תסיסה הומולקטית

תסיסה הומולקטית היא תהליך אנזימטי, אל-אווירני, בו מופקת אנרגיה תוך-תאית מפרוק של סוכרים בעלי שישה פחמנים לחומצה לקטית. התסיסה ההומולקטית מתבצעת על ידי חיידקים מקבוצות שונות ועל ידי תאים של בעלי-חיים (תאי השריר). התסיסה מבוצעת על ידי האנזים לקטאט דהידרוגנאז שהופך את הפירובט ללקטט. מקור הפירובט בתא החי הוא מתהליך הגליקוליזה של סוכרים בעלי שישה פחמנים (גלוקוז, פרוקטוזה, גלקטוזה). בתהליך הגליקוליזה נוצרות שתי מולקולות ATP, שתי מולקולות NADH מ–+NAD, ושתי מולקולות פירובט, שם טמונה רוב האנרגיה הכימית שהייתה לגלוקוז. השלמת הפירוק של הגלוקוז לפחמן דו-חמצני דורשת חמצון הפירובאט במעגל קרבס וזירחון חמצוני שהיא מערכת להעברת אלקטרונים. כאשר חסר חמצן לקיום מעגל קרבס ולזירחון חמצוני, מופעל תהליך הגליקוליזה אשר מטרתו לספק את צורכי ה-ATP התוך- תאי. המרת הפירובט ללקטט מחדשת את ה-+NAD, ומאפשרת את המשך תהליך הגליקוליזה. הלקטט עובר דיפוזה חוץ תאית ומגיע לזרם הדם. בהגיעו לכבד הופך הלקטט בתהליך הפיך לפירובט ובתהליך של גלוקונוגנזה  הופך לגלוקוז. הגלוקוז שנוצר חוזר לדם ומגיע חזרה לשריר, תהליך זה מוריד מן העומס החומצי של השריר בתהליך הקרוי מעגל קורי.

האנזים פוספופרוקטוקינאזה  מעוכב על ידי PH נמוך ובדרך זו נמנעת יצירה של עודף חומצה לקטית על מנת למנוע חומציות גבוהה בדם. האנזים PFK מזרז ריאקציה חד-כיוונית בגליקוליזה. התכווצות שרירים קשורה לרמות חומצה לקטית בדם כתוצאה מחוסר איזון של היונים בגוף שנובעת מהזעה.

בתסיסה הומלקטית, מולקולה אחת של גלוקוז מומרת בסופו של דבר לשתי מולקולות של חומצת חלב. תסיסה הטרולקטית מניבה פחמן דו-חמצני ואתנול בנוסף לחומצה לקטית במסלול בשם פוספוקטולאזה .

היסטוריה 
מספר כימאים גילו במהלך המאה ה-19 כמה מושגים בסיסיים של תחום הכימיה האורגנית. הכימאי הצרפתי ג'וזף לואי גיי-לוסאק התעניין במיוחד בתהליכי תסיסה ויחד עם אחד מתלמידיו הטובים ביותר, יוסטוס פון ליביג תארו בהפרש של כמה שנים את המבנה הכימי של מולקולת חומצת החלב כפי שהיא מוכרת כיום. חוקרים אלה הבינו שאפשר לזרז את תהליך התסיסה על ידי קטליזטורים. ב-1857, הכימאי הצרפתי לואי פסטר תיאר לראשונה חומצה לקטית כתוצר של תסיסה מיקרוביאלית. בתקופה זו, בה עבד באוניברסיטת ליל, מזקקה מקומית ביקשה ממנו ייעוץ בנוגע לבעיות תסיסה מסוימות. הוא הצליח לגלות שבמזקקה זו מתרחשות שתי תסיסות, תסיסה של חומצת חלב ותסיסה אלכוהולית, שתיהן נעשות על ידי מיקרואורגניזמים. למרות שפסטר תיאר כמה מושגים מקובלים, ליביג סירב לקבל אותם. אבל אפילו פסטר עצמו כתב שהוא "מונע" להבנה חדשה לגמרי של התופעה הכימית הזו. גם אם פסטר לא מצא כל פרט בתהליך הזה, הוא עדיין גילה את המנגנון העיקרי של אופן פעולת התסיסה של חומצת החלב המיקרוביאלית. הוא היה הראשון שתיאר את התסיסה כ"צורת חיים ללא אוויר".

