Alkohol

alkohol
źródło: wikipedia/autor: Nik Frey/CCA 2.5

1. Źródła pochodzenia alkoholu

Fermentacja alkoholu etylowego

Alkohol etylowy, podstawowy składnik napojów alkoholowych, powstaje w procesie fermentacji alkoholowej. Polega ona na beztlenowym przetwarzaniu cukrów prostych (organicznego źródła węgla) przy udziale drobnoustrojów, a właściwie za pomocą wytwarzanych przez nie enzymów. W procesie fermentacji alkoholowej można wyróżnić 3 etapy tworzenia etanolu:

  • w pierwszym etapie fermentowany cukier po wniknięciu do komórki drobnoustrojów jest przekształcany do D-glukozy, a następnie w szeregu reakcji ulega ona przemianie do 2 cząsteczek kwasu pirogronowego (proces glikolizy),
  • dekarboksylacja  kwasu pirogronowego do aldehydu octowego (oddzielenie dwutlenku węgla pod wpływem enzymu dekarboksylazy pirogronianowej),
  • redukcja aldehydu octowego do alkoholu etylowego pod wpływem enzymu dehydrogenazy alkoholowej.

Efektem tych przemian jest alkohol etylowy, dwutlenek węgla oraz energia (głównie cieplna) wg równania:

C6H12O6 ----> 2C2H5OH + 2CO2

Oczywiście jest to tylko sytuacja teoretyczna, książkowa. W praktyce w czasie tych wszystkich przemian mamy do czynienia z powstawaniem innych substancji, niekoniecznie pożądanych. Są to niewielkie ilości glicerolu, kwasów organicznych (w tym kwas octowy, kwas bursztynowy), alkoholi fuzlowych (które psują zapach i smak) i mieszaniny wyższych alkoholi, głównie pentanolu, butanolu i propanolu.

Drożdże z rodzaju Saccharomyces 

W produkcji spożywczej alkoholu etylowego stosuje się tylko takie drobnoustroje, u których etanol jest głównym produktem. Należą do nich drożdże z rodzaju Saccharomyces. Mają one zdolność przetwarzania takich monosacharydów oraz disacharydów, jak: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza, maltoza, sacharoza, laktoza. Niektóre szczepy lub ich odpowiednia kombinacja częściowo radzą sobie także z rafirozą (trisacharydem). Na powodzenie przebiegu fermentacji mają wpływ również warunki środowiskowe, jakie stworzymy naszym drobnoustrojom. Drożdże są organizmami, które przetwarzają węglowodany zarówno w procesie tlenowym (brak fermentacji – oddychanie tlenowe, efektem jest przyrost masy organizmów), jak i beztlenowym (fermentacja – efektem jest alkohol etylowy). Wyróżniamy drożdże, które prowadzą tylko procesy tlenowe (nieistotne dla wytwarzania alkoholu), które prowadzą zarówno procesy tlenowe i beztlenowe (np. drożdże browarnicze górnej fermentacji Saccharomyces cerevisiae) oraz takie, które wykazują głównie metabolizm beztlenowy (np. drożdże gorzelnicze, winiarskie oraz drożdże browarnicze dolnej fermentacji Saccharomyces calrsbergensis). Ujmując rzecz prosto – w obecności tlenu procesy fermentacji są hamowane, a zamiast produkować alkohol, drożdże rozmnażają się w ekspresowym tempie. Innym parametrem środowiskowym jest temperatura procesu – optymalna to 20-30°C, w piwowarstwie 5-10°C (wzrost temperatury zabija drożdże).

Wiemy, jaką korzyść przynosi nam, ludziom, fermentacja alkoholowa przy udziale drożdży. A jaką korzyść mają z tego te jednokomórkowe grzyby? A mianowicie procesy fermentacji stanowią dla nich formę metabolizmu, służącą do zaopatrzenia ich komórki w niezbędną ilość energii chemicznej, w postaci kwasu adenozynotrifosforowego (ATP).

Surowce stosowane do fermentacji

Surowce stosowane do fermentacji:

  • produkty cukrowe – melasa, sok owocowy, trzcina cukrowa (powstają z nich później np. wina, rum)
  • produkty zawierające skrobię – żyto, jęczmień, pszenica, ryż, kukurydza, ziemniaki (powstają z nich później np. piwo, wódka, sake),
  • produkty zawierające celulozę – fermentacja na cele przemysłowe.

2. Rozkład alkoholu w organizmie

Mówiąc o alkoholu, mamy tak naprawdę na myśli napoje alkoholowe, które w swoim składzie zawierają m.in. odpowiedni procent alkoholu etylowego (w Polsce minimum 0,5%). Etanol to nic innego jak chemiczny związek organiczny wytwarzany w procesie fermentacji – rozkładu węglowodanów pod wpływem odpowiednich enzymów (tych samych, które później usuwają go z ludzkiego organizmu).

A co dzieje się z alkoholem etylowym w organizmie człowieka?

