ЛЕГЕНДА О МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЕ

 r

Фишман Р. 

Как родился и почему неверен миф о том, что молочная кислота (на самом деле в организме образуется лактат) вызывает повышение кислотности мышечных клеток во время тяжелых физических нагрузок. 

Обновлено 12.07.2016 17:07

Интенсивные физические нагрузки приводят к повышению кислотности в тканях мускулов. Обычно его связывают с производством и накоплением лактата (присутствующей в организме соли молочной кислоты) – об этом можно прочесть и в популярных статьях, и в профессиональных учебниках. Однако все больше исследований указывают на то, что хотя и существует корреляция между увеличением содержания лактата и кислотности в активно работающих мышечных клетках, причинно-следственные связи здесь совсем другие. Судя по всему, он, наоборот, способствует «смягчению» этого процесса.

Американские физиологи Роберт Робергз (Robert Robergs), Фарзенах Гиашванд (Farzenah Ghiasvand) и Дэрил Паркер (Daryl Parker) провели детальный разбор биохимических процессов, которые обеспечивают энергией активно работающую мышечную клетку и ведут к закислению ее среды. Их отчет в 2004 г. вышел в «Американском журнале физиологии». К нему мы и отсылаем читателей за множеством полезных подробностей, здесь же попробуем доступно изложить основные пояснения и выводы авторов статьи.

ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ ДЛЯ НАЧАЛА

1). Кислотами называются соединения, легко отдающие катион водорода H+ (протон). Поэтому кислотность среды определяют через водородный показатель (рН), который соответствует содержанию протонов в растворе. рН – обратный степенной показатель, поэтому чем он ниже, тем выше кислотность. Нейтральной считается среда с рН 7, а рН близкий к единице соответствует сильной кислоте.

2). Ключевым носителем энергии – «топливом» – почти всех процессов в живой клетке являются молекулы аденозитрифосфата (АТФ). Отдавая один фосфат и превращаясь в АДФ, они выделяют энергию. И наоборот, присоединение фосфата к АДФ требует энергии и позволяет ее запасать.

3). Не слишком эффективный, но простой и быстрый путь получения АТФ – это гликолиз, который может проходить и без участия кислорода. В этом случае глюкоза превращается в пируват и образуются две молекулы АТФ.

4). Главным источником АТФ в клетках нашего организма являются реакции окислительного фосфорилирования («дыхания»). Они происходят на мембранах клеточных органелл, митохондрий. Здесь с помощью кислорода пируват окисляется до углекислого газа и воды, и его энергия используется для синтеза АТФ. В сумме это позволяет получить до 38 молекул АТФ на каждую молекулу глюкозы.

4). В качестве промежуточных и побочных продуктов всех этих реакций образуются «промежуточные кислоты»¹ и свободные протоны, способные менять рН внутриклеточной среды. Выходя в межклеточное пространство и кровоток, некоторые из них могут влиять и на их кислотность. 
_________________________

1. Термин «промежуточные кислоты» вводит в заблуждение. Несмотря на то, что эти молекулы по структуре карбоновые кислоты, детальное рассмотрение биохимических процессов показывает, что эти молекулы образуют кислые соли, и ни одна из них не существует в виде кислоты и не служит источником протонов.

ПРИЧЕМ ТУТ ЛАКТАТ

Молочная кислота была открыта еще в конце XVIII в. Как легко догадаться, ее выделили из молока, хотя вскоре нашли в самых разных тканях живых организмов. В начале ХХ в. на нее обратили внимание физиологи Отто Мейергоф и Арчибальд Хилл, которые в 1922 получили Нобелевскую премию за изучение базовых механизмов мышечной деятельности.

Хилл заметил, что мышцы способны сокращаться и в отсутствие кислорода, а Мейергоф описал механизмы, которые обеспечивают эту работу. Он установил все ключевые реакции гликолиза и продемонстрировал, что молочная кислота является одним из его побочных продуктов – в условиях недостатка кислорода она образуется из пирувата.

Логика ученых казалась железной: «перенапрягаясь», мышечные клетки расходуют энергию АТФ быстрее, чем кислородное дыхание митохондрий восполняет ее запасы. В этих условиях они обращаются к менее эффективным, но быстрым путям синтеза АТФ, в частности, к гликолизу, который ведет к накоплению молочной кислоты и снижению рН.

Однако дальнейшие исследования показали, что не все в этих рассуждениях так гладко. Главное, что нужно знать – в организме образуется лактат, а не молочная кислота. Кажущаяся небольшая разница (ведь в растворе лактат и протоны) привела к десятилетиям неправильного объяснения сути процессов и значения лактата. Чтобы понять, в чем тут ошибка, нам придется получше разобраться в энергетическом метаболизме мышечной клетки и появлении лактата.

