Afscheid van melkzuur (deel 1)

Transcriptie

1 FYSIOLOGIE Volgens een lange traditie wordt spiervermoeidheid geweten aan de vorming van melkzuur. Sinds enkele jaren is deze theorie aan het wankelen. In dit eerste van drie artikelen wordt een overzicht gegeven van nieuwe inzichten in de relatie tussen energiestofwisseling en vermoeidheid en wordt gekeken wordt naar de consequenties daarvan. Afscheid van melkzuur (deel 1) Wim Burgerhout Vraag aan een sporter: hoe komt het dat je van zware inspanning snel moe wordt? Grote kans dat je het antwoord krijgt: dat komt door de verzuring. Of wat meer in detail: dat komt door de ophoping van melkzuur in je spieren. Maar wie op Internet gaat rondspeuren met verzuring en vermoeidheid als trefwoorden, zal merken dat deze opvatting ter discussie staat. Zo zet de website van het bedrijf wieleradvies.com 1 een viertal misvattingen rond melkzuur op een rij, waaronder de opvatting dat lactaat (de zuurrest van melkzuur, zie verderop in dit artikel) vermoeidheid zou veroorzaken. Ook is op Internet een artikel te vinden van Henk Leenaers 2, dat al in 2004 in NRC- Handelsblad stond en waarin wordt betoogd dat een zekere mate van verzuring (ph-daling) in het lichaam eerder gunstig dan ongunstig is voor het prestatievermogen. Dit op grond van wetenschappelijk onderzoek. Andere auteurs houden echter vast aan de traditionele opvatting. Bijvoorbeeld Tjaart Kloosterboer 3, die in de 4e druk (2007) van zijn leerboek Elementaire trainingsleer en trainingsmethoden nog onomwonden stelt: melkzuur verstoort alle energieleverende processen. Deze opvatting komt terug in zijn beschouwingen over het omslagpunt (de anaërobe drempel) en het trainen van de anaërobe capaciteit. Een goede reden om uit te zoeken hoe dit nu eigenlijk zit. Want als vermoeidheid niet door verzuring wordt veroorzaakt, waardoor dan wel? En welke consequenties hebben de nieuwe opvattingen, mochten zij juist zijn, voor de sporter? Eigen ervaring Mijn eigen confrontatie met het verzuringsprobleem dateert van ruim drie jaar geleden. Als docent Fysiologie aan de Hogeschool Utrecht, afdeling Fysiotherapie, had ik jarenlang het traditionele verhaal over verzuring aan de studenten verteld. Zo stond het in de leerboeken, en het klonk allemaal heel plausibel. Maar begin 2004 raakte ik binnen het lectoraat Leefstijl en Gezondheid betrokken bij een grootschalig onderzoek naar de fysieke conditie van politiemensen in de regio Utrecht. Na jaren stond ik weer in het laboratorium, deed maximale inspanningstesten met de fietsergometer (figuur 1) en kreeg onbewerkte resultaten van honderden proefpersonen onder ogen. Heel nuttig voor een docent, die altijd het gevaar loopt te blijven steken in de theorie. Al gauw viel het mij op, dat er weinig verband leek te bestaan tussen het moment waarop de verzuring merkbaar begon te worden (de anaërobe drempel) en de maximale inspannings- 76 Sportgericht nr. 4-5 / 2007 jaargang 61

2 capaciteit. Bij sommige proefpersonen bleek de anaerobe drempel vrijwel samen te vallen met het moment van uitputting. Anderen daarentegen bereikten de drempel al op de helft van hun maximale belasting; al verzurend fietsten zij nog lange tijd vrolijk door. Terwijl ik mij daarover zat te verbazen, verscheen in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Science een artikel met de provocerende titel: Lactic acid - the latest performanceenhancing drug 4. Melkzuur als stimulerend middel? Dat was de wereld op zijn kop. Dus eerst maar eens kijken waarop de klassieke verzuringstheorie eigenlijk berust. Waar haalden al die leerboeken hun wijsheid vandaan? Honderd jaar verzuren Melkzuur is ontdekt in 1780 door de Zweedse chemicus Wilhelm Scheele, die deze stof isoleerde uit (de naam zegt het al) zure melk. Melkzuur veroorzaakt de zure smaak van bijvoorbeeld karnemelk, yoghurt en zuurkool. Opgelost in