התסיסה הלקטית שימשה את האדם לייצור מזון הרבה משחר ההיסטוריה. ניתוח כימי של ממצאים ארכאולוגיים מראה ששימושי התסיסה הלקטית קדמו לתקופה ההיסטורית. היישומים הראשונים של התסיסה הלקטית היו כנראה חלק מהמהפכה הנאוליתית. כיוון שחלב מכיל באופן טבעי חיידקי החומצה הלקטית, הגילוי של תהליך התסיסה היה מובן למד, היות שהתהליך זה מתרחש בטבע באופן ספונטני בטמפרטורה נאותה. הבעיה של החקלאים הראשונים הייתה שחלב טרי כמעט בלתי ניתן לעיכול על ידי מבוגרים, ולכן היה להם חשוב לגלות את המנגנון הזה. למעשה, חיידקי חומצת חלב מכילים את האנזימים הדרושים לעיכול הלקטוז (דו סוכר המצוי באופן טבעי בחלב), ואוכלוסייתם מתרבה במידה רבה במהלך התסיסה. חלב שתסס ולו לזמן קצר מכיל כמות מספקת של אנזימים על מנת לעכל את מולקולות הלקטוז, מה שמאפשר גם למבוגרים מחוסרי אנזים הלקטאזה לצרוך אותו. תסיסה ארוכה יותר הייתה נהוגה לייצור גבינה. תהליך ייצור הגבינות התגלה לפני זמן רב על כתבי יתדות, ומאוחר יותר בטקסטים בבליים ומצריים. התיאוריה של היתרון התחרותי של מוצרי חלב מותססים. גורסת שנשים של חמולות האיכרים הבינו שניתן לקצר את הזמן בין שני ילדים הודות לספיגת הלקטוז הנוספת מצריכת חלב. ייתכן שגורם זה נתן להם יתרון חשוב להתחרות מחוץ לחברות הציידים-לקטים.

עם הצריכה הגוברת של מוצרי חלב החברות הללו פיתחו עמידות ללקטוז  על ידי תורשה אפיגנטית. האנזים המעכל חלב הלקטאז שהיה קיים בגופם במשך כל החיים, גם בבוגרים ולא רק בילדים, הגיע לידי ביטוי בבגרותם, כך שהם יכלו לשתות חלב לא מותסס גם כמבוגרים. התרגלות מוקדמת זו לצריכת לקטוז בחברות המתיישבים הראשונות ניצפית עד היום באזוריים בהן קיים ריכוז המוטציה הזו. ההערכה היא שכ-65% מאוכלוסיית העולם עדיין חסרה זאת. מכיוון שהחברות הראשונות הללו הגיעו מאזורים מסביב למזרח טורקיה ועד למרכז אירופה, הגן מופיע בתדירות גבוהה יותר באזורים אלה ובצפון אמריקה, מכיוון ישבו על ידי האירופים.