Рис. 1. Между рН среды в мышечной клетке, с одной стороны, и количеством пирувата и лактата, с другой, обнаруживается яркая линейная корреляция. Однако она еще не говорит о причинно-следственной связи.

ГЛИКОЛИЗ И ДРУГИЕ

Во-первых, клетки мышечной ткани содержат запас креатинфосфата – высокоэнергетических молекул, которые способны обеспечить им краткий, но чрезвычайно быстрый источник энергии для «взрывной» активности. Упрощенно эта реакция выглядит так: креатинфосфат + АДФ + протон -> креатин + АТФ. Как видим, в ходе этого процесса идет связывание протонов, и он ведет к росту рН, то есть – к снижению кислотности.

Второй путь быстрого получения энергии – гликолиз, который позволяет получать АТФ из глюкозы (поступающей с кровью) или гликогена, полисахарида, сложенного остатками той же глюкозы (и запасенного в мышечной ткани). Чаще клетка полагается на гликоген, но в целом реакции в обоих случаях примерно одинаковы. Схематически их итог описывается так: глюкоза + 2 АДФ -> 2 пирувата + 2 АТФ + 2 протона.

Накопление протонов, казалось бы, должно вести к росту кислотности. Однако при детальном рассмотрении оказывается, что некоторые реакции, из которых состоит гликолиз, ведут не к росту, а к снижению кислотности среды. Потребляют протон и некоторые превращения его продукта (пирувата). Примером тому может служить лактат – вот реакция его синтеза: пируват + NADH + протон -> лактат + NAD+.

В этом уравнении NAD+ – кофермент, который требуется для некоторых реакций гликолиза. NAD (никотинамидадениндинуклеотид) сравнительно легко переходит между окисленной (NAD+) и восстановленной (NADH) формами. Это делает его весьма универсальным «инструментом», который используют ферменты для проведения самых разных реакций, где нужно получать электрон от одного вещества и доставлять его на другое. Используется NAD и в гликолизе.

Превращение пирувата в лактат не только приносит клетке кофермент NAD+, но и снижает концентрацию протонов, замедляя закисление внутриклеточной среды. Если соединить приведенные выше уравнения гликолиза и синтеза лактата, то мы увидим, что этот тандем дает вовсе нулевое изменение баланса протонов.

Более того, лактат выводится из клетки белком (Лактат ^- /Н⁺ симпортом), который использует для этого еще один протон, также выбрасывая его наружу. Это еще заметнее снижает увеличение кислотности в клетке. Возникает вопрос: откуда же тогда берутся в ней все те протоны, которые ведут к закислению внутриклеточной среды?

Рис. 2. По мере работы мускульной клетки в ней нарастают процессы выведение накопившейся лактата и протонов.

ПЕРЕСЧИТЫВАЕМ ПРОТОНЫ

Первым и основным источником протонов в активно работающей мышечной клетке считается не синтез, а распад АТФ, энергия которого используется для сокращений и расслаблений: АТФ + вода -> АДФ + фосфат + протон. Сам по себе фосфат способен служить буферной системой, которая смягчает колебания кислотности среды (так он и работает в организме), но он активно вовлекается в новые реакции в клетке, и не слишком эффективно решает эту проблему.

Другой источник протонов – упомянутый выше кофермент NAD+, который в ходе реакций гликолиза теряет протон, превращаясь в NADH. К слову, значительная часть протонов (а также фосфата и пирувата), оказавшихся во внутриклеточной среде, транспортируется в митохондрии и используется для проходящих в ней процессов окислительного фосфорилирования. Таким образом, митохондрии также можно назвать фактором снижения кислотности. Но когда мышцы с огромной интенсивностью поглощают энергию, перерабатывая АТФ в АДФ, эта реакция оказывается сильнее всех, действующих против нее.

Рис. 3. Баланс между образованием и использованием протонов в работающей мышечной клетке. Появление протонов связано с гидролизом АТФ и реакциями гликолиза. Расходуются они в реакциях креатинфосфата и лактата. Кроме того, протоны связываются с неорганическим фосфатом и буферными соединениями цитоплазмы.

ИТОГО

Итак, метаболический ацидоз – закисление среды мышечных клеток во время интенсивной работы – связан с использованием энергии АТФ, а не с синтезом и накоплением лактата. Его производство необходимо клетке для восполнения затрат кофермента NAD+, необходимого для гликолиза и получения новых «энергетических» молекул АТФ.

Это производство (а также транспорт лактата наружу) требует потребления протонов, снижая их концентрацию в клетке. Поэтому образование и накопление лактата может служить хорошим индикатором закисления клеточной среды, но они не связаны как причина и следствие.

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