Wchłanianie alkoholu etylowego

A mianowicie po spożyciu, bardziej lub mniej mocnego alkoholu, zaczyna on być wchłaniany do krwiobiegu. Proces ten zaczyna się już w naszej jamie ustnej i przełyku (około 1%), ale znacząca jego część jest wchłaniana dopiero z żołądka (25%) i jelit (74%). Wchłanianie odbywa się na zasadzie resorpcji – alkohol etylowy przenika przez powierzchnię tkanek. Rozmieszczenie alkoholu w tkankach jest niejednolite i ze względu na łatwość jego rozpuszczania w wodzie, największe stężenie osiąga w tkankach dobrze ukrwionych i obfitujących w wodę. W innych tkankach zawartość alkoholu jest zawsze mniejsza (np. kościach, ścięgnach, zębach, skórze, tkance tłuszczowej). Na wchłanianie alkoholu mają wpływ:

  • wypełnienie żołądka – ilość i jakość pożywienia oraz szybkość trawienia (im prędzej żołądek opróżnia się do jelita cienkiego, tym szybsze wchłanianie alkoholu),
  • zawartość alkoholu w napoju (im mocniejszy alkohol, tym szybsze wchłanianie),
  • zawartość dwutlenku węgla w napoju (znacząco przyspiesza wchłanianie),
  • ilość wypitego alkoholu i tempo jego spożywania,
  • masa ciała,
  • płeć (kobiety mają mniej wody w organizmie, a więcej tkanki tłuszczowej od mężczyzn – wchłanianie alkoholu odbywa się u nich szybciej).

Detoksykacja alkoholu etylowego - enzym dehydrogenazy alkoholowej ADH

Po wchłonięciu alkoholu etylowego tylko 2-10% jest wydalane przez nerki, płuca i skórę (około 4-8% przez płuca i skórę, a 1-2% wraz z moczem). Reszta ulega detoksykacji, głównie dzięki enzymowi, który przyspiesza reakcję utleniania alkoholu etylowego do aldehydu octowego. Enzymem tym jest dehydrogenaza alkoholowa – ADH. Dotychczas stwierdzono kilkanaście rodzajów tego enzymu, które różnią się między sobą umiejscowieniem w organizmie oraz aktywnością w przetwarzaniu etanolu. ADH można odnaleźć m.in. w żołądku, przewodzie pokarmowym, nerkach, płucach, a nawet mózgu. Jednak największą aktywność wykazuje rodzaj enzymu ADH znajdujący się w wątrobie. Zatem nasza wątroba ma niełatwe zadanie do wykonania, gdyż musi przetworzyć aż 90% z całkowitej ilości spożytego alkoholu etylowego.

W komórkach wątroby – hepatocytach – dehydrogenaza alkoholowa utlenia etanol do aldehydu octowego, a ten z kolei jest utleniany do kwasu octowego, za pośrednictwem enzymu dehydrogenazy aldehydowej (AIDH). Obie te reakcje zachodzą przy udziale NAD+ (formy utlenionej dinukleotydu pirydynowego) – jako związku, który katalizuje (przyspiesza) reakcję enzymu z alkoholem etylowym (pełni funkcję tzw. kofaktora). Utlenianie etanolu prowadzi do przemiany samego kofaktora, do formy zredukowanej (NDAH). Kumulacja NDAH w wątrobie prowadzi z kolei do zwiększenia wydzielania kwasu mlekowego oraz zmniejszenia szybkości przetwarzania węglowodanów i tłuszczów nawet o 50%. Inaczej mówiąc, proces przetwarzania alkoholu etylowego odbywa się kosztem tlenu potrzebnego do utlenienia innych substancji, a te gromadzą się w swojej pierwotnej postaci w wątrobie, prowadząc do jej poważnych uszkodzeń (otłuszczanie wątroby, zapalenie wątroby itp.). Dodatkowo dochodzi do tzw. stresu oksydacyjnego – stresu tlenowego (braku równowagi między przeciwutleniaczami a utleniaczami), co bezpośrednio prowadzi do produkcji nadtlenków oraz wolnych rodników uszkadzających komórki (do produkcji tzw. reaktywnych form tlenu). Przemiany te obrazuje poniższy schemat:

C2H5OH -------> CH3CHO -------> CH3COOH
NAD --> NADH       NAD --> NADH

Kwas octowy dalej przetwarzany jest już poza wątrobą w tzw. cyklu Krebsa, a jego końcowymi produktami są dwutlenek węgla i atomy wodoru.

Szybkość przemian alkoholu etylowego

Tempo przemiany alkoholu etylowego przez wątrobę jest stałe i wynosi u kobiet 8-10 g alkoholu w ciągu godziny, a u mężczyzn 10-12 g alkoholu w ciągu godziny (średnio 0,15‰/h). Przyjmuje się, że równomierny proces usuwania alkoholu ze krwi odbywa się nie później, niż 2 godziny od zakończenia spożywania. Procesu tego nie da się niczym znacząco przyspieszyć, pomimo że częściowo zależy on od poziomu enzymów biorących udział w detoksykacji. Poziomy enzymów są jedynie kwestią indywidualną i decydują o odporności danej osoby na szybkość upojenia / zamroczenia. Co ciekawe czas przemiany alkoholu i jego wchłaniania są różne. Podczas kontynuowania spożycia, wchłanianie alkoholu jest znacznie szybsze, niż jego przetwarzanie. Dlatego zawartość alkoholu we krwi w tym okresie jest zawsze większa niż w moczu. Po zaprzestaniu spożywania następuje okres równowagi między wchłanianiem i przetwarzaniem, a kiedy dominuje proces usuwania alkoholu etylowego z organizmu, zawartość alkoholu w moczu jest większa niż we krwi.

3. Wpływ alkoholu na organizm

Wpływ alkoholu na organizm człowieka

Rodzaje spożywania alkoholu etylowego

W zależności od tego, ile i jak często spożywamy alkohol etylowy, przyjęto podział na picie umiarkowane – towarzyskie (15-30 g alkoholu etylowego w ciągu doby) i toksyczne – uzależniające (>50g alkoholu etylowego w ciągu doby). Picie małych dawek, ale codzienne też prowadzi do uzależnienia (z czasem tolerancja na przyjmowany etanol się zwiększa, a co za tym idzie, aby efekt odurzenia był taki sam, spożywamy alkoholu coraz więcej). A w jaