El ácido láctico es un ácido orgánico . Tiene la fórmula molecular C 3 H 6 O 3 . Es blanco en estado sólido y es miscible con agua. [2] Cuando está en estado disuelto, forma una solución incolora. La producción incluye tanto síntesis artificial como fuentes naturales. El ácido láctico es un alfa-hidroxiácido (AHA) debido a la presencia de un grupo hidroxilo adyacente al grupo carboxilo . Se utiliza como intermedio sintético en muchas industrias de síntesis orgánica y en varias industrias bioquímicas . La base conjugada del ácido láctico se llama lactato (o anión lactato). El nombre del grupo acilo derivado es lactoilo .
En solución, puede ionizarse por pérdida de un protón para producir el ion lactato CH
3C(OH)CO3−
2En comparación con el ácido acético , su p K a es 1 unidad menor, lo que significa que el ácido láctico es diez veces más ácido que el ácido acético. Esta mayor acidez es consecuencia de la unión de hidrógeno intramolecular entre el α-hidroxilo y el grupo carboxilato.
El ácido láctico es quiral y consta de dos enantiómeros . Uno se conoce como ácido L -láctico, ácido ( S )-láctico o ácido (+)-láctico, y el otro, su imagen especular, es ácido D -láctico, ácido ( R )-láctico o ácido (−)-láctico. Una mezcla de los dos en cantidades iguales se llama ácido DL -láctico o ácido láctico racémico . El ácido láctico es higroscópico . El ácido DL -láctico es miscible con agua y con etanol por encima de su punto de fusión, que es de aproximadamente 16 a 18 °C (61 a 64 °F). El ácido D -láctico y el ácido L -láctico tienen un punto de fusión más alto. El ácido láctico producido por la fermentación de la leche a menudo es racémico, aunque ciertas especies de bacterias producen únicamente ácido D -láctico. [6] Por otro lado, el ácido láctico producido por la respiración anaeróbica en los músculos animales tiene el enantiómero ( L ) y a veces se le llama ácido "sarcoláctico", del griego sarx , que significa "carne".
En los animales, el L -lactato se produce constantemente a partir del piruvato a través de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) en un proceso de fermentación durante el metabolismo normal y el ejercicio . [7] No aumenta en concentración hasta que la tasa de producción de lactato excede la tasa de eliminación de lactato, que está gobernada por una serie de factores, incluidos los transportadores de monocarboxilato , la concentración e isoforma de LDH y la capacidad oxidativa de los tejidos. [7] La concentración de lactato en sangre suele ser de 1 a 2 mM. en reposo, pero puede aumentar a más de 20 mM durante un esfuerzo intenso y hasta 25 mM después. [8] [9] Además de otras funciones biológicas, el ácido L -láctico es el agonista endógeno primario del receptor de ácido hidroxicarboxílico 1 (HCA 1 ), que es un receptor acoplado a proteína G (GPCR) acoplado a G i/o . [10] [11]
En la industria, la fermentación del ácido láctico es realizada por bacterias del ácido láctico , que convierten carbohidratos simples como la glucosa , la sacarosa o la galactosa en ácido láctico. Estas bacterias también pueden crecer en la boca ; el ácido que producen es responsable de la caries dental conocida como caries . [12] [13] [14] [15] En medicina , el lactato es uno de los principales componentes de la solución de Ringer lactato y la solución de Hartmann . Estos líquidos intravenosos consisten en cationes de sodio y potasio junto con aniones de lactato y cloruro en solución con agua destilada , generalmente en concentraciones isotónicas con la sangre humana . Se utiliza más comúnmente para la reanimación con líquidos después de la pérdida de sangre debido a un traumatismo , una cirugía o quemaduras .
El ácido láctico se produce en los tejidos humanos cuando la demanda de oxígeno está limitada por el suministro. Esto ocurre durante la isquemia tisular cuando el flujo sanguíneo está limitado, como en el caso de la sepsis o el choque hemorrágico. También puede ocurrir cuando la demanda de oxígeno es alta, como en el caso del ejercicio intenso. La acidosis láctica produce una deuda de oxígeno que puede resolverse o compensarse cuando mejora la oxigenación tisular. [16]
El químico sueco Carl Wilhelm Scheele fue la primera persona en aislar el ácido láctico en 1780 de la leche agria . [17] El nombre refleja la forma de combinación de lactosa derivada de la palabra latina lac , que significa "leche". En 1808, Jöns Jacob Berzelius descubrió que el ácido láctico (en realidad L -lactato) también se produce en los músculos durante el esfuerzo. [18] Su estructura fue establecida por Johannes Wislicenus en 1873.
