Mælkesyre - et gode eller et onde for muskler?

Transkript

1 Mælkesyre - et gode eller et onde for muskler? Af Kristian Overgaard, Center for Idræt, Århus Universitet Mælkesyre er en organisk kulstofforbindelse, som dannes i muskelceller under arbejde i forbindelse med metaboliseringen af kulhydrater. Det er et af de oftest målte stoffer indenfor arbejdsfysiologien og stoffet er gennem tiderne blevet tillagt central betydning for en række af kroppens reaktioner på hårdt fysisk arbejde, herunder fænomener som iltgæld, muskeltræthed og muskelsmerte. Endvidere beskrives mælkesyre i mange lærebøger som et affaldsprodukt, der skal bortskaffes for at musklerne kan fungere optimalt. Der er imidlertid i løbet af de seneste ca. 25 år udgivet en del undersøgelser, som lægger op til et markant skift i forståelsen af mælkesyrens fysiologiske rolle under arbejde. Mælkesyrens biokemi Energien til muskelarbejde tilvejebringes gennem spaltning af ATP. For at sikre et konstant energiniveau må spaltningen af ATP modsvares af en forøget ATP-gendannelse. En del af denne ATP-gendannelse sker via glykolysen, som er nedbrydningen af glukose til pyrodruesyre. Pyrodruesyren kan enten forbrændes i mitokondrierne eller den kan omdannes til mælkesyre. Den sidstnævnte proces katalyseres af enzymet laktatdehydrogenase og foregår i cytosolen. Som vist på figur 1 er mælkesyre en organisk syre, som kan afgive en proton. Dannelse af mælkesyre medfører derfor et fald i vævsvæskens ph værdi, hvilket er vigtigt for en del af mælkesyrens fysiologiske effekter. Kun en meget lille del af det energiindhold, som findes i glukose, bliver frigivet i forbindelse med glykolysen (ca 5%). Det betyder, at der i mælkesyren stadig er et stort energiindhold og denne energi kan Figur 1: Mælkesyrens strukturformel let udnyttes af de fleste af kroppens celler, idet mælkesyre kan omdannes direkte til pyrodruesyre. Dette stof kan derefter som nævnt nedbrydes under forbrug af ilt og hermed gendanne ATP. Tidligere antog man, at dannelsen af mælkesyre udelukkende forekom, når der ikke var tilstrækkeligt ilt tilstede i musklerne til, at den producerede pyrodruesyre kunne fjernes ved mitokondriel forbrænding. Denne antagelse har vist sig ikke at være 40

