从科学史视角探讨乳酸的认知演变
摘要：传统观点认为，乳酸是细胞在缺氧条件下的代谢产物。然而，乳酸的产生机制并非仅限于缺氧条件，其在氧气充足条件下也能产生。除“异生为葡萄糖”以外，乳酸还具有其他重要的生理功能。这一错误认知导致许多教师对细胞“缺氧条件”的理解存在一定的误区。本文简要梳理了乳酸与氧气之间的关系以及乳酸的功能，以期为生物学教师更全面地了解乳酸提供有效指导。
关键词：乳酸；无氧呼吸；氧化供能；功能
文章编号：1003-7586（2024）07-0059-03中图分类号：G633.91文献标识码：B
人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称“教材”）新增了“肌细胞无氧呼吸产生的乳酸，能在肝脏中再次转化为葡萄糖”这一对乳酸的描述，但教材仍保留了“提倡慢跑等有氧运动的原因之一是：有氧运动能避免肌细胞因供氧不足进行无氧呼吸产生大量乳酸。乳酸的大量积累会使肌肉酸胀乏力”的说法。这一观点的保留，使得中学生以及多数生物学教师误认为乳酸是细胞无氧条件下的一种代谢产物。
然而随着深入研究，人们发现乳酸的产生和细胞缺氧并没有直接关系。本文将通过整理相关文献对乳酸的产生条件及其功能进行简单介绍。
1乳酸与缺氧的认识概述
1808年，瑞典化学家贝采利乌斯（Berzelius）首次在动物肌肉中发现乳酸的存在。此后百年，关于运动与乳酸代谢之间的研究停滞不前。直至19世纪，巴期德（L.Pasteur）通过研究得到“乳酸是由于细胞缺氧而形成的”这一观点。1907年弗莱彻（Fletcher）通过研究发现，青蛙腓肠肌在受到刺激时收缩并产生乳酸积累和疲劳现象；而置于富氧环境中时，乳酸消失。20世纪初，动物生理学家极大地推动了乳酸代谢和肌肉能量学相关问题的研究发展。英国生理学家希尔（A.V.Hill）及其同事结合肌肉生物化学和人体新陈代谢相关原理，于1923年首次提出“氧债”的概念（即从停止运动到恢复正常状态所消耗的氧气总量）。该研究同时提出：在运动开始阶段和最大运动强度阶段，肌肉细胞内存在着氧气供给不足的情况。此后，科学家一直采用巴斯德效应—氧债模型来解释糖酵解相关的代谢相关问题，“氧债模型”也随之发展成为国内外教材中的经典模型，使“由于缺氧而产生乳酸”成为生物学界难以撼动的观念。
2对乳酸与氧气之间关系的重新认识
20世纪50年代，威廉姆斯（ChanceWilliams）证明，当机体因超负荷运动导致肌肉组织产生乳酸时，肌肉细胞的线粒体并没有出现缺氧的情况，即使处于接近最大摄氧量的运动强度中，氧分压依然远远高于线粒体临界氧分压。［1］1966年，斯坦斯比（Stainsby）等人发现在休息期间，狗的骨骼肌充满血液并持续释放乳酸。当肌肉开始收缩时，乳酸的释放量增加。而随着收缩的持续和耗氧量的增加，肌肉会吸收乳酸并将其转化利用。之后，斯坦利（Stanley）和贝挌曼（Bergman）分别在人体骨骼肌内也发现了类似的乳酸释放—摄取现象。［2］
随后，约伯斯（Jbsis）在研究线粒体内还原态辅酶Ⅰ（NADH）的氧化还原状态时，发现肌肉在血红蛋白充分氧合状态下也会产生乳酸。同时，肌肉组织中乳酸水平的升高还伴随着线粒体内NADH浓度的下降，证明呼吸链中的氧化磷酸化过程充分，线粒体内不存在缺氧状态。［3］
理查森（Richardson）及其同事发现，随着人体运动强度的提高，在一定比例的氧浓度条件下，肌肉中乳酸的释放与肌肉细胞内氧浓度无关，但是在缺氧情况下，乳酸的释放量会更多。［4］
2006年，王凤阳等通过测量运动前和乳酸阈强度下人和大鼠的静脉血氧分压和乳酸含量，发现在吸氧和不吸氧两种实验条件下，静脉血氧分压和乳酸含量均没有相关性。其研究结果证实，机体从有氧到无氧代谢的转变过程中，也并未出现缺氧的状况。
基于上述相关研究结果，有学者提出：在有氧条件下，肌肉细胞也可以产生乳酸，并且随着耗氧量的变化转而摄取乳酸加以利用，以满足代谢的需求。
3细胞在有氧条件下产生乳酸的原因
丙酮酸和乳酸在乳酸脱氢酶（LDH）的催化下存在着如下可逆反应关系：
丙酮酸LDH乳酸细胞质基质中含有丰富的LDH，可催化丙酮酸转化成乳酸，该反应的化学平衡点极端偏向于乳酸的生成。［5］在哺乳动物细胞发生糖酵解的过程中，血氧含量过低时，3-磷酸甘油醛脱氢反应（产生NADH）速率超过线粒体氧化磷酸化产生NAD＋的反应速率，细胞必须通过LDH将NADH氧化为NAD＋，同时将丙酮酸还原为乳酸，以维持细胞内NADH／NAD＋的平衡，从而保证糖酵解过程的持续进行及能量的供应。［6］此外，即使处于氧气充足的条件下，该现象也会出现在中等强度收缩的骨骼肌细胞或者代谢活跃的星形胶质细胞中，此时细胞质基质中过量的丙酮酸将还原为乳酸，并沿浓度梯度从细胞内扩散至细胞外。由此可见，当细胞产生乳