Легенда про молочній кислоті

1. Що потрібно знати для початку
2. Причому тут лактат
3. Гліколіз і інші
4. перераховуємо протони
5. Разом

Фішман Р.
Як народився і чому невірний міф про те, що молочна кислота (насправді в організмі утворюється лактат) викликає підвищення кислотності м'язових клітин під час важких фізичних навантажень.

Інтенсивні фізичні навантаження призводять до підвищення кислотності в тканинах мускулів. Зазвичай його пов'язують з виробництвом і накопиченням лактату (присутньої в організмі солі молочної кислоти) - про це можна прочитати і в популярних статтях, і в професійних підручниках. Однак все більше досліджень вказують на те, що хоча і існує кореляція між збільшенням вмісту лактату і кислотності в активно працюючих м'язових клітинах, причинно-наслідкові зв'язки тут зовсім інші. Судячи з усього, він, навпаки, сприяє «пом'якшенню» цього процесу.

Американські фізіологи Роберт Робергз (Robert Robergs), Фарзенах Гіашванд (Farzenah Ghiasvand) і Деріл Паркер (Daryl Parker) провели детальний розбір біохімічних процесів, які забезпечують енергією активно працює м'язову клітку і ведуть до закислення її середовища. їх звіт в 2004 р вийшов в «Американському журналі фізіології». До нього ми і посилаємо читачів за безліччю корисних подробиць, тут же спробуємо доступно викласти основні пояснення і висновки авторів статті.

Що потрібно знати для початку

1). Кислотами називаються сполуки, легко віддають катіон водню H + (протон). Тому кислотність середовища визначають через водневий показник (рН), який відповідає змісту протонів в розчині. рН - зворотний статечної показник, тому що вона нижче, тим вища кислотність. Нейтральної вважається середовище з рн 7, а рН близький до одиниці відповідає сильної кислоти.

2). Ключовим носієм енергії - «паливом» - майже всіх процесів в живій клітині є молекули аденозітріфосфата (АТФ). Віддаючи один фосфат і перетворюючись в АДФ, вони виділяють енергію. І навпаки, приєднання фосфату до АДФ вимагає енергії і дозволяє її запасати.

3). Чи не занадто ефективний, але простий і швидкий шлях отримання АТФ - це гліколіз, який може проходити і без участі кисню. У цьому випадку глюкоза перетворюється в піруват і утворюються дві молекули АТФ.

4). Головним джерелом АТФ в клітинах нашого організму є реакції окисного фосфорилювання ( «дихання»). Вони відбуваються на мембранах клітинних органел, мітохондрій. Тут за допомогою кисню піруват окислюється до вуглекислого газу і води, і його енергія використовується для синтезу АТФ. В сумі це дозволяє отримати до 38 молекул АТФ на кожну молекулу глюкози.

4). Як проміжних і побічних продуктів всіх цих реакцій утворюються «проміжні кислоти» 1 і вільні протони, здатні змінювати рН внутрішньоклітинного середовища. Виходячи в міжклітинний простір і кровотік, деякі з них можуть впливати і на їх кислотність.
_________________________

1. Термін «проміжні кислоти» вводить в оману. Незважаючи на те, що ці молекули за структурою карбонові кислоти, детальний розгляд біохімічних процесів показує, що ці молекули утворюють кислі солі, і жодна з них не існує у вигляді кислоти і не служить джерелом протонів.
   

Причому тут лактат

Хілл зауважив, що м'язи здатні скорочуватися і за відсутності кисню, а Мейергоф описав механізми, які забезпечують цю роботу. Він встановив всі ключові реакції гліколізу і продемонстрував, що молочна кислота є одним з його побічних продуктів - в умовах нестачі кисню вона утворюється з пірувату.

Логіка вчених здавалася залізної: «перенапружуючись», м'язові клітини витрачають енергію АТФ швидше, ніж кисневе дихання мітохондрій заповнює її запаси. У цих умовах вони звертаються до менш ефективним, але швидким шляхах синтезу АТФ, зокрема, до гликолизу, який веде до накопичення молочної кислоти і зниження рН.

Однак подальші дослідження показали, що не всі в цих міркуваннях так гладко. Головне, що потрібно знати - в організмі утворюється лактат, а не молочна кислота. Удавана невелика різниця (адже в розчині лактат і протони) привела до десятиліть неправильного пояснення суті процесів і значення лактату. Щоб зрозуміти, в чому тут помилка, нам доведеться трохи краще розібратися в енергетичному метаболізмі м'язової клітини і появі лактату.

Мал. 1. Між рН середовища в м'язовій клітці, з одного боку, і кількістю пірувату і лактату, з іншого, виявляється яскрава лінійна кореляція. Однак вона ще не говорить про причинно-наслідкового зв'язку.

