze spelen zich af in de mitochondriën van cellen, organellen die vaak worden vergeleken met kleine krachtcentrales. Sommige prokaryoten kunnen aëroob metabolisme uitvoeren, ondanks het feit dat ze geen mitochondria of andere organellen hebben (de "facultatieve aëroben"), maar voor het grootste deel kunnen ze aan hun energiebehoeften voldoen via anaërobe metabolische paden alleen, en veel bacteriën zijn eigenlijk vergiftigd door zuurstof (de "obligate anaerobes").

Wanneer voldoende zuurstof is niet aanwezig, in prokaryoten en de meeste eukaryoten, komt pyruvaat de melkzuurfermentatieroute binnen. De uitzondering hierop is de eencellige eukaryootgist, een schimmel die pyruvaat tot ethanol metaboliseert (de alcohol met twee koolstofatomen in alcoholische dranken). Bij alcoholische gisting wordt een koolstofdioxidemolecuul uit pyruvaat verwijderd om acetaldehyde te vormen en een waterstofatoom wordt vervolgens aan acetaldehyde gehecht om ethanol te genereren.

Melkzuurfermentatie

Glycolyse zou in theorie voor onbepaalde tijd kunnen doorgaan om energie aan het moederorganisme te leveren, omdat elke glucose een netto energiewinst oplevert. Immers, glucose kan min of meer continu in het schema worden ingevoerd als het organisme eenvoudig genoeg eet en ATP in wezen een hernieuwbare hulpbron is. De beperkende factor hier is de beschikbaarheid van NAD⁺, en dit is waar melkzuurgisting binnenkomt.

Een enzym genaamd lactaat dehydrogenase (LDH) zet pyruvaat om in lactaat door toevoeging van een proton (H⁺) naar het pyruvaat en tijdens het proces wordt een deel van de NADH uit glycolyse weer omgezet in NAD⁺. Dit levert een NAD op⁺ molecuul dat "stroomopwaarts" kan worden geretourneerd om deel te nemen aan, en aldus te helpen, glycolyse te handhaven. In werkelijkheid is dit niet geheel herstellend in termen van metabolische behoeften van organismen. Als we mensen als voorbeeld gebruiken, kan zelfs een persoon die in rust zit niet in de buurt komen van haar metabolische behoeften via glycolyse alleen. Dit komt waarschijnlijk tot uiting in het feit dat wanneer mensen stoppen met ademen, ze het leven niet lang kunnen volhouden door gebrek aan zuurstof. Als gevolg hiervan is glycolyse in combinatie met gisting eigenlijk slechts een noodmaatregel, een manier om te putten uit het equivalent van een kleine hulptank wanneer de motor extra brandstof nodig heeft. Dit concept vormt de gehele basis van informele uitdrukkingen in de oefenwereld: "Voel de brand", "raak de muur" en anderen.

Lactaat en Oefening

Als melkzuur - een stof waarvan je vrijwel zeker hebt gehoord, opnieuw tijdens het sporten - klinkt als iets dat je misschien in melk aantreft (je hebt misschien productnamen zoals Lactaid gezien in de plaatselijke zuivelkoeler), is dit geen toeval. Lactaat werd in 1780 voor het eerst geïsoleerd in oude melk. (Melk geven is de naam van de vorm van melkzuur die een proton heeft gedoneerd, zoals alle zuren per definitie doen. Deze naamconventie met "-ate" en "-ic-zuur" voor zuren omvat alle chemie.) Wanneer u gewichten of gewichten optilt of deelneemt aan zeer intensieve soorten oefeningen - alles wat u onaangenaam hard inademt, eigenlijk - aerobe stofwisseling , dat afhankelijk is van zuurstof, is niet langer voldoende om de eisen van uw werkende spieren bij te houden.

Onder deze omstandigheden raakt het lichaam in 'zuurstofschuld', wat een verkeerde benaming is, omdat het echte probleem een ​​cellulair apparaat is dat 'slechts' 36 of 38 ATP per toegevoerde molecule glucose produceert. Als de intensiteit van de oefening aanhoudt, probeert het lichaam gelijke tred te houden door LDH in hoge versnelling te trappen en zoveel NAD te genereren⁺ mogelijk via de omzetting van pyruvaat in lactaat. Op dit punt is de aerobe component van het systeem duidelijk gemaximaliseerd en de anaërobe component worstelt op dezelfde manier als iemand verwoed een boot redt merkt dat het waterniveau blijft kruipen ondanks zijn inspanningen.