לצריכת מוצרי חלב הייתה השפעה חשובה על התפתחותן של תרבויות מסוימות לאורך ההיסטורה. מקור החלב הנצרך במונגוליה, שבה אנשים עוסקים לעיתים קרובות בחקלאות, הוא בעיקר מחליבת סוסות. על פי מסורת ארוכת שנים. בתרבויות אלה, החלק השמן יותר בחלק העליון של החלב הקרוי "deež" נחשב לחלק היקר ביותר ולכן משמש לכבוד אורחים. קיימים גם מוצרי תסיסה של חלב סוסה, הקומיס שהוא יוגורט מעט אלכוהול. משמעות השימוש הנרחבר במוצרי חלב באה לידי ביטוי במהלך חגיגות שונות. לדוגמה, ראש השנה הירחית המונגולית המכונה צאגאן סאר, המתרחש באביב. החג מכונה "החודש הלבן", על שם מוצרי חלב המכונים "אוכל לבן" (אוכל שנאכל יחד עם ירקות עמילניים, בהשוואה למוצרי בשר, המכונים "אוכל שחור") הם חלק מרכזי מסורתי בתרבות המונגולית. מטרת החגיגות היא "לסגור" את השנה שחלפה, לנקות את הבית או את היורט, לכבד את החיות על כך שסיפקו את מזונן, ולהכין הכול לעונת הקיץ הקרובה, כדי להיות מוכנים "לפתוח" את השנה החדשה. צריכת אוכל לבן בהקשר חגיגי זה היא דרך להתחבר לעבר ולזהות לאומית, האימפריה המונגולית הגדולה של ג'ינגיס חאן. בתקופת האימפריה הזו, חלב הסוסה המותסס היה המשקה לכבודם של הלוחמים כאות של הודיה והערכה למנהיגים. החלב המותסס הפך למשקה לאנשים מהשורה. מוצרים אחרים, כמו יוגורט תעשייתי, המגיעים בעיקר מסין וממדינות המערב, נטו להחליף אותו יותר ויותר, בעיקר באזורים עירוניים. עם זאת, באזורים כפריים ועניים יותר במונגוליה, יש לה עדיין חשיבות רבה לשימוש בחלב מותסס באופן מסורתי.

תהליכים ביוכימיים בתסיסה ההומולקטית וההטרולקטית 
 חיידקים הומופרמנטטיביים ממירים גלוקוז לשתי מולקולות של לקטט כדי ליצור שתי מולקולות של ATP:

glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 lactate + 2 ATP

בתהליך זה חל זירחון של שתי מולקולות ADP והפיכתן לשתי מולקולות של ATP

כגון, מסלול התסיסה של Streptococcus lactis, Lactobacillus acidophilus
 חיידקים הטרופרמנטטיביים ממירים גלוקוזה ללקטט ו-ATP בכמות פחותה בהשוואה לתהליך ההומופרמנטטיבי, אך מייצרים מספר תוצרי קצה אחרים.

glucose + ADP + Pi → lactate + ethanol + CO2 + ATP

בתהליך זה חל זרחון של מולקולה אחת של ADP

כגון, מסלולי התסיסה של: Leuconostoc mesenteroides, ו-Leuconostoc lactis
 מסלול ביפידום Bifidobacterium bifidum משתמש במסלול תסיסה לקטית שמייצר יותר ATP מתסיסה הומולקטית או הטרולקטית:

2glucose + 5 ADP + 5 Pi → 3 acetate + 2 lactate + 5 ATP

סוגי חיידקים מתסיסי לקטוז בטבע 
ידועים כמה זני חיידקים בעלי יכולת להתסיס לקטוז. ארבעת הסוגים Escherichia, Citrobacter, Enterobacter ו-Klebsiella שייכים למשפחת ה- נבדלים זה מזה מבחינה ביוכימית וגנטית. זנים אלה אינם משמשים את תעשיית המזון בגלל עקב היותם מפרקי חלבונים ויצירת אמינים נדיפים ובעלי ריח רע.

