Laktat: Eine Übersicht (Teil 1)

Jeder, der in seinem Leben irgendwann mal eine Hantel angeguckt oder seine Laufschuhe geschnürt hat, weiß um Laktat. Oder Milchsäure. Oder wenigstens irgendwas in der Richtung. Auf jeden Fall aber, dass es sich um Substanzen handelt, die man lieber nicht im Körper haben möchte, die dort verdorbene und sinistre Dinge veranstalten und deshalb so schnell wie möglich wieder aus dem System entfernt werden sollten. Ich kann gar nicht zählen, wie oft wir damals im Rudertraining am Ende der eigentlichen Belastungseinheiten noch "lockeres Ausfahren" praktiziert haben, um ja das letzte Fitzelchen Laktat zu eliminieren. (Mir persönlich hätte lockeres Ausfahren generell als Training gereicht, aber so geht‘s im Leben.) Seit einigen Jahren allerdings deutet sehr viel darauf hin, dass wir radikal umdenken müssen. Denn physiologische Bedeutung und Funktion des Laktats sind offensichtlich jahrzehntelang missgedeutet und falsch verstanden worden (ich nehme mich da selber nicht aus).

Die Ausgangslage

Wie bei den meisten wissenschaftlichen Themen und insbesondere in der Medizin, wird die Sache leider umso komplexer und widersprüchlicher, je tiefer man sich in die Materie einarbeitet. Obwohl man ja eigentlich das Gegenteil erwarten sollte. (Das ist ein Fehler in der Matrix, der von den Maschinenwesen noch nicht behoben wurde.) Oberflächlich jedenfalls erscheint alles relativ simpel:

 

1. Wir absolvieren eine hochintensive Belastung, die mehr Sauerstoff erfordert, als wir aufnehmen können.
2. Aufgrund dieses relativen Sauerstoffmangels wird das im Zuge der Glykolyse entstehende Pyruvat nicht im Rahmen der Atmungskette verstoffwechselt, sondern stattdessen in Milchsäure umgewandelt.
3. Die Milchsäure kann nicht weiter abgebaut werden, häuft sich an und sorgt für eine Azidose des zellulären Milieus, sodass grundlegende physiologische Prozesse zum Erliegen kommen.
4. Aufgrund dessen müssen wir die Belastung abbrechen.

So ziemlich der einzige Punkt aus dieser Liste, der nicht widerlegt ist oder aktuell diskutiert wird, ist die Tatsache, dass wir letzten Endes Laktat bilden. Immerhin da besteht Konsens. Alles andere ist zum Teil seit Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Debatten oder hat sich als falsch herausgestellt. Dröseln wir das Ganze mal der Reihe nach auf.

Energiebereitstellungssysteme

Oberstes Ziel unseres Körpers ist die Herstellung von ATP. Dazu hat er mehrere Möglichkeiten: Einmal die aerobe Energiegewinnung und einmal die anaerobe (hier unterscheiden wir noch zwischen der laktaziden und der alaktaziden, letztere spielt für uns momentan allerdings keine Rolle). In beiden Systemen kommt der Glykolyse eine zentrale Bedeutung zu, also dem Abbau von Glukose zu Pyruvat. Die einzelnen Schritte sollen uns hier nicht weiter interessieren, lediglich der vorletzt und der letzte sind für das Thema von Bedeutung.

 

Im vorletzten Schritt entsteht aus dem Phosphoenolpyruvat zunächst das Pyruvat. Steht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, wird es im weiteren Verlauf in den Zitratzyklus eingeschleust und schließlich zu ATP, Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) verstoffwechselt. Das ATP verbraucht der Körper z.B. für Muskelaktivität oder er speichert es, das Kohlendioxid atmen wir ab und das Wasser behalten wir für sinnvolle Unternehmungen oder pinkeln es aus. Das wäre die aerobe Energiegewinnung, die bei eher niedrigintensiven Belastungen erfolgt.

 

Ist die Belastung dagegen sehr hoch, kann es sein, dass der Sauerstoffbedarf das verfügbare Angebot übersteigt und wir in eine Sauerstoffschuld abrutschen. Das heißt, zumindest ein Teil der Energiegewinnung muss ohne Sauerstoff ablaufen. Wir sprechen dann von anaerober Glykolyse (was fachlich auch wieder nicht ganz korrekt ist, da im Zuge der Glykolyse selber gar kein Sauerstoff benötigt wird). Anders als bei der aeroben Glykolyse schlägt der Körper hier einen anderen Weg ein: Anstatt das Pyruvat an den Zitratzyklus weiterzureichen, wandelt er es in Laktat um. Fertig.