En 1856, Louis Pasteur descubrió el papel de los lactobacilos en la síntesis del ácido láctico . Esta vía fue utilizada comercialmente por la farmacia alemana Boehringer Ingelheim en 1895. [ cita requerida ]
En 2006, la producción mundial de ácido láctico alcanzó las 275.000 toneladas con un crecimiento anual medio del 10%. [19]
El ácido láctico se produce industrialmente por fermentación bacteriana de carbohidratos o por síntesis química a partir de acetaldehído . [20] A partir de 2009 [actualizar], el ácido láctico se producía predominantemente (70-90%) [21] por fermentación. La producción de ácido láctico racémico que consiste en una mezcla 1:1 de estereoisómeros D y L , o de mezclas con hasta un 99,9% de ácido L -láctico, es posible por fermentación microbiana. La producción a escala industrial de ácido D -láctico por fermentación es posible, pero mucho más desafiante. [ cita requerida ]
Los productos lácteos fermentados se obtienen industrialmente por fermentación de la leche o el suero por las bacterias Lactobacillus : Lactobacillus acidophilus , Lacticaseibacillus casei ( Lactobacillus casei ), Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ( Lactobacillus bulgaricus ), Lactobacillus helveticus , Lactococcus lactis , Bacillus amyloliquefaciens y Streptococcus salivarius subsp. thermophilus ( Streptococcus thermophilus ). [ cita requerida ]
Como materia prima para la producción industrial de ácido láctico, casi cualquier fuente de carbohidratos que contenga C5(Azúcar pentosa) y C6(Azúcar hexosa) se puede utilizar. La sacarosa pura, la glucosa del almidón, el azúcar sin refinar y el jugo de remolacha se utilizan con frecuencia. [22] Las bacterias productoras de ácido láctico se pueden dividir en dos clases: bacterias homofermentativas como Lactobacillus casei y Lactococcus lactis , que producen dos moles de lactato a partir de un mol de glucosa, y especies heterofermentativas que producen un mol de lactato a partir de un mol de glucosa, así como dióxido de carbono y ácido acético / etanol . [23]
El ácido láctico racémico se sintetiza industrialmente haciendo reaccionar acetaldehído con cianuro de hidrógeno e hidrolizando el lactonitrilo resultante . Cuando la hidrólisis se realiza con ácido clorhídrico , se forma cloruro de amonio como subproducto; la empresa japonesa Musashino es uno de los últimos grandes fabricantes de ácido láctico por esta vía. [24] La síntesis de ácidos lácticos tanto racémicos como enantiopuros también es posible a partir de otros materiales de partida ( acetato de vinilo , glicerol , etc.) mediante la aplicación de procedimientos catalíticos. [25]
El ácido L -láctico es el principal agonista endógeno del receptor 1 del ácido hidroxicarboxílico (HCA 1 ), un receptor acoplado a proteína G (GPCR) acoplado a G i/o . [10] [11]
Durante ejercicios de potencia como el sprint , cuando la tasa de demanda de energía es alta, la glucosa se descompone y se oxida a piruvato , y luego se produce lactato a partir del piruvato más rápido de lo que el cuerpo puede procesarlo, lo que hace que las concentraciones de lactato aumenten. La producción de lactato es beneficiosa para la regeneración de NAD + (el piruvato se reduce a lactato mientras que el NADH se oxida a NAD + ), que se utiliza en la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato durante la producción de piruvato a partir de glucosa, y esto asegura que se mantenga la producción de energía y el ejercicio pueda continuar. Durante el ejercicio intenso, la cadena respiratoria no puede seguir el ritmo de la cantidad de iones de hidrógeno que se unen para formar NADH, y no puede regenerar NAD + lo suficientemente rápido, por lo que el piruvato se convierte en lactato para permitir que continúe la producción de energía por glucólisis . [26]
El lactato resultante se puede utilizar de dos maneras:
El lactato se forma continuamente en reposo y durante todas las intensidades de ejercicio. El lactato sirve como combustible metabólico que se produce y se elimina oxidativamente en los músculos y otros tejidos en reposo y en ejercicio. [26] Algunas fuentes de producción excesiva de lactato son el metabolismo en los glóbulos rojos , que carecen de mitocondrias que realizan la respiración aeróbica, y las limitaciones en las tasas de actividad enzimática en las fibras musculares durante el esfuerzo intenso. [27] La acidosis láctica es una condición fisiológica caracterizada por la acumulación de lactato (especialmente L -lactato), con formación de una concentración excesivamente alta de protones [H + ] y un pH correspondientemente bajo en los tejidos, una forma de acidosis metabólica . [26]