Aan het lactaat dat tijdens de gisting wordt geproduceerd, wordt al snel een proton bevestigd dat melkzuur genereert. Dit zuur blijft zich opbouwen in de spieren terwijl het werk wordt voortgezet, totdat uiteindelijk alle wegen voor het genereren van ATP gewoon geen gelijke tred kunnen houden. In dit stadium moet spierwerk vertragen of helemaal stoppen. Een hardloper die in een mijlrace zit, maar wat te snel begint voor haar fitnessniveau, kan merken dat hij al drie ronden in de vierrondenwedstrijd is in verlammende zuurstofschuld. Om eenvoudig te eindigen, moet ze drastisch vertragen en haar spieren zijn zo belast dat haar loopvorm of -stijl waarschijnlijk zichtbaar zal lijden. Als je ooit een hardloper in een lange race hebt gezien, zoals de 400 meter (waarbij atleten van wereldklasse ongeveer 45 tot 50 seconden nodig hebben om te finishen) in het laatste deel van de race langzaam vertragen, heb je waarschijnlijk gemerkt dat hij of ze lijkt bijna te zwemmen. Dit is, losjes gezegd, toe te schrijven aan spierfalen: afwezige brandstofbronnen van welke aard dan ook, de vezels in de spieren van de atleet kunnen eenvoudig niet volledig of met precisie samentrekken, en het gevolg is een hardloper die plotseling eruit ziet alsof hij een onzichtbare piano draagt ​​of ander groot object op zijn rug.

Melkzuur en "The Burn": een mythe?

Wetenschappers weten al lang dat melkzuur zich snel ophoopt in spieren die op het punt staan ​​te falen. Evenzo is het goed ingeburgerd dat het soort lichamelijke oefening dat tot dit soort snelle spierinsufficiëntie leidt, een uniek en karakteristiek brandend gevoel in de aangetaste spieren veroorzaakt. (Het is niet moeilijk om dit te induceren; laat je op de grond vallen en probeer 50 ononderbroken push-ups te doen, en het is vrijwel zeker dat de spieren in je borst en schouders snel "de verbranding" zullen ervaren.) Het was daarom natuurlijk genoeg te veronderstellen, bij afwezigheid van tegengesteld bewijs, dat melkzuur zelf de oorzaak van de verbranding was en dat melkzuur zelf een toxine was - een noodzakelijk kwaad op weg naar het maken van de broodnodige NAD⁺. Deze overtuiging is door de hele oefengemeenschap grondig verspreid; ga naar een baan om te rennen of 5K race op de weg, en je zult waarschijnlijk hardlopers horen klagen dat ze pijnlijk zijn van de training van de vorige dagen dankzij te veel melkzuur in hun benen.

Recenter onderzoek heeft dit paradigma in twijfel getrokken. Lactaat (hier, deze term en "melkzuur" worden voor de eenvoud uitwisselbaar gebruikt) is allesbehalve een verspillende molecule gebleken die niet de oorzaak van spierfalen of verbranding. Het dient blijkbaar als zowel een signaalmolecuul tussen cellen en weefsels als een goed vermomde brandstofbron op zichzelf.

De traditionele reden waarom lactaat spierfalen zou kunnen veroorzaken, is een lage pH (hoge zuurgraad) in de werkende spieren. De normale pH van het lichaam zweeft bijna neutraal tussen zuur en basisch, maar melkzuur dat zijn protonen afvoert om lactaat te worden, overspoelt spieren met waterstofionen, waardoor ze niet meer op zichzelf kunnen functioneren. Dit idee wordt echter sinds de jaren tachtig sterk uitgedaagd. Volgens de wetenschappers die een andere theorie voortzetten, heel weinig van de H⁺ dat zich in werkende spieren ophoopt, komt eigenlijk van melkzuur. Dit idee is voornamelijk voortgekomen uit een nauwkeurige studie van de glycolysereacties "stroomopwaarts" van pyruvaat, die zowel het pyruvaat- als het lactaatniveau beïnvloeden. Ook wordt tijdens de training meer melkzuur uit spiercellen getransporteerd dan eerder werd aangenomen, waardoor het vermogen om H te dumpen wordt beperkt⁺ in de spieren. Een deel van dit lactaat kan door de lever worden opgenomen en worden gebruikt om glucose te maken door de omgekeerde stappen van glycolyse te volgen. Samenvattend hoeveel verwarring er nog steeds bestaat vanaf 2018 rond deze kwestie, hebben sommige wetenschappers zelfs voorgesteld om lactaat te gebruiken als brandstofsupplement voor lichaamsbeweging, waardoor oude ideeën volledig op zijn kop worden gezet.