 

Der Sauerstoffmangel

Und da geht‘s schon los. Die Essenz der vorhergehenden drei Absätze können wir mal so stehen lassen. Es gibt allerdings einen Punkt, der revidiert werden muss: Nämlich die Theorie, dass Laktat erst während anaerober Belastungen gebildet wird. Wenn wir über die Lungen also nicht mehr ausreichend Sauerstoff aufnehmen können, um den Bedarf zu decken. Zum Beispiel bei einem 800-Meter- oder 3000-Meter-Lauf, sehr hohen Belastungen über einen kurzen bis mittleren Zeitraum.

 

Das ist kreuzfalsch, wie Experimente gezeigt haben. Demnach stellt der Körper bereits Laktat her, wenn Du nur bei Tinder nach rechts oder links wischst. Genauer: Schon ab etwa 10 Prozent der maximal willkürlichen Muskelkontraktion (Maximum Voluntary Contraction = MVC) beginnt der Laktatspiegel deutlich anzusteigen, wie Messungen ergeben haben. Angenommen, Du schaffst maximal 180 kg an der Beinpresse, dann würdest Du bereits bei 18 kg Belastung vermehrt Laktat anhäufen. In einem Intensitätsbereich, der aus Sicht des respiratorischen Systems ein Witz ist und in dem die Energiebereitstellung problemlos und vollständig aerob ablaufen kann. Warum macht der Körper das? Vermutlich, um die zelleigenen Glykogenvorräte zu schonen und einer eventuell weiter ansteigenden Belastung vorzubauen. Ein Großteil des anfallenden Laktats wird dabei von Muskeln, Herz und Gehirn wegschnabuliert, der Rest in der Leber für die Neubildung von Glukose aufgewendet (Glukoneogenese).

 

Tatsächlich muss man davon ausgehen, dass der Endpunkt der Glykolyse nicht Pyruvat ist, sondern Laktat. Auch da hat man sich mal die Verteilung angeschaut und herausgefunden, dass bei vollständig aerober Belastung etwa zehnmal mehr Laktat im Blut vorhanden ist (ca. 1,0 mmol) als Pyruvat (ca. 0,1 mmol). Steigt die Belastungsintensität über 65 Prozent der VO2max, steigt auch der Laktatpegel zunehmend rapide an und kann die Pyruvatkonzentration um das 500-fache übersteigen. Sauerstoffmangel ist also mit Sicherheit ein Faktor, der zu einer vemehrten Laktatproduktion beiträgt, aber nicht der allein entscheidende.

Milchsäure und Laktat

 

Kommen wir mal kurz zu der Begrifflichkeit. Die erste Regel lautet: Du verlierst kein Wort über den Fight Club! Die zweite Regel lautet: Laktat ist nicht Milchsäure. Die Begriffe werden meist synonym verwendet, was chemisch aber nicht korrekt ist. Laktat ist das Salz (oder Anion) der Milchsäure und beide Stoffe unterscheiden sich in Bezug auf eine Kleinigkeit: Die Milchsäure besitzt ein Wasserstoff-Ion [H+] mehr als das Laktat. Klingt jetzt nicht üppig, macht aber durchaus einen Unterschied.

 

Milchsäure nämlich würde sich – wie jede andere Säure auch – in Verbindung mit Wasser in zwei Teile spalten. Zum einen das erwähnte positiv geladene Wasserstoff-Ion (ein sogenantes Proton), sowie einen negativ geladenen Säurerest (in unserem Fall das Laktat). Man sagt, die Säure dissoziiert. Problematisch ist in einem solchen Fall das freigesetzte Proton, denn eine Anhäufung davon führt letztlich zu einer Absenkung des pH-Wertes, also einer Übersäuerung (Azidose). Die wir nicht haben wollen. Soweit alles klar?

 

Die Theorie einer muskulären Übersäuerung fußt nun auf der Annahme, dass im Verlauf der anaeroben Glykolyse vermehrt Pyruvat in Milchsäure umgewandelt wird, diese anschließend im wässrigen Milieu des Körpers dissoziiert (also [H+]-Ionen freisetzt), was a) Laktat und b) eine amtliche Azidose entstehen lässt. Kurz gesagt:

 

Pyruvat → Milchsäure → Laktat + [H+] → SAUER!

