תסיסה הומולקטית

תסיסה הומולקטית היא תהליך שבו מופקת אנרגיה תוך-תאית מפירוק של סוכרים בעלי שישה פחמנים לחומצה לקטית. התסיסה מתבצעת על ידי חיידקים מקבוצות שונות ועל ידי תאים של בעלי-חיים, כגון תאי השריר. זהו תהליך אנזימטי אל-אווירני.

בתסיסה הומולקטית נוצרים לקטט ו-ATP בלבד, בעוד שבתסיסה הטרולקטית ישנם תוצרים נוספים, כגון אתנול ופחמן דו-חמצני.

לתסיסה הומולקטית יישומים רבים בתחום המזון, כגון ייצור יוגורט, החמצת ירקות ומזונות אחרים ושימור.  התסיסה ההומולקטית בתעשיית המזון מבוצעת על ידי סטארטר של תסיסה.

ממוזער|תיאור סכמתי של תהליך התסיסה ההומולקטית. הפיכת החומצה הפירובית לחומצה לקטית

 תהליך התסיסה 
התסיסה מזורזת על ידי האנזים לקטט 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 של 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 דיפוזיה 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 .

 תהליכים ביוכימיים בתסיסה הומולקטית והטרולקטית 
 חיידקים הומופרמנטטיביים ממירים גלוקוז לשתי מולקולות של לקטט כדי ליצור שתי מולקולות של ATP:
ממוזער|צילום במיקרוסקופ אלקטרוני של חיידק הומופרמנטטיבי Lactobacillus acidophilus
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

,Lactobacillus acidophilus. 

 חיידקים הטרופרמנטטיביים ממירים גלוקוזה ללקטט ו-ATP בכמות פחותה בהשוואה לתהליך ההומופרמנטטיבי, אך מייצרים מספר תוצרי קצה אחרים.
ממוזער|סכמה של מסלול התסיסה של Bifidobacterium bifidum
glucose + ADP + Pi → lactate + ethanol + CO2 + ATP

בתהליך זה חל זירחון של מולקולה אחת של ADP
ממוזער|צילום במיקרוסקופ אלקטרונים של החיידק ההומופרמנטטיבי Lactococcus lactis
כגון, מסלולי התסיסה של: , ו- 
 מסלול ביפידום  משתמש במסלול תסיסה לקטית שמייצר יותר ATP בהשוואה לתסיסה 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-Enterobacteriaceae , והם נבדלים זה מזה מבחינה ביוכימית וגנטית. זנים אלה אינם משמשים את תעשיית המזון בגלל שהם מפרקי חלבונים ויוצרים אמינים נדיפים בעלי ריח רע.

 היסטוריה 
על אף שהבנת התהליך הכימי שבבסיס התסיסה הלקטית החלה רק במאה ה-19, בני אדם השתמשו בתהליך זה לייצור מזון במשך אלפי שנים, ככל הנראה החל מהמהפכה הנאוליתית. 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 בייצור גבינה. ישנה השערה לפיה לצריכת חומצה לקטית בחברות חקלאיות מוקדמות היה תפקיד בהגברת הפריון של נשים, ויתרון זה איפשר לחברות אלה להתחרות בחברות הציידים-לקטים.

במהלך המאה ה-19 התפתחה ההבנה של תחום הכימיה האורגנית, ובתוך כך התפתחה הבנה של תהליכים הקשורים בתסיסה. הכימאי הצרפתי ג'וזף לואי גיי-לוסאק ותלמידו יוסטוס פון ליביג תיארו את המבנה הכימי של מולקולת חומצת החלב. בנוסף, הם 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 לגבי בעיות תסיסה מסוימות. הוא גילה שבמזקקה זו מתרחשות שתי תסיסות – תסיסה של חומצת חלב ותסיסה אלכוהולית – שנעשות על ידי מיקרואורגניזמים. פסטר לא תיאר את כל פרטי התהליך, אך הוא גילה את המנגנון העיקרי של אופן פעולת התסיסה של חומצת החלב המיקרוביאלית. הוא היה הראשון שתיאר את התסיסה כ"צורת חיים ללא אוויר".

 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 מאוד 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 סטארטר של תסיסה ניתנים לרכישה באופן מסחרי. שימוש בסטארטר 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 הלקטית שנוצרת כתוצר לוואי של תסיסת הפירובט בתהליך הגליקוליזה, מצטברת בשרירים מורידה את ה-pH וגורמת לתחושת צריבה והתכווצויות. מחקר משנת 2006 הראה שהיווצרות החומצה הלקטית אינה הגורם העיקרי להתכווצויות השרירים, וייתכן שהתכווצויות נובעות מחוסר יוני אשלגן בשרירים, הצטברות 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 להוביל לתסמונת חומציות יתר בדם . כאשר נידרש גיוס אנרגתי מהיר השרירים אינם יכולים לספק את כמות ה-ATP מהתהתיך האווירני בלבד, אלא חייבים 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) ומלווים בבחילות, הקראות וחולשה כללית ולכן הטיפול בתסמונת 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, שמרים, וחד-תאיים: Trichomonas vaginalis, G. vaginalis, P. bivia ,E. coli. מספר חיידקים מקבוצת הלקטובצילים המצויים בפלורה הנרתיקית מייצרים מי-חמצן ותרכובות אנטיבקטריאליות טבעיות המכונים בקטריוצינים : L. jensenii ו-L.vaginalis

 ראו גם 
 גליקוליזה
 גליקוגנזיס 
 מעגל קרבס
 מעגל קורי
 אפיגנטיקה
 פרוביוטיקה

הערות שוליים

קטגוריה:ביוכימיה
קטגוריה:מסלולים מטבוליים