יישומים 
תסיסה של חומצת חלב משמשת באזורים רבים בעולם לייצור מזונות בעלי ערך תזונתי ובריאותי ייחודי. הסוג לקטובצילוס הוא החשוב ביותר של חיידקי חומצת חלב הוא, אם כי לפעמים משתמשים בחיידקים אחרים וגם שמרים. שניים מהיישומים הנפוצים ביותר של תסיסה של חומצת חלב הם בייצור של יוגורט וירקות מוחמצים. בחלק מהמטבחים האסייתים נוהגים להכין דגים מותססים באופן מסורתי עם אורז כדי לייצר חומצה לקטית השומרת על הדג. דוגמאות למנות אלה כוללות בורונג איסדה burong isda מהפיליפינים, נרזרושי narezushi מיפן, ופלא רה pla ra מתאילנד. אותו תהליך משמש גם להחמצת חסילונים בפיליפינים במאכל המכונה בלאו-בלאו-balao-balao, קמצ'י מאכל של ירקות מותססים מקוריאה, כרוב כבוש sauerkraut מגרמניה, נקניקיות ומוצרי בשר החיידק החשוב ביותר בתהליך החמצת הכרוב הוא Leuconostoc.. התסיסה הלקטית היא אמצעי יעיל מאד לשימור מזון כנגד חיידקים פתוגניים. העלאת החומציות בתהליך התסיסה גורמת למותם של מיקרואורגניזמים פתוגניים רבים. חיידקי התסיסה הלקטית ההטרופרמנטטיבית מייצרים חומצה לקטית, כהלים פשוטים ופחמימנים אחרים. חומרים אלה עשויים להשתלב ביצירת אסטרים, התורמים לטעם הייחודי של כרוב כבוש ושל מוצרים מותססים אחרים. החומצה הלקטית היא מרכיב חשוב בייצור של בירות חמצמצות, כמו Lambics ו-Berliner Weisses. חיידקי חומצת חלב (LAB) קיימים בפלורה הטבעית ברוב הירקות. סוגים שונים של LAB יפיקו סוגים שונים של תסיסה בתחמיץ של עלים או חלקי פרי של ירקות ופירות. תסיסה בתחמיץ היא תסיסה אנאירובית המפרקת סוכרים לתוצרי לוואי של תסיסה, ובנוסף לחומצה הלקטית ייווצרו תוצרי לוואי בעלי טעם וריח המוסיפים לתכונות האורגנולפטיות של התחמיץ.

השיטה העיקרית לייצור יוגורט היא על ידי התססת חלב עם חיידקים לא מזיקים לבריאות. החיידקים העיקריים המשמשים לתהליכים אלה הם לקטובצילוס בולגריקוס  וסטרפטוקוקוס טרמופילוס.

ו-, שניהם חיידקים גרם חיוביים. חיידקים אלה, בהיותם מיועדים להחמצת חלב באופן תעשייתי מכונים סרטר (starter) ניתנים לרכישה באופן מסחרי. שימוש בסטרטר מבטיח אחידות מספר החיידקים, אחידות הזנים ומניעת זיהומים. אחידות זו רצויה בייצור תעשייתי המבטיח אחידות המוצר המוגמר. בצורתו היבשה הוא ניתן לאחסון ארוך טווח. בארצות הברית ובשוק האירופי, חלה חובה שכל היוגורטים יכילו את שתי התרביות הללו לפחות, אך מותר להוסיף גם תרביות אחרות כתרביות פרוביוטיות. ביוגורט הפרוביוטי מוסיפים לתרבית גם סוגים נוספים של חיידקים, כגון לקטובצילוס אסידופילוס. החיידקים המייצרים חומצת חלב מורידים את ה-pH וגורמים להתקרשות חלבון החלב-הקזאין. בו זמנית החיידקים מייצרים תרכובות המעניקות ליוגורט את הטעם והריח הייחודי של היוגורט ונמנעת התרבות החיידקים הפתוגניים.

