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「発酵」という言葉に精通している限り、あなたはそれをアルコール飲料の製造プロセスに関連付けたいと思うかもしれません。これは確かに1つのタイプの発酵を活用していますが（正式に、そして神秘的に呼ばれていません アルコール発酵）、2番目のタイプ、 乳酸発酵、実際にはより重要であり、あなたがこれを読んでいるとき、ほぼ確実にあなた自身の身体である程度発生しています。
発酵とは、細胞がグルコースを使用して、酸素の非存在下、つまり嫌気性条件下でアデノシン三リン酸（ATP）の形でエネルギーを放出できるメカニズムを指します。下 すべて 条件–たとえば、酸素の有無にかかわらず、真核（植物および動物）および原核（細菌）細胞の両方で-解糖と呼ばれるグルコース分子の代謝は、ピルビン酸の2つの分子を生成するために多くのステップを経て進行します。その後何が起こるかは、どの生物が関与しているか、酸素が存在するかどうかに依存します。
発酵のためのテーブルの設定：解糖
すべての生物において、グルコース（C6H12O6）はエネルギー源として使用され、一連の9つの異なる化学反応でピルビン酸に変換されます。グルコース自体は、炭水化物、タンパク質、脂肪など、あらゆる種類の食品の内訳から生じます。これらの反応はすべて、特殊な細胞機構とは無関係に、細胞質で起こります。このプロセスは、エネルギーの投資から始まります。ATP分子から取り出された2つのリン酸基がグルコース分子に結合し、2つのアデノシン二リン酸（ADP）分子が残ります。結果は、果糖フルクトースに似た分子ですが、2つのリン酸基が結合しています。この化合物は、ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）とグリセルアルデヒド-3-リン酸（G-3-P）の3つの炭素分子のペアに分割されます。とにかく、DHAPはG-3-Pに変換されます。
2つのG-3-P分子は、解糖系のエネルギー産生段階と呼ばれることが多い段階に入ります。 G-3-P（そして、2つあることを思い出してください）は、NADHを生成するために、プロトンまたは水素原子をNAD +（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、多くの細胞反応の重要なエネルギーキャリア）の分子に与えます。 G-3-Pにリン酸塩を提供して、2つのリン酸塩を持つ化合物であるビスホスホグリセリン酸塩（BPG）に変換します。これらはそれぞれADPに渡され、最終的にピルビン酸が生成されると2つのATPを形成します。ただし、6炭素の糖を2つの3炭素の糖に分割した後に起こるすべてのことを思い出してください。したがって、解糖の最終結果は4つのATP、2つのNADH、および2つのピルビン酸分子になります。
解糖は嫌気性と見なされることに注意することが重要です 酸素は必要ありません プロセスが発生するため。これを「酸素が存在しない場合のみ」と混同するのは簡単です。同じ方法で、満タンのガソリンでも車の丘をcoast性で走り、「ガスレス運転」を行うことができます。解糖作用は、酸素が豊富にあるか、少ないか、まったくないかに関係なく同じように展開します。
乳酸発酵はいつどこで起こりますか？
解糖がピルビン酸段階に達すると、ピルビン酸分子の運命は特定の環境に依存します。真核生物では、十分な酸素が存在する場合、ピルビン酸のほとんどすべてが好気性呼吸に送られます。この2段階プロセスの最初の段階は、クエン酸回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれるクレブス回路です。 2番目のステップは電子輸送チェーンです。これらは、小さな発電所によく似ているオルガネラである細胞のミトコンドリアで起こります。一部の原核生物は、ミトコンドリアやその他のオルガネラ（「通性好気性菌」）を持たないにもかかわらず好気性代謝に関与することができますが、大部分は嫌気性代謝経路だけでエネルギー需要を満たすことができ、多くの細菌は実際には酸素によって中毒されます（ 「偏性嫌気性菌」）。
十分な酸素が じゃない 原核生物およびほとんどの真核生物に存在するピルビン酸は、乳酸発酵経路に入ります。これの例外は、単細胞の真核生物酵母、ピルビン酸をエタノール（アルコール飲料に含まれる2炭素アルコール）に代謝する真菌です。アルコール発酵では、二酸化炭素分子がピルビン酸から除去されてアセトアルデヒドが生成され、次に水素原子がアセトアルデヒドに結合してエタノールが生成されます。
乳酸発酵
各グルコースは正味のエネルギー利得をもたらすため、解糖は理論的には無期限に進行して親生物にエネルギーを供給することができます。結局のところ、生物が単に十分に食べれば、グルコースは多かれ少なかれ継続的にスキームに供給され、ATPは本質的に再生可能な資源です。ここでの制限要因は、NADの可用性です+、そしてここで乳酸発酵が始まります。
乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）と呼ばれる酵素は、プロトン（H+）ピルビン酸に、そしてその過程で、解糖からのNADHの一部はNADに変換されます+。これはNADを提供します+ 「上流」に戻されて解糖に関与し、したがって解糖を維持するのに役立つ分子。現実には、これは生物の代謝の必要性という点で完全に回復するわけではありません。人間を例にとると、安静時に座っている人でさえ、解糖だけでは代謝のニーズを満たすことができませんでした。これはおそらく、人々が呼吸を止めると、酸素が不足しているために非常に長い間生命を維持することができないという事実に明白です。その結果、解糖と発酵の組み合わせは、実際には一時的な措置であり、エンジンが追加の燃料を必要とするときに、小さな補助燃料タンクに相当するものを利用する方法です。この概念は、エクササイズの世界での口語表現の基礎全体を形成します。「火傷を感じる」、「壁を打つ」などです。
乳酸と運動
再び運動中にほぼ確実に聞いた物質である乳酸が牛乳に含まれているように聞こえる場合（地元の酪農クーラーでLactaidのような製品名を見たことがあるかもしれません）、これは偶然ではありません。乳酸は、1780年に古くなったミルクで最初に分離されました。乳酸 定義上、すべての酸がそうであるように、プロトンを供与した乳酸の形の名前です。酸のこの「-ate」および「-ic acid」の命名規則は、化学のすべてに及びます。）ランニングやウェイトを持ち上げるとき、または高強度の運動に参加するとき-実際に不快な呼吸をさせるもの-有酸素代謝、酸素に依存しているため、作業中の筋肉の要求に対応するのに十分ではありません。
これらの条件下では、身体は「酸素負債」に陥ります。これは、実際の問題は、供給されるグルコースの分子ごとに「36」または38個のATPのみを生成する細胞装置であるためです。運動の強度が持続する場合、身体はLDHをハイギアに蹴り、できるだけ多くのNADを生成することでペースを維持しようとします+ ピルビン酸から乳酸への変換を介して可能な限り。この時点で、システムの好気性成分は明らかに限界に達し、嫌気性成分は、誰かが必死にボートを救出するのと同じように苦労していますが、努力にもかかわらず水位が上昇し続けていることに気づきます。
発酵で生成された乳酸には、すぐにプロトンが付着し、乳酸が生成されます。この酸は、最終的にATPを生成するすべての経路がペースを維持できなくなるまで、仕事が維持されるにつれて筋肉内に蓄積し続けます。この段階では、筋肉の働きが遅くなるか、完全に停止する必要があります。マイルレースに参加しているが、フィットネスレベルに対してやや速すぎて走るランナーは、すでに酸素欠乏を抱えている4ラップコンテストに3周することになります。単純に終了するために、彼女は劇的にスローダウンする必要があり、彼女の筋肉は非常に負担が大きいため、ランニングフォームまたはスタイルが目に見えて苦しむ可能性があります。レースの最後の部分で400メートル（世界クラスのアスリートがフィニッシュするのに45〜50秒かかる）などの長いレースでランナーを見たことがある場合は、おそらく彼または彼女はほとんど泳いでいるようです。大まかに言って、これは筋肉の故障に起因します：あらゆる種類の燃料源がない場合、アスリートの筋肉の繊維は完全にまたは正確に収縮することができず、その結果、目に見えないピアノを運んでいるか、彼の他の大きなオブジェクト。
乳酸と「火傷」：神話？
科学者は長い間、失敗の危機にofしている筋肉に乳酸が急速に蓄積することを知っていました。同様に、この種の急速な筋不全を引き起こすような種類の運動は、影響を受けた筋肉に独特で特徴的なburning熱感をもたらすことが十分に確立されています。 （これを誘発するのは難しくありません;床に落ちて50回連続して腕立て伏せをしようとすると、胸と肩の筋肉がすぐに「火傷」を経験することはほぼ確実です。）反対の証拠がない限り、乳酸自体が火傷の原因であり、乳酸自体が何らかの毒素であり、非常に必要なNADを作る過程で必要な悪であると仮定する+。この信念は、運動コミュニティ全体に徹底的に広められています。トラックミートや5Kロードレースに行くと、足の乳酸が多すぎてランナーが前日のトレーニングで痛みを訴えるのを聞くことがあります。
最近の研究では、このパラダイムを疑問視しています。乳酸（ここでは、この用語と「乳酸」は、簡単にするために交換可能に使用されます）は、無駄な分子以外のものであることがわかっています じゃない 筋肉不全または火傷の原因。それは、明らかに細胞と組織の間のシグナル伝達分子と、それ自体でよく偽装された燃料源の両方として機能します。
乳酸がどのように筋肉不全を引き起こすかについての伝統的な根拠は、働く筋肉の低pH（高酸性度）です。体の通常のpHは酸性と塩基性の間で中性に近い状態にありますが、乳酸がプロトンを放出して乳酸イオンになると、水素イオンで筋肉が溢れ、それ自体が機能できなくなります。しかし、この考えは1980年代から強く挑戦されてきました。別の理論を進めている科学者の見解では、H+ 働く筋肉に蓄積するのは、実際には乳酸に由来します。この考えは、主にピルビン酸と乳酸の両方のレベルに影響を与えるピルビン酸の「上流」解糖反応の綿密な研究から生まれました。また、運動中に以前に考えられていたよりも多くの乳酸が筋肉細胞から運び出されるため、Hを排出する能力が制限されます+ 筋肉に。この乳酸の一部は肝臓に取り込まれ、解糖のステップを逆にたどることによってグルコースを作るために使用されます。この問題に関して2018年の時点でどれほど混乱が残っているのかを要約すると、一部の科学者は、乳酸を運動の燃料サプリメントとして使用することを提案し、したがって、長年の考えを完全に逆さまにしました。