water, dus ook in het waterige milieu van het menselijk lichaam, zijn de moleculen van deze stof voor meer dan 99% gesplitst in ionen: CH 3 CHOHCOOH (melkzuur) H + (waterstof) + CH 3 CHOHCOO - (lactaat) De termen melkzuur en lactaat worden soms door elkaar heen gebruikt, maar dat is niet correct. Lactaat is de zuurrest van melkzuur, zoals chloride (Cl - ) de zuurrest is van zoutzuur (HCl). Wanneer je keukenzout (NaCl) oplost in water, wordt deze stof gesplitst in Na + en Cl-ionen, maar de oplossing is niet zuur. Ook lactaationen kunnen voorkomen in een niet-zuur milieu. De zuurgraad (ph) van een vloeistof wordt uitsluitend bepaald door de concentratie H + - ionen. Figuur 2. Vereenvoudigd schema van de glycolyse. Figuur 1. Maximale inspanningstest op de fietsergometer in het laboratorium van het lectoraat Leefstijl en Gezondheid, Hogeschool Utrecht. Het verband tussen melkzuur en inspanning werd in 1907 gelegd door Fletcher en Hopkins. Zij deden experimenten met geïsoleerde kikkerspieren, die door middel van elektrische prikkels werden gestimuleerd tot samentrekken. In een anaëroob milieu (dus zonder toevoer van zuurstof) leidde dit tot ophoping van H + - ionen en lactaat in de spier. Het volledige mechanisme van de anaërobe verbranding van koolhydraten (de glycolyse, figuur 2) werd vervolgens in kaart gebracht door Otto Meyerhoff en Archibald Hill, die voor dit pionierswerk in 1922 de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde ontvingen. Van hen is de theorie afkomstig dat vermoeidheid het gevolg is van verzuring. Hun betoog komt neer op de volgende stappen: 1. Wanneer in de spier anaërobe verbranding plaatsvindt, stijgt de concentratie van H + -ionen en lactaationen; 2. H + en lactaat zijn samen melkzuur. De H + -ionen komen dus vrij door productie van melkzuur; 3. Door productie en afgifte van melkzuur treedt ph-daling (verzuring) op in de spier en vervolgens ook in het bloed; 4. Daling van de ph veroorzaakt structuurverandering (denaturatie) van eiwitten, waaronder enzymen, die noodzakelijk zijn voor energielevering en spiercontractie; 5. Ten gevolge van denaturatie verliezen eiwitten hun normale fysiologische functie; het vermogen tot spiercontractie neemt af; Conclusie: melkzuur is de oorzaak van spiervermoeidheid. Sportgericht nr. 4-5 / 2007 jaargang 61 77

3 Het is nu honderd jaar later en het begrip verzuring heeft een plaats in onze taal gekregen. Maar staat ook de theorie nog overeind? Sinds de dagen van Meyerhoff en Hill hebben de biochemie en de fysiologie een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Beeldvormende technieken maken het mogelijk het lot van individuele moleculen in het lichaam van mens of dier te volgen. Ook is men nu veel beter in staat de omstandigheden die in het lichaam heersen in het laboratorium na te bootsen. Dit heeft kennis opgeleverd die voor Hill en Meyerhoff nog buiten bereik was. In het licht van deze kennis zijn twee punten uit de verzuringstheorie ter discussie komen te staan. De eerste is de stelling dat in de spieren melkzuur wordt geproduceerd. De tweede, dat ph-daling onder fysiologische condities de enzymfunctie nadelig beïnvloedt. Laten wij eerst het lactaat en de H + - ionen onder de loep nemen. Anaerobe verbranding en lactaatproductie Koolhydraten, met name glucose en glycogeen, zijn naast vetten de belangrijkste energiebron van ons lichaam. In rust en bij lichte arbeid, wanneer er voldoende zuurstof voorhanden is, wordt glucose (andere koolhydraten laat ik nu even buiten beschouwing) volledig afgebroken tot koolzuurgas (CO 2 ) en water (H 2 O). Daarbij komt verbrandingswarmte (energie) vrij, die wordt vastgelegd in de vorm van adenosine-trifosfaat (ATP). Dit ATP is de universele energiedrager van ons lichaam. Alle lichaamsprocessen, van denken en voelen tot praten en blozen, hebben ATP nodig om te kunnen