Es gibt dabei allerdings ein fundamentales Problem: Bei der Umwandlung von Pyruvat entsteht nämlich gar keine Milchsäure. Mon dieu, wie kann das sein? Anfangs hatte ich erwähnt, dass die Milchsäure ein Wasserstoffatom mehr besitzt als das Laktat. Kann das den Unterschied machen? Ja, kann es. Um nämlich Pyruvat zu Milchsäure zu verarbeiten, müssten drei Wasserstoffteilchen auf das Pyruvat übertragen werden. Wie man in jeder Darstellung der anaeroben Glykolyse sehen kann, sind es aber nur zwei:

 

Pyruvat + NADH+[H+] → Laktat + NAD+

 

Bzw. in Summenformel:

 

CH3–CO–COO- + 2H → CH3–HCOH–COO-

 

Es entsteht also lediglich Laktat. Das aber gibt im Gegensatz zur Milchsäure kein weiteres Proton mehr ab, es ist mit der Gesamtsituation nämlich ganz zufrieden und möchte seine strukturelle Konstellation gerne beibehalten. Es handelt sich ja schon um die reduzierte Version. Mehr noch: Es gibt nicht nur kein Proton ab, es nimmt vorher – in Form des Pyruvats – sogar noch welche auf. Das heißt, es arbeitet einer Azidose aktiv entgegen, indem es Protonen einsammelt.

 

Und es gibt noch einen anderen Grund: Die sogenannte Säurekonstante Ks bzw. den pKs-Wert (oder auch pKa-Wert). Wie hängen beide zusammen? Für die simplen Gemüter, die keine Ahnung von Chemie haben: Der pKs-Wert stellt ganz einfach den negativen dekadischen Logarithmus der Säurekonstante dar. Muss ich nix weiter zu sagen, glaube ich.

 

Na ja, doch. Der pKs-Wert sagt etwas über die Stärke einer Säure aus. Man könnte auch sagen, er beschreibt deren Halbwertszeit (mal laienhaft interpretiert). Ganz konkret gibt er an, bei welchem pH-Wert die Säure genau zur Hälfte dissoziiert ist, also 50 Prozent ihrer Bestandteile in ursprünglicher Form vorliegen (hier: als vollständiges Milchsäuremolekül) und 50 Prozent in unserem Beispiel in Laktat und [H+] zerfallen sind. Der pKs-Wert von Milchsäure liegt bei etwa 3,85. Je geringer der pH-Wert sinkt, desto weniger dissoziiert die Säure, je weiter er ansteigt, desto mehr. Klar?

 

Mit dem entsprechenden Wissen ausgerüstet kann man jetzt ziemlich einfach ausrechnen, ab welchem pH-Wert Milchsäure vollständig dissoziiert, also zu 100 Prozent in Laktat und [H+] zerfällt. (Ich kann das nicht, habe mir aber das Ergebnis diktieren lassen.) Das passiert bei einem pH-Wert von etwa 6,0. Nun liegt der pH-Wert des gesunden Körpers bei 7,4 und damit sehr viel höher. Das heißt, wenn Milchsäure schon bei einem Wert von 6 vollständig dissoziiert – dann tut sie das bei 7,4 erst recht.

 

Um ein anderes Bild zu nutzen: Angenommen, es hat in der Nacht geschneit und am nächsten Morgen steigen die Temperaturen an. Dann bleibt der Schnee vielleicht noch ein paar Stunden liegen, weil es dauert, bis er vollständig geschmolzen ist. Sind es um 10 Uhr morgens 3,85 Grad Celsius, ist bereits die Hälfte weggeschmolzen und Du kriegst mit Mühe und Not noch einen Schneeball zusammengepappt, um ihn Deinem Nachbarn auf den Zinken zu pfeffern. Sind es um 10 Uhr dagegen schon 6 Grad, hast Du keine Chance mehr auf einen Schneeball. Und bei 7,4 Grad erst recht nicht. Ist klar, worauf ich hinauswill?
Es besteht überhaupt keine Möglichkeit, dass irgendwo in unseren Zellen vollständige Milchsäuremoleküle herumschwimmen, weil sie im körpereigenen pH-Milieu augenblicklich zerfallen. Wie ein Vampir im Solarium.

 

Dann ist doch alles klar, oder?

 

Nee, leider nicht. Nur weil man das Ganze so schön darlegen kann, heißt das nicht, dass die Wissenschaft sich in dieser Frage einig wäre. Im Gegenteil: Genau darüber wird sich nach Herzenslust gestritten. Und beide Seiten haben eingermaßen vernünftige Argumente zur Hand, soweit ich das beurteilen kann. Denn es ist leider nicht so, dass man die [H+] mal eben in einem Sieb einfangen und per Hand zählen könnte. Es bedarf, soweit ich das sehe, recht komplexer Berechnungsmodelle und Messmethoden, aus denen man indirekt herauslesen kann, wieviele Teilchen sich wann und wo tummeln. Aber nicht unbedingt, woher sie stammen. Das ist in diesem Fall nämlich ein interessantes Rätsel. Nicht so sehr, weil keiner eine Idee dazu hat, sondern im Gegenteil, weil es sehr viele Ideen dazu gibt, aber keine letztlich bewiesen ist. 