2 rigtig idet mælkesyre også dannes i betydelige mængder selvom ilttilbuddet i musklerne er tilstrækkeligt (3). Den anaerobe tærskel Antagelsen om at utilstrækkelig ilttilførsel var årsag til dannelse af mælkesyre i musklerne var imidlertid et centralt led i udviklingen af begrebet anaerob tærskel. Dette begreb, som bruges i vid udstrækning blandt trænere og arbejdsfysiologer, betegner den arbejdsintensitet (f.eks. løbehastighed) hvor der sker et skift i metabolismen fra aerobe til anaerobe processer på grund af, at energikravet overstiger ilttilbuddet i musklerne. (8). Der findes et væld af forskellige metoder til at identificere den anaerobe tærskel eller mælkesyregrænsen. Disse involverer oftest måling af indholdet af laktat (mælkesyrens syrerest) i blod under arbejde. Laktatindholdet sammenholdes derefter med en på forhånd defineret tærskelværdi (f.eks. 4 mm). Metoderne til bestemmelse af den anaerobe tærskel og deres anvendelse i træningsplanlægning for idrætsudøvere har været kritiseret tidligere (1). Kritikken baseres bl.a. på, at niveauet af mælkesyre i blodet ikke tilsvarer niveauet i muskelcellerne og, at mælkesyreniveauet under arbejde påvirkes af en række andre faktorer end træningstilstanden. Det er interessant i idrætsmæssig sammenhæng at man ofte kan se sammenhæng mellem personers mælkesyretærskel og deres præstation i f.eks langdistanceløb. Dette kan man dog ikke fortolke således, at den anaerobe tærskel rent faktisk repræsenterer en reel fysiologisk grænseværdi. En græsk undersøgelse viser, at når man bestemmer mælkesyretærsklen kan man ved brug af flere forskellige tærskelværdier for blodlaktatindholdet opnå lige gode korrelationer til løbepræstationen, uanset hvilket niveau mellem 3 og 8 mm man bruger som grænseværdi (7). Dette resultat understreger, at energimetabolismens skifte fra aerobe til anaerobe processer ved stigende arbejdsintensitet bør opfattes som en glidende overgang, snarere end som et abrupt skifte ved en bestemt arbejdsintensitet. Derudover er der også det problem med hele konceptet om den anaerobe tærskel, at mælkesyrekoncentrationen i blod ikke kan antages at være direkte proportionalt med produktionen af mælkesyre i musklerne idet mælkesyrekoncentrationen i blod også påvirkes af transporten af mælkesyre fra blod til celler, som forbruger mælkesyre under arbejde. Mælkesyrens rolle i energistofskiftet Som tidligere nævnt har den fremherskende opfattelse af mælkesyrens rolle i energistofskiftet indtil for få år siden været, at mælkesyren var et ubrugeligt affaldsprodukt, som skulle fjernes og genopbygges til glukose i leveren, før musklerne igen kunne udnytte det til energiproduktion. Denne transport af mælkesyre fra de aktive muskler til leveren og tilbageførslen af glukose fra leveren til musklerne via blodbanen kaldes Cori s cyklus og findes beskrevet i de fleste lærebøger om biokemi. Ganske vist vil en del af den mælkesyre, der produceres under arbejde indgå i Cori s cyklus, men hovedparten af mælkesyren, som produceres under muskelarbejde (ca. 75%) bliver faktisk omdannet til pyrodruesyre og oxideret i citronsyrecyklus. Dette foregår både i hvilende og arbejdende muskler, ligesom andre væv (f.eks. hjertet) også bruger mælkesyre som substrat for energistofskiftet under arbejde. Endvidere vil en del af den producerede mælkesyre også kunne bruges direkte til gendannelse af 41

3 glykogen i muskelcellerne efter et muskelarbejde. Muskelceller optager glukose fra blodbanen. Glukosen kan derefter opbygges til glykogen eller nedbrydes via glykolysen. Derimod kan muskelceller ikke selv danne glukose. Det betyder, at hvis muskelceller skal eksportere energiholdige substrater til brug i andre af kroppens (muskel)celler må det være i en anden kemisk form end glukose. Denne anden form har vist sig at være mælkesyre. Ved at danne og eksportere mælkesyre er muskelceller nemlig i stand til at fordele det energilager, som de indeholder i kraft af deres kulhydratdepoter. Denne omfordelingsmekanisme for den energiholdige mælkesyre blev første gang beskrevet i midten af firserne af George Brooks og hans forskningsgruppe fra USA. De har kaldt fænomenet for The lactate shuttle (2). Ved hjælp af denne shuttle kan man f.eks. forestille sig, at type II muskelfibre p.g.a. deres store glykolytiske potentiale vil kunne danne og eksportere mælkesyre til interstitielvæsken og herefter til blodbanen under arbejde. Mælkesyren vil herefter kunne optages i aktive oxidative muskelfibre (type I), hvor den resterende energi udvindes ved forbrænding (Fig. 2). Figur 2: Diagram over the lactate shuttle hvori mælkesyren dannes i nogle væv (FG fibre - hurtige glykolytiske fibre) og overføres til andre væv (SO fibre - langsomme oxidative fibre) hvori den forbrændes. Nyere forskning fra bl.a. August Krogh Instituttet i København har vist, at selve transporten af mælkesyren ind i eller ud af cellerne foregår ved hjælp af et membranbundet transportprotein (4). Dette er i modstrid med tidligere forestillinger om, at mælkesyretransport udelukkende foregik ved simpel diffusion. En konsekvens af en sådan mælkesyre-transportmekanisme er, at muskelcellerne hermed har mulighed for at regulere transportkapaciteten for dette stof. Dette ses f.eks. i forbindelse med muskeltræning, hvor antallet af transportproteiner i muskelcellemembraner øges, hvorved muskelcellerne bliver i stand til hurtigere at optage eller afgive mælkesyren. 42