functioneren. De grootste ATP-slokop is echter lichamelijke inspanning. De afbraak van glucose vindt plaats in twee fasen. De eerste is de glycolyse (figuur 2), waarin elk molecule glucose stapsgewijs wordt omgezet in twee moleculen pyrodruivenzuur. Netto opbrengst van dit proces: 2 moleculen ATP per glucosemolecule. Vervolgens wordt het pyrodruivenzuur Figuur 3. Vorming van lactaat uit pyruvaat. De H s worden geleverd door opgenomen in de NADH en H+, afkomstig uit de glycolyse. De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym lactaatdehydrogenase (LDH). citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus, hier verder niet besproken), waarin de is dit onmogelijk. Hierdoor zou de afbraak wordt voltooid. Uiteindelijk beschikbare NAD + -voorraad snel levert de verbranding van een glucosemolecule 36 tot 38 moleculen ATP, andere waterstofacceptor aanbiedt in opraken, ware het niet dat zich een afhankelijk van het procesverloop. 5 de vorm van pyruvaat. Dit pyruvaat De citroenzuurcyclus levert dus de kan immers door zuurstofgebrek niet grootste hoeveelheid ATP per glucosemolecule, maar dit proces heeft een citroenzuurcyclus. Nu vindt de reactie verder worden afgebroken in de beperking: het is afhankelijk van zuurstof. Zolang de zuurstoftoevoer naar het pyruvaatmolecule wordt een dub- plaats die is afgebeeld in figuur 3. In de spieren gelijk op gaat met het energieverbruik, kan de citroenzuurcyclus stof opengeklapt, waardoor twee bele binding tussen koolstof en zuur- elk molecule pyrodruivenzuur uit de waterstofatomen kunnen worden glycolyse verwerken. Bij toenemende gebonden en lactaat wordt geproduceerd. Het NAD + komt weer vrij en de belasting zal dit, gezien de beperkte capaciteit van longen, hart en bloedvaten, steeds moeizamer gaan. De glycolyse kan doorgang vinden. citroenzuurcyclus stagneert, de aërobe En de verzuring dan? (zuurstofafhankelijke) ATP-productie Anaerobe verbranding van glucose blijft achter bij de energiebehoefte. leidt dus tot de productie van lactaat. Anders ligt het bij de glycolyse. Die Niet tot verzuring. Integendeel, uit de kan zonder zuurstofverbruik (anaëroob) functioneren. Een probleem dat bij de vorming van lactaat juist reactievergelijking van figuur 3 blijkt daarbij is het co-enzym nicotinezuuramide-adenine-dinucleotide, kortweg zuring wordt tegengegaan! H + -ionen worden gebonden: de ver- NAD +. Zoals in figuur 2 te zien is, zijn Toch is het een feit dat tijdens zware per molecule glucose twee moleculen arbeid een ph-daling optreedt in de NAD + nodig om de waterstofradicalen (H-atomen) op te vangen die tij- Waar komen deze H + -ionen vandaan? spieren en vervolgens ook in het bloed. dens de glycolyse worden afgesplitst: In een overzichtsartikel van Robergs et al. 6 wordt splitsing van ATP als de 2 NAD + + 4H 2 NADH + 2H + belangrijkste bron van verzuring aangewezen. Het gaat om de volgende Onder aerobe condities wordt de reactie: opgevangen waterstof via een aantal tussenstappen overgedragen naar ATP + H 2 O ADP (adenosine-difosfaat) + HPO - 4 (fosfaat) + H + + energie zuurstof, waarbij H 2 O ontstaat en NAD + wordt teruggevormd. Deze NAD + kan dan opnieuw waterstof Dit is een reactie die zowel naar links opnemen. Onder anaerobe condities als naar rechts kan verlopen. Terwijl 78 Sportgericht nr. 4-5 / 2007 jaargang 61

