Oddychanie beztlenowe jest procesem tworzenia energii bez obecności tlenu. Czasami organizm nie jest w stanie dostarczyć mięśniom tlenu, którego potrzebują do wytworzenia energii – np. w sytuacji sprintu. Bez procesu oddychania beztlenowego może nie być energii dostarczanej do mięśni w okresach wysokiego zapotrzebowania.
W tym artykule rozważymy proces oddychania beztlenowego i jego znaczenie kliniczne.
Proces oddychania beztlenowego
Bez obecności tlenu łańcuch transportu elektronów (ETC) nie może być kontynuowany, ponieważ nie ma terminalnego akceptora elektronów. Dlatego nie może być wytworzona zwykła liczba cząsteczek ATP. Zaprzestanie działania ETC prowadzi do zmniejszenia aktywności reakcji poprzedzających ten etap, takich jak cykl Krebsa i glikoliza. W szlaku beztlenowym wykorzystywany jest pirogronian, końcowy produkt glikolizy.
Bez funkcjonującego ETC występuje nadmiar NADH i pirogronianu. Pirogronian jest następnie redukowany do mleczanu (kwasu mlekowego) przez NADH, pozostawiając NAD+ po redukcji. Reakcja ta jest katalizowana przez enzym dehydrogenazę mleczanową. Prowadzi to zasadniczo do recyklingu NAD+.
Dzięki recyklingowi NAD+ proces glikolizy może być kontynuowany, ponieważ „zapas” NAD+ został uzupełniony. Ścieżka glikolizy wytwarza 2 cząsteczki netto ATP, które mogą być wykorzystane jako energia do napędzania skurczu mięśni itp. Te 2 cząsteczki ATP to znacznie mniej, niż byłoby wytwarzane przez oddychanie tlenowe, ale jest to konieczne, ponieważ bez oddychania beztlenowego nie byłoby innej metody wytwarzania ATP.
Może się to zdarzyć w warunkach niedokrwienia. Glikoliza będzie zachodzić szybciej i będzie produkować kwas mlekowy. Jest to konieczne w sytuacjach takich jak ćwiczenia fizyczne, gdy zapotrzebowanie mięśni na tlen wzrasta powyżej podaży, w chorobie niedokrwiennej serca lub gdy nowotwór złośliwy przerasta swoje ukrwienie.
Glikoliza beztlenowa zachodzi szybciej niż tlenowa, ponieważ na każdą rozbitą glukozę przypada mniej energii (2ATP w porównaniu z 32ATP), więc więcej musi być rozłożone w szybszym tempie, aby sprostać wymaganiom. Może to prowadzić do kwasicy mleczanowej.
Usuwanie mleczanu
Mleczan produkowany w wyniku oddychania beztlenowego musi być usunięty, ponieważ jest kwaśny. Istnieją dwa główne sposoby, aby to zrobić;
- Mleczan jest transportowany do aktywnych metabolicznie komórek, takich jak serce i mózg. Tutaj jest on przekształcany z powrotem w pirogronian przez powyższą reakcję. Pirogronian jest następnie wykorzystywany w cyklu Krebsa.
- Mleczan jest transportowany do wątroby i przekształcany w pirogronian przez powyższą reakcję. Pirogronian jest następnie wykorzystywany w procesie glukoneogenezy do tworzenia większej ilości glukozy
Znaczenie kliniczne – kwasica mleczanowa
W niektórych przypadkach nadmierna produkcja mleczanu może prowadzić do stanu znanego jako kwasica mleczanowa, podtypu kwasicy metabolicznej. W tym przypadku pH krwi staje się bardziej kwaśne z powodu rosnącego poziomu mleczanów w organizmie. Istnieje wiele przyczyn kwasicy mleczanowej, ale ogólnie rzecz biorąc, jest ona spowodowana niezdolnością organizmu do oddychania tlenowego. Niektóre przyczyny obejmują:
- Cukrzyca
- Niedobór enzymów – na przykład niedobór dehydrogenazy pirogronianowej
- Leki – na przykład, metformina i izoniazyd
- Wykrwawienie
- Sepsa
- Zaburzenia mitochondrialne
Objawy są typowe dla kwasicy metabolicznej i obejmują nudności, wymioty, osłabienie mięśni i szybki oddech. Leczenie jest trudne, ponieważ istnieje niewiele dowodów na poparcie stosowania roztworów wodorowęglanu sodu (w celu zrównoważenia pH) lub bezpośredniego usuwania mleczanów (poprzez hemofiltrację). Ogólnie rzecz biorąc, leczenie jest wspomagające i zależy od przyczyny; jeśli przyczyną są leki, może być konieczne ich odstawienie, a niektóre zaburzenia mitochondrialne mogą wymagać dostosowania diety.