4 Mælkesyre og muskelømhed Når man arbejder hårdt oplever man ofte smerter eller ømhed i muskulaturen. Disse smerter kan opstå under arbejdet eller som forsinket ømhed op til flere dage efter aktiviteten. Man har allerede for mange år siden rettet opmærksomheden mod mælkesyre som en potentiel årsag til muskelsmerter under arbejde (fx. ved statiske kontraktioner uden blodflow). Det er vist, at nogle af de sensoriske neuroner, som ligger omkring vore muskler og som medvirker i smerteopfattelsen, er følsomme for ændringer i omgivelsernes ph. Der skal imidlertid store ph ændringer til før disse neuroner reagerer, og ph faldet, som forekommer under arbejde, er derfor næppe stort nok til, at det alene kan forklare den akutte muskelsmerte. Det er derfor tvivlsomt om den tunge eller ligefrem smertende fornemmelse, som mange kender som syre i benene er forårsaget af mælkesyre. Derimod er det helt sikkert, at den forsinkede muskelømhed, som optræder flere timer eller dage efter muskelarbejdet, ikke kan skyldes mælkesyre, da langt hovedparten af mælkesyren er fjernet fra musklerne i løbet af ca. 30 min efter arbejdets ophør. Mælkesyrens betydning for muskeltræthed Benene syrer til - det er noget, som kendes af mange sportsfolk. Både sport og andet hårdt, fysisk arbejde fører til, at der dannes og ophobes mælkesyre i de arbejdende muskler. Alle - og det gælder både fagfolk og lægmand - har troet, at den ophobede mælkesyre og den forsuring af musklerne, den bevirker, har været den væsentligste årsag til, at man bliver træt ved intensivt arbejde. En del undersøgelser fra de senere år har rejst tvivl om, hvorvidt det faktisk er mælkesyre, der er årsag til de trætte muskler. Der er ingen tvivl om, at fysisk arbejde fører til en forsuring på grund af mælkesyre, men det er ikke nødvendigvis sådan, at musklernes funktion bliver hæmmet af mælkesyren. Det vil sige, at musklerne nok syrer til under hårdt, fysisk arbejde, men at den træthed, man ofte samtidig oplever, ikke som hidtil antaget skyldes denne forsuring. Eksempelvis har man længe vidst, at når man udtog enkelte muskelfibre fra forsøgsdyr og udsatte dem for en forsuring (f.eks ved tilsætning af mælkesyre), så ville de ikke længere kunne udvikle så megen kontraktionskraft som i et neutralt miljø. Sådanne resultater bestyrkede teorien om mælkesyren som årsag til muskeltræthed. I denne type forsøg har man imidlertid ofte ladet den eksperimentelle temperatur være lig med rumtemperaturen i laboratoriet, idet man antog at i hvert fald de mest fundamentale kvaliteter i muskelfunktionen var uafhængige af temperaturen. Det viste sig dog at være en forkert antagelse, for da Pate og kolleger (6) i starten af 1990 erne lavede disse eksperimenter ved en række forskellige temperaturer, opdagede de, at den hæmmende effekt af forsuring på musklers kontraktionskraft blev mindre ved højere temperaturer. Dette eksperiment, som senere er blevet eftervist af andre forskergrupper, viste, at når muskler fra pattedyr arbejder ved deres normale temperatur omkring 37 C, er deres kraftudvikling stort set upåvirket af forsuringer inden for det fysiologiske område (ned til omkring ph 6.5). Dette var selvfølgelig et vægtigt argument imod teorien om mælkesyreinduceret muskeltræthed. Der findes da også en række andre mulige forklaringer på, hvorfor muskler bliver trætte efter intenst arbejde, og en af de mere udbredte hypoteser er teorien om, at muskelcellernes aktivitet hæmmes af ændringer i kaliumbalancen under arbejde. 43