נשימה אל אווירנית והשפעתה על גוף האדם

שרירי השלד 
במהלך שנות ה-90 נעשה מאמץ להבין את מקור תחושת הצריבה, הכאב וההתכווצויות של שרירים שהתרחשו בעקבות פעילות גופנית מוגברת. ההשערה היא כי מחסור בחמצן בתאי השריר מביא למעבר מנשימה-תאית לתסיסה לקטית. החומצה לקטית שנוצרת כתוצר לוואי של תסיסת הפירובט בתהליך הגליקוליזה, מצטברת בשרירים מורידה את ה-pH וגורמת לתחושת צריבה והתכווצויות. מחקר משנת 2006 הראה היווצרות החומצה הלקטית אינה הגורם העיקרי להתכווצויות שרירים, וייתכן שהתכווצויות נובעות מחוסר יוני אשלגן בשרירים והצטברות של חומרי פסולת כגון פוספטים במיטוכונדריה ונזקים המוגדרים כנזקי מיקרו בשרירים עקב פעילות יתר מאומצת. התסיסה הלקטית חשובה לפיזיולוגיה של תאי השריר. כאשר תאי שריר עוברים פעילות אינטנסיבית כגון ספרינט, הם זקוקים לאנרגיה מידית. השריר ינצל את כמות ה-ATP המועטה המאוחסנת בתאי השריר על מנת לבצע את הפעילות המאמצת המהירה של מספר שניות. בשלב זה תאי השריר, בהיותם בסביבה אנאירובית יבחרו בתהליך של הפקת אנרגיה על ידי תסיסה לקטית. במצב זה, תאי השריר מסוגלים יהיו לחדש את מאגר ה-NAD+ להמשך בתהליך של גליקוליזה גם בתנאים של פעילות מאומצת.

חמצת לקטית 
פעילות גופנית אינטנסיבית ומהירה המחייבת גיוס מקורות אנרגיה מידי עלולה לתסמונת חומציות יתר בדם. כאשר נידרש גיוס אנרגתי מהיר השרירים אינם יכולים לספק את כמות ה-ATP מהתהתיך האווירני בלבד אלאחייבים לגייס גם את התהליך האל-אווירני שהוא קצר יותר ומאפשר גיוס מולקולות ATP מהיר יותר. כתוצאה מכך נוצרת חומצה לקטית בכמות גדולה בשרירים המאומצים. החומצה הלקטית חודרת במהירות לזרם הדם ועלולה לגרום לתסמונת החמצת הלקטית. פעילות פיזית עצימה ללא התחשבות במצבו הפיזי של האדם אינה הסיבה היחידה לתסמונת החמצת הלקטית ידוע כי התסמונת נגרמת ברובה מליקויים גנטיים ותרופות מסוימות הגורמים לנשימה אל אווירנית (גליקוליזה) ולכן הטיפול תסמונת חייב להינתן בהתאם לפרוגנוזה של המטופל.

הפלורה הנרתיקית 
הפלורה של נרתיק האישה  מכילה מינים שונים של חיידקי חומצת החלב Lactobacilli spp. חיידקים אלה מסייעים בוויסות ה-pH. כאשר יש עליה של ה-pH בנרתיק חיידקי החומצה הלקטית יפעלו כדי ליצר כמות מספקת של חומצה לקטית ועל ידי כך להוריד את ה-pH לרמה חומצית יותר. pH 4 נחשב לערך הרצוי באופן טבעי בנרתיק. חיידקים המייצרים חומצה לקטית פועלים גם כמגן מפני חיידקים פתוגנים הגורמים לוגינוזיס חיידקי ודלקות שונות אחרות על ידי חיידקים, פטריות וחד-תאיים:

Trichomonas vaginalis, G. vaginalis, P. bivia E. coli. מספר חיידקים מקבוצת הלקטובצילים המצויים בפלורה הנרתיקית מייצרים מי-חמצן ותרכובות אנטיבקטריאליות המכונים בקטריוצינים :: L. jensenii ו-L.vaginalis

ראו גם 
 גליקוליזה
 גליקוגנזיס 
 מעגל קרבס
 מעגל קורי
 אפיגנטיקה
 פרוביוטיקה

הערות שוליים

ביוכימיה
מסלולים מטבוליים