La primera etapa en el metabolismo de la glucosa es la glucólisis , la conversión de glucosa en piruvato − y H + :
Cuando hay suficiente oxígeno para la respiración aeróbica, el piruvato se oxida a CO2 y agua mediante el ciclo de Krebs, en el que la fosforilación oxidativa genera ATP para su uso en la energía de la célula. Cuando no hay suficiente oxígeno, o cuando no hay suficiente capacidad para la oxidación del piruvato para mantener el ritmo de la rápida producción de piruvato durante un esfuerzo intenso, el piruvato se convierte en lactato ( por la lactato deshidrogenasa ), un proceso que absorbe estos protones: [28]
El efecto combinado es:
La producción de lactato a partir de glucosa ( glucosa → 2 lactato − + 2 H + ), cuando se considera de forma aislada, libera dos H + . Los H + se absorben en la producción de ATP, pero los H + se liberan posteriormente durante la hidrólisis del ATP:
Una vez que se incluye la producción y el uso de ATP, la reacción general es
El aumento de acidez resultante persiste hasta que el exceso de lactato y protones se convierten nuevamente en piruvato, y luego en glucosa para su uso posterior, o en CO2 y agua para la producción de ATP. [26]
Aunque generalmente se asume que la glucosa es la principal fuente de energía para los tejidos vivos, hay evidencia de que el lactato, en lugar de la glucosa, es metabolizado preferentemente por las neuronas en los cerebros de varias especies de mamíferos que incluyen ratones , ratas y humanos . [29] [30] [26] Según la hipótesis del transbordador de lactato , las células gliales son responsables de transformar la glucosa en lactato y de proporcionar lactato a las neuronas. [31] [32] Debido a esta actividad metabólica local de las células gliales, el líquido extracelular que rodea inmediatamente a las neuronas difiere fuertemente en composición de la sangre o el líquido cefalorraquídeo , siendo mucho más rico en lactato, como se encontró en estudios de microdiálisis . [29]
Algunas evidencias sugieren que el lactato es importante en etapas tempranas del desarrollo para el metabolismo cerebral en sujetos prenatales y postnatales tempranos, y que en estas etapas el lactato tiene concentraciones más altas en los líquidos corporales y es utilizado por el cerebro preferentemente sobre la glucosa. [29] También se planteó la hipótesis de que el lactato puede ejercer una fuerte acción sobre las redes GABAérgicas en el cerebro en desarrollo , haciéndolas más inhibidoras de lo que se suponía anteriormente, [33] actuando ya sea a través de un mejor soporte de los metabolitos, [29] o alteraciones en los niveles de pH intracelular básico , [34] [35] o ambos. [36]
Estudios de cortes cerebrales de ratones muestran que el β-hidroxibutirato , el lactato y el piruvato actúan como sustratos de energía oxidativa, causando un aumento en la fase de oxidación de NAD(P)H, que la glucosa fue insuficiente como portador de energía durante la actividad sináptica intensa y, finalmente, que el lactato puede ser un sustrato energético eficiente capaz de sostener y mejorar el metabolismo energético aeróbico cerebral in vitro . [37] El estudio "proporciona datos novedosos sobre los transitorios de fluorescencia bifásica de NAD(P)H, una respuesta fisiológica importante a la activación neuronal que se ha reproducido en muchos estudios y que se cree que se origina predominantemente a partir de cambios de concentración inducidos por la actividad en los depósitos celulares de NADH". [38]
El lactato también puede ser una fuente importante de energía para otros órganos, incluidos el corazón y el hígado. Durante la actividad física, hasta el 60% de la tasa de renovación energética del músculo cardíaco se deriva de la oxidación del lactato. [17]
Los análisis de sangre para la determinación del lactato se realizan para determinar el estado de la homeostasis ácido-base en el organismo. La extracción de sangre para este fin suele ser arterial (aunque es más difícil que la venopunción ), porque los niveles de lactato difieren sustancialmente entre la sangre arterial y la venosa, y el nivel arterial es más representativo para este fin.