5 Andre årsager til træthed Alle kroppens celler indeholder store mængder af opløste kaliumsalte, mens væsken uden for cellerne kun indeholder meget lidt kalium. Denne ulige, men naturlige fordeling af kalium, er en forudsætning for, at muskelceller kan opfange og reagere på de elektriske signaler, hjernen udsender via de motoriske nervebaner for at igangsætte bevægelser. Når musklerne arbejder intensivt, afgiver de kalium til interstitielvæsken. Herved sker der en forskydning i den naturlige fordeling af kalium mellem intra- og ekstra-cellulærvæsken. Dette fører til en depolarisering af muskelcellemembranen, som reducerer musklernes evne til at reagere på nervesignaler, og dermed virker lammende for muskelkontraktionen. Gennem de sidste 20 år har denne forklaring på muskeltræthed vundet større og større indpas, og i dag regner mange muskelfysiologer forskydninger i den naturlige kaliumfordeling for at være den væsentligste årsag til, at musklerne bliver trætte, når de bruges intensivt. Figur 3: Tetanisk kraftudvikling i isolerede rottemuskler, som udsættes for først en forøget ydre kaliumkoncentration (11 mm K+) og dernæst tilsættes mælkesyre (20 mm lactic acid). Mælkesyrens nye rolle for muskeltræthed I et samarbejde mellem Fysiologisk Institut og Center for Idræt på Aarhus Universitet har en gruppe forskere for nyligt vist, at hvis man eksperimentelt forsurer muskler med mælkesyre, bliver de beskyttet mod de lammende effekter af forskydninger i kaliumfordelingen i musklerne (5). Figur 3 herover illustrerer evnen til kraftudvikling i muskler, når de udsættes for en høj ydre kaliumkoncentration efterfulgt af forsuring med mælkesyre. Det ses, at det markante krafttab, som udløses af 11 mm kalium, fuldstændig restitueres, når musklerne forsures med mælkesyre. I idrætsmæssig sammenhæng betyder dette, at ophobningen af mælkesyre og forsuring gør det muligt for muskler at arbejde hårdere og længere, før de bliver trætte. Musklerne kan ganske vist stadig lammes, men det kræver, at der sker en væsentlig kraftigere forskydning i kaliumfordelingen, end hvis de ikke dannede mælkesyre. Det vil sige, at dannelsen af mælke- 44

6 syre beskytter muskler mod træthed, og ikke - som hidtil antaget - udløser træthed. Denne nye erkendelse betyder, at en del lærebøger i fysiologi nu må revideres. Dertil kommer, at den store fokus, der i mange år har været blandt idrætsfolk, trænere og kommentatorer på kroppens dannelse af mælkesyre som en årsag til muskeltræthed, ikke længere er videnskabeligt begrundet. Sammenfatning Gennem de seneste ca. 25 år er der akkumuleret en række forskningsresultater vedrørende betydningen af mælkesyre i forskellige arbejdsfysiologiske sammenhænge. Det nedenstående skema er en oversigt over de områder, hvor man har revideret opfattelse af mælkesyrens betydning. Tabel 1. Nye og gamle koncepter vedrørende mælkesyre Smerte Gammelt koncept Mælkesyreakkumulation i muskler fører til smerte og ømhed. I tabellen bruges terminologien gamle og nye koncepter, fordi der i de fleste tilfælde er tale om en regulær historisk udvikling, men på visse punkter er det gamle koncept mere udtryk for det formidlede og til en vis grad unuancerede koncept, som der ikke altid er fuldt belæg for i den videnskabelige litteratur. At formidlingen omkring mælkesyrens fysiologiske rolle har udviklet sig på denne måde må vel tilskrives, at man hermed har kunnet skabe en simpel og pædagogisk teori, hvori mælkesyren på alle områder kunne beskrives som et ondt affaldsstof med negative virkninger. Man har samtidig overset eller udeladt mælkesyrens positive effekter på organismen i formidlingen og forskningen indenfor området. Man kan med en vis ret hævde, Nyt Koncept Mælkesyre kan medvirke til akut smertefornemmelse fx. under statiske kontraktioner uden blodflow. Forsinket muskelømhed skyldes ikke mælkesyre da denne er væk i løbet af ca. 30 min efter arbejdets ophør. at der inden for dette lille afsnit af arbejdsfysiologien gennem de senere år er sket et regulært paradigmeskift. Dette har dog endnu ikke vundet udbredelse til alle lærebøgerne på universitetet og i gymnasiet, eller til idrætsforeningerne, hvor meget af den negative terminologi omkring mælkesyren stadig hænger ved. Det billede som de seneste års forskning har tegnet kan således sammenfattes i følgende hovedpunkter: 1) Mælkesyre har konceptuelt bevæget sig fra at blive opfattet som et affaldsstof der bevirker træthed, smerte og øget energiforbrug til at være et vigtigt energiholdigt substrat, som kan bidrage til en bedre energifordeling i kroppen og beskytte muskler mod træthed. 2) Der findes fysiologisk set ingen anaerob tærskel, men derimod en glidende overgang, hvor den relative intensitet afgør hvilke metabolske processer, som dominerer. 3) En del af det teoretiske grundlag for fastlæggelsen af træningsintensiteter og træningsformer i grundtræning er baseret på gamle (nu forældede) ideer om mælkesyrens fysiologiske rolle. 45