 

Auftritt: MCT. Um das Laktat je nach Bedarf in Zellen hinein oder aus ihnen heraus zu transportieren, sind spezielle Moleküle erforderlich. Diese werden als Monocarboxyl-Transporter (MCT) bezeichnet und sind, grob gesprochen, nichts anderes als ein Bus durch die Zellmembran. Allerdings ein spezieller. Denn der MCT ist nicht nur ein Transporter, sondern gleichzeitig auch ein Symporter, was sich ein bisschen nach Star Trek anhört ("Captain, die Symporter sind ausgefallen!"). In der Realität ist das weit weniger aufregend: Der Begriff beschreibt lediglich die Tatsache, dass ein MCT immer zwei Teilchen gleichzeitig herumchauffiert.

 

In unserem Fall heißt das: Er transportiert immer ein Laktat-Molekül mit – Überraschung! – einem [H+] gemeinsam durch die Zellmembran. Rein rechnerisch ergäbe sich daraus wieder ein Milchsäuremolekül. Und tatsächlich stimmt die Anzahl der Laktat-Moleküle mit der Anzahl der [H+] überein. Scheinbar haben also beide irgendwo denselben Ursprung genommen und gehören irgendwie zusammen, sonst gäbe es ja nicht gleich viele davon. Aber eben nur scheinbar. Denn weiter oben haben wir ja gesehen, dass im Zuge der anaeroben Glykolyse rein rechnerisch gar keine Milchsäure entsteht. Tatsächlich weiß niemand genau, woher die Protonen stammen, die im Zuge einer Muskelkontraktion produziert werden. Sie sind einfach da, ähnlich wie dieser eine Idiot auf Hauspartys, den zwar niemand eingeladen hat, der aber trotzdem das ganze Buffet leerfrisst. (Aber den kann man wenigstens rausschmeißen.) Und genau wie bei dem Idioten haben mehrere Leute unterschiedliche Theorien dazu, wo und wie die Protonen entstehen. Aber letztlich steht Aussage gegen Aussage.

Was wissen wir also?

 

Wir wissen mit Sicherheit, dass Laktat gebildet wird und dass es keineswegs ein Abfallprodukt darstellt, sondern einen emiment wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leistet. Außerdem wissen wir, dass Laktat nicht erst entsteht, wenn wir eine Sauersstoffschuld eingehen (es also im Prinzip schon zu spät ist), sondern bereits bei sehr niedrigen Belastungen. Vermutlich, um die Glykogenvorräte des Körpers zu schonen.

Wir wissen dagegen derzeit nicht, ob tatsächlich Milchsäure oder nur Laktat im Körper anfällt. Und ob die bei intensiven Belastungen auftretende Azidose eine Laktatazidose ist oder eine metabolische Azidose, deren Ursachen wenigstens zum Teil irgendwo anders liegen.

 

Über die Auswirkungen dieser Azidose werde ich im zweiten Teil was schreiben, damit dieser Text nicht zu lang wird. Außerdem war ich faul und habe ihn noch nicht fertig. 

 

Literatur

 

Bendahan, D., Chatel, B., Jue, T. (2017) Comparative NMR and NIRS analysis of oxygen-dependent metabolism in exercising finger flexor muscles. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. doi:10.1152/ajpregu.00203.2017

 

Comments on Point:Counterpoint: Lactic acid is/is not the only physicochemical contributor to the acidosis of exercise. J Appl Physiol.

doi:10.1152/japplphysiol.zdg-8016-pcpcomm.2008

 

Brooks, G.A. (2018) The Science and Translation of Lactate Shuttle Theory.

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Lamb, G.D., Stephenson, D. G., Bangsbo, J., Juel, C. (2008) Point:Counterpoint: Lactic acid accumulation is an advantage/disadvantage during muscle activity.

Journal of Applied Physiology. doi:10.1152/japplphysiol.00023.2006

 

Robergs, R. A. (2001) Exercise-Induced Metabolic Acidosis: Where do the Protons come from? Sportscience 5(2), sportsci.org/jour/0102/rar.htm

 

Roosterman, D., Meyerhof, W., Cottrell, G. S. (2018) Proton Transport Chains in Glucose Metabolism: Mind the Proton. Front Neurosci.

doi: 10.3389/fnins.2018.00404