Гліколіз і інші

По-перше, клітини м'язової тканини містять запас креатинфосфату - високоенергетичних молекул, які здатні забезпечити їм короткий, але надзвичайно швидкий джерело енергії для «вибуховий» активності. Спрощено ця реакція виглядає так: креатинфосфат + АДФ + протон -> креатин + АТФ. Як бачимо, в ході цього процесу йде зв'язування протонів, і він веде до зростання рН, тобто - до зниження кислотності.

Другий шлях швидкого отримання енергії - гліколіз, який дозволяє отримувати АТФ з глюкози (що надходить з кров'ю) або глікогену, полісахариду, складеного залишками тієї ж глюкози (і запасеного в м'язовій тканині). Найчастіше клітина покладається на глікоген, але в цілому реакції в обох випадках приблизно однакові. Схематично їх підсумок описується так: глюкоза + 2 АДФ -> 2 пірувату + 2 АТФ + 2 протона.

Накопичення протонів, здавалося б, повинно вести до зростання кислотності. Однак при детальному розгляді виявляється, що деякі реакції, з яких складається гліколіз, ведуть не до зростання, а до зниження кислотності середовища. Споживають протон і деякі перетворення його продукту (пірувату). Прикладом тому може служити лактат - ось реакція його синтезу: піруват + NADH + протон -> лактат + NAD +.

У цьому рівнянні NAD + - кофермент, який потрібно для деяких реакцій гліколізу. NAD (никотинамидадениндинуклеотид) порівняно легко переходить між окисленої (NAD +) і відновленої (NADH) формами. Це робить його дуже універсальним «інструментом», який використовують ферменти для проведення самих різних реакцій, де потрібно отримувати електрон від одного речовини і доставляти його на інше. Використовується NAD і в гліколізі.

Перетворення пірувату в лактат не тільки приносить клітці кофермент NAD +, але і знижує концентрацію протонів, сповільнюючи закислення внутрішньоклітинного середовища. Якщо з'єднати наведені вище рівняння гліколізу і синтезу лактату, то ми побачимо, що цей тандем дає зовсім нульову зміну балансу протонів.

Більш того, лактат виводиться з клітини білком (Лактат - / Н + симпорта), який використовує для цього ще один протон, також викидаючи його назовні. Це ще помітніше знижує збільшення кислотності в клітці. Виникає питання: звідки ж тоді беруться в ній все ті протони, які ведуть до закислення внутрішньоклітинного середовища?

Мал. 2. У міру роботи мускульної клітини в ній наростають процеси виведення накопиченої лактату і протонів.

перераховуємо протони

Першим і основним джерелом протонів в активно працює м'язовій клітці вважається не синтез, а розпад АТФ, енергія якого використовується для скорочень і розслаблень: АТФ + вода -> АДФ + фосфат + протон. Сам по собі фосфат здатний служити буферної системою, яка пом'якшує коливання кислотності середовища (так він і працює в організмі), але він активно втягується в нові реакції в клітці, і не дуже ефективно вирішує цю проблему.

Інше джерело протонів - згаданий вище кофермент NAD +, який в ході реакцій гліколізу втрачає протон, перетворюючись в NADH. До слова, значна частина протонів (а також фосфату і пірувату), що опинилися у внутрішньоклітинної середовищі, транспортується в мітохондрії і використовується для вібуваються процесів окисного фосфорилювання. Таким чином, мітохондрії також можна назвати фактором зниження кислотності. Але коли м'язи з величезною інтенсивністю поглинають енергію, переробляючи АТФ в АДФ, ця реакція виявляється сильніше за всіх, що діють проти неї.

Мал. 3. Баланс між освітою і використанням протонів в працюючій м'язовій клітці. Поява протонів пов'язано з гідролізом АТФ і реакціями гліколізу. Витрачаються вони в реакціях креатинфосфату і лактату. Крім того, протони зв'язуються з неорганічним фосфатом і буферними сполуками цитоплазми.

Разом

Отже, метаболічний ацидоз - закислення середовища м'язових клітин під час інтенсивної роботи - пов'язаний з використанням енергії АТФ, а не з синтезом і накопиченням лактату. Його виробництво необхідно клітці для заповнення витрат коферменту NAD +, необхідного для гліколізу і отримання нових «енергетичних» молекул АТФ.

Це виробництво (а також транспорт лактату назовні) вимагає споживання протонів, знижуючи їх концентрацію в клітці. Тому утворення та накопичення лактату може служити хорошим індикатором закислення клітинної середовища, але вони не пов'язані як причина і наслідок.

джерело http://ajpregu.physiology.org/content/287/3/R502

Наукові дослідження, Фізіологія