7 Dannelse af mælkesyre Membrantransport af mælkesyre Forbrænding af mælkesyre Gendannelse af glukose el. glykogen fra mælkesyre Mælkesyrens rolle i energi-metabolismen Iltgæld Muskel-træthed Dannelsen af mælkesyre i muskler forekommer kun når der ikke er tilstrækkelig ilt tilstede. F.eks. under arbejde med høj intensitet eller ved utilstrækkelig blodgennemstrømning. Mælkesyren diffunderer hurtigt gennem cellemembraner og fordeler sig dermed jævnt i og udenfor cellerne. Forekommer kun i ringe omfang under og efter arbejde, og kun i de hvilende væv. Forekommer efter arbejdet i leveren, hvor ca. 80% af den dannede mælkesyre bliver genopbygget til glukose eller glykogen. Mælkesyre er et metabolsk blindgyde-produkt eller affaldsprodukt, hvis skæbne det er at blive udskilt fra muskler og genopbygget til glukose el. glykogen i leveren. (Cori s cyklus) Iltgæld skyldes genopbygning af glukose og glykogen fra mælkesyre (under forbrug af ATP). Derfor er iltgælden direkte proportional med mælkesyreproduktionen. Mælkesyre i muskler nedsætter kontraktionskraften og er dermed en oplagt kandidat som trætheds-udløsende stof Dannelsen af mælkesyre er ikke afhængig af musklernes iltning. Mælkesyren dannes hele tiden (også i hvilende muskler). Dannelsen af mælkesyre er stigende med stigende arbejdsintensitet. Transporten af mælkesyre foregår via specifikke transportmolekyler i membranen og der kan derfor være forskellige transporthastigheder i forskellige væv. Forekommer i udtalt grad både i arbejdende muskler og øvrige væv. Ca. 75% af den dannede mælkesyre forbrændes under eller efter muskelarbejdet, heraf hovedparten i muskler (inkl. hjertemuskel) Forekommer efter (og muligvis under) arbejdet i mange væv inkl. muskler (kun glykogen) og lever, men kun ca. 25% af den dannede laktat anvendes til nydannelse af glukose eller glykogen Dannelsen og fordelingen af mælkesyre i kroppen under arbejde er en vigtig mekanisme hvorved der kan udveksles energiholdigt substrat mellem forskellige typer væv med forskellige metabolske behov (The Lactate Shuttle Hypothesis). Iltgæld er ikke proportional med mælkesyreproduktionen, en stor del af iltgælden kan forklares ved forskelle i temperatur og hormonniveauet i kroppen efter arbejde. En række forsøg udført i de sidste år viser at mælkesyre ikke bevirker muskeltræthed. Helt nye eksperimenter viser at mælkesyredannelse kan beskytte musklen mod andre træthedsudløsende faktorer.

8 REFERENCER 1) Bangsbo J. Blodmælkesyre - Muligheder og begrænsninger. PULS. 1994; nr. 3: Tema s.1-4 2) Brooks GA, Fahey TD,White TP & Baldwin KM. Exercise Physiology - Human bioenergetics and its applicatitions. 3rd Edition. 2000; Mayfield Publishing Company, Mountain View, California. 3) Gladden LB. Lactate transport and exchange during exercise. i Handbook of Physiology, Section 12. Eds: Rowell LB. & Shepherd JT 1996; Oxford University Press, New York: s ) Juel C. Current aspects of lactate exchange: lactate/h+ transport in human skeletal muscle. Eur J Appl Physiol. 2001; nr. 86: s ) Nielsen OB, de Paoli F, Overgaard K. Protective effects of lactic acid on force production in rat skeletal muscle.j Physiol. 2001; nr. 536: s ) Pate E, Bhimani M, Franks-Skiba K, Cooke R. Reduced effect of ph on skinned rabbit psoas muscle mechanics at high temperatures: implications for fatigue. J Physiol. 1995; nr. 486: s ) Tokmakidis SP, Leger LA, Pilianidis TC. Failure to obtain a unique threshold on the blood lactate concentration curve during exercise. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1998; nr. 77: s ) Wasserman K, Whipp BJ, Koyl SN, Beaver WL. Anaerobic threshold and respiratory gas exchange during exercise. J Appl Physiol. 1973; nr. 35: s