Durante el parto , los niveles de lactato en el feto se pueden cuantificar mediante un análisis de sangre del cuero cabelludo fetal .
Dos moléculas de ácido láctico pueden deshidratarse para formar la lactida , que en presencia de catalizadores se polimeriza para formar polilactida atáctica o sindiotáctica (PLA), que son poliésteres biodegradables . El PLA es un ejemplo de plástico que no se deriva de productos petroquímicos .
El ácido láctico también se emplea en la tecnología farmacéutica para producir lactatos solubles en agua a partir de ingredientes activos que de otro modo serían insolubles. También se utiliza en preparaciones tópicas y cosméticos para ajustar la acidez y por sus propiedades desinfectantes y queratolíticas .
Las bacterias que contienen ácido láctico han demostrado ser prometedoras en la reducción de la oxaluria con sus propiedades desincrustantes sobre los compuestos de calcio. [41]
El ácido láctico se encuentra principalmente en productos lácteos fermentados , como el kumis , el laban , el yogur , el kéfir y algunos requesones . La caseína de la leche fermentada se coagula (cuaja) mediante el ácido láctico. El ácido láctico también es responsable del sabor agrio del pan de masa madre .
En las listas de información nutricional, el ácido láctico puede incluirse bajo el término "carbohidrato" (o "carbohidrato por diferencia") porque a menudo incluye todo lo que no sea agua, proteínas, grasas, cenizas y etanol. [42] Si este es el caso, entonces la energía alimentaria calculada puede utilizar las 4 kilocalorías (17 kJ) estándar por gramo que se utilizan a menudo para todos los carbohidratos. Pero en algunos casos, el ácido láctico se ignora en el cálculo. [43] La densidad energética del ácido láctico es de 362 kilocalorías (1510 kJ) por 100 g. [44]
Algunas cervezas ( cervezas agrias ) contienen ácido láctico a propósito, uno de esos tipos es la lambic belga . Lo más común es que esto se produzca de forma natural por varias cepas de bacterias. Estas bacterias fermentan los azúcares en ácidos, a diferencia de la levadura que fermenta el azúcar en etanol. Después de enfriar el mosto , se permite que la levadura y las bacterias "caigan" en los fermentadores abiertos. Los cerveceros de los estilos de cerveza más comunes se asegurarían de que no se permita que dichas bacterias entren en el fermentador. Otros estilos agrios de cerveza incluyen Berliner weisse , Flanders red y American wild ale . [45] [46]
En la elaboración del vino, se suele utilizar un proceso bacteriano, natural o controlado, para convertir el ácido málico presente de forma natural en ácido láctico, con el fin de reducir la acidez y por otras razones relacionadas con el sabor. Esta fermentación maloláctica la llevan a cabo las bacterias del ácido láctico .
Aunque normalmente no se encuentra en cantidades significativas en la fruta, el ácido láctico es el ácido orgánico principal de la fruta akebia y constituye el 2,12 % del jugo. [47]
Como aditivo alimentario, está aprobado para su uso en la UE, [48] Estados Unidos [49] y Australia y Nueva Zelanda; [50] está listado por su número INS 270 o como número E E270. El ácido láctico se utiliza como conservante de alimentos, agente de curado y agente aromatizante. [51] Es un ingrediente en alimentos procesados y se utiliza como descontaminante durante el procesamiento de la carne. [52] El ácido láctico se produce comercialmente por fermentación de carbohidratos como glucosa, sacarosa o lactosa, o por síntesis química. [51] Las fuentes de carbohidratos incluyen maíz, remolacha y azúcar de caña. [53]
El ácido láctico se ha utilizado históricamente para ayudar a borrar las tintas de los documentos oficiales que se iban a modificar durante la falsificación . [54]
El ácido láctico se utiliza en algunos limpiadores líquidos como agente desincrustante para eliminar depósitos de agua dura como el carbonato de calcio . [55]