4 op de ene plaats in de spiercel ATP wordt gesplitst om de spiercontractie tot stand te brengen, wordt op andere plaatsen in dezelfde cel ATP geproduceerd door aërobe en anaërobe verbrandingsprocessen. In rust, en bij arbeid op een gelijkmatig niveau, wordt er per tijdseenheid in de spier evenveel ATP teruggevormd als er wordt afgebroken. Anders ligt het op momenten dat de belasting toeneemt, vooral wanneer dit plotseling gebeurt. De aerobe verbrandingsprocessen, en in mindere mate ook de anaerobe, hebben tijd nodig om de ATP-productie aan te passen aan de vraag (figuur 4). Om deze lacune te overbruggen beschikt de spiercel over een voorraad energierijke fosfaten, de zogenaamde fosfaatbatterij, die voor circa een kwart bestaat uit ATP. De overige driekwart bestaat uit creatinefosfaat (CP), dat snel een fosfaatgroep aan ADP kan overdragen, waardoor ATP en creatine worden gevormd. Deze fosfaatbatterij zal vooral bij snelle en hevige toename van de fysieke belasting worden aangesproken. Denk aan explosieve sporten (boksen, kogelstoten, springen, 100 m hardlopen), of aan een eind- of tussensprint bij duursport. Uit het voorafgaande kan de conclusie worden getrokken, dat het idee van melkzuurproductie tijdens inspanning berust op een denkfout. Er worden lactaat- en waterstofionen geproduceerd, maar die komen voort uit verschillende processen: lactaat uit anaerobe verbranding van koolhydraten, waterstof uit splitsing van ATP. Vergelijk het met een gerecht dat is bereid met azijn en keukenzout. Daarin zul je H + -ionen (uit azijnzuur) en Cl ionen (uit het zout) aantreffen. Wil dat zeggen dat er zoutzuur (HCl) in het eten is gedaan? Gaan ph-daling en lactaatproductie gelijk op? Wat het aanspreken van de fosfaatbuffer en anaerobe verbranding met elkaar gemeen hebben, is dat zij plaatsvinden bij plotseling toenemende belasting, of wanneer bij zware arbeid het maximale vermogen van de aërobe verbranding wordt bereikt en andere energiebronnen moeten worden aangesproken. Daardoor zullen tijdens een fysieke prestatie de daling van de ph en de stijging van de lactaatspiegel min of meer gelijk op gaan. Min of meer, maar niet helemaal. Dit heeft te maken met de snelheid waarmee de verschillende energiebronnen kunnen worden gemobiliseerd. Figuur 4 geeft de bijdrage weer van de verschillende energieleverende systemen aan het begin van lichte inspanning. Aanvankelijk komt alle energie uit de aanwezige ATP-voorraad. Na enkele seconden komt de ATP-vorming uit creatinefosfaat op gang, en binnen een halve minuut raakt de anaërobe Figuur 4.Aandeel van het aanwezige ATP en creatinefosfaat (CP), de anaërobe glycolyse en de aërobe ATP-synthese in de energielevering bij het begin van lichte inspanning verbranding geleidelijk op toeren. Pas na 2 á 3 minuten heeft de aërobe verbranding voldoende capaciteit om de benodigde energie te leveren. Dit is natuurlijk een globaal plaatje. Het werkelijke verloop zal worden beïnvloed door factoren als de zwaarte van de belasting en de mate waarin de energieleverende systemen al tevoren zijn gestimuleerd door een warmingup. Maar in het algemeen kan worden gesteld dat bij kortdurende, explosieve belasting vooral de ATP-voorraad zal worden aangesproken, terwijl het anaërobe (lactische) systeem de voornaamste energiebron is bij vormen van inspanning die 1 á 2 minuten duren. Het valt daarom te verwachten dat bij een serie korte krachtexplosies (boksen, tennis, volleybal) de ph-daling relatief sterker zal zijn dan de stijging van de lactaatspiegel. Bij 800 m hardlopen of 1500 m schaatsen zullen beide systemen maximaal worden aangesproken, omdat men alle energie zal willen geven die beschikbaar is. Hiermee is natuurlijk nog niets gezegd over de vraag, of ph-daling en stijging van de lactaatspiegel een negatief effect hebben op het prestatievermogen. Voor de ph-daling, het eigenlijke verzuren, ligt de zaak ingewikkeld en zijn sommige punten nog onduidelijk. In een volgend artikel zal ik daar nader op ingaan. Meer duidelijkheid is er over de rol van het lactaat. Lactaat kan geen kwaad Bij de meeste vormen van inspanning wordt slechts een deel van de spiermassa belast. Zo worden bij het wielrennen hoge eisen gesteld aan de beenspieren, terwijl de spieren elders in het lichaam slechts weinig arbeid hoeven te leveren. Op het moment dat de beenspieren (met name de strekkers van het bovenbeen) over- Sportgericht nr. 4-5 / 2007 jaargang 61 79

5 gaan op anaërobe verbranding, functioneren de spieren elders in het lichaam nog volledig aëroob. De zuurstofvoorziening is daar ruimschoots voldoende om de energiebehoefte te kunnen dekken. Dit maakt het voor deze spieren mogelijk om lactaat te gebruiken als brandstof. Het lactaat dat in de anaëroob werkende spieren wordt geproduceerd, komt in de bloedsomloop terecht en wordt door het hele lichaam vervoerd. De aëroob werkende spieren nemen het lactaat op uit het bloed en zetten het weer om in pyruvaat. Het pyruvaat gaat de citroenzuurcyclus in en wordt zodoende benut voor aerobe ATP-productie. 7 Ook andere organen kunnen lactaat verwerken. Met name het hart en de hersenen, die volledig op aërobe verbranding zijn aangewezen, zijn grootverbruikers. Bij zware arbeid voorziet lactaat voor 60% in de energiebehoefte van de hartspier. Het lactaat dat niet onmiddellijk als brandstof wordt benut, wordt opgenomen door de lever, die er weer glucose en glycogeen van maakt. Een nuttige energiereserve voor later. Lactaat is dus geen afvalproduct, maar een nuttige brandstof. Lactaat kan geen kwaad. Integendeel, doordat het hart en de hersenen lactaat als energiebron benutten, behoeven zij minder glucose aan het bloed te onttrekken. Deze glucose kan door de zwaar belaste spieren worden opgenomen om de anaerobe verbranding op gang te houden. Omdat de glycolyse slechts 2 moleculen ATP per glucosemolecule levert, in tegenstelling tot de 36 of 38 moleculen van de aërobe verbranding, is het glucoseverbruik van de anaëroob werkende spieren enorm. Een goede aanvoer van glucose is daarom essentieel. Recent zijn experimenten uitgevoerd, waarin het nuttig effect van lactaat werd bevestigd. Het inspuiten van lactaat in de bloedbaan van mensen, en in geïsoleerde spieren van proefdieren, blijkt een gunstig effect te hebben op het prestatievermogen. 8 Wordt de lactaatspuit in de sportwereld misschien al gehanteerd? Conclusie Het is onjuist om te spreken van melkzuurproductie tijdens zware arbeid. Wel worden lactaat- en H + -ionen geproduceerd (de bouwstenen van melkzuur), maar deze komen vrij uit verschillende processen in de spiercel die onafhankelijk van elkaar verlopen. Lactaationen zijn een product van de anaerobe verbranding van koolhydraten. H + -ionen worden gevormd bij het aanspreken van de fosfaatbatterij (ATP-splitsing). Lactaat is niet schadelijk voor het inspanningsvermogen. Integendeel, het is een nuttige brandstof voor spieren, hart en hersenen. Vervolg In het tweede artikel van deze reeks zal worden onderzocht, of er een verband bestaat tussen verzuring en vermoeidheid. Is vermoeidheid (uitputting) het gevolg van ph-daling? Zo ja, hoe werkt dat? Zo nee, waardoor ontstaat vermoeidheid dan wel? Het derde artikel zal gaan over het begrip anaërobe drempel. Wat is daarvan de fysiologische achtergrond? Op welke manieren kan men de anaërobe drempel bepalen, en welke waarde hebben de uitslagen? Referenties Kloosterboer T. (2007). Elementaire trainingsleer en trainingsmethoden. Baarn: De Vrieseborgh. 4. Allen D.G.,Westerblad H. (2004). Lactic acid the latest performance-enhancing drug. Science 305: Burgerhout W.G., Mook G.A., de Morree J.J., Zijlstra W.G. (2006). Fysiologie, leerboek voor paramedische opleidingen. Maarssen: Elsevier. 6. Robergs RA, Ghiasvand F, Parker D (2004). Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 287: Gladden L.B. (2004). Lactate metabolism: a new paradigm for the third millenium. J. Physiol : Cairns, S.P. (2006). Lactic acid and exercise performance. Sports med. 36 (4): Over de auteur Dr. Wim Burgerhout is fysioloog. Hij is verbonden aan de Hogeschool Utrecht, Faculteit Gezondheidszorg als docent aan het Instituut voor Bewegingsstudies en als onderzoeksmedewerker aan het lectoraat Leefstijl en Gezondheid. 80 Sportgericht nr. 4-5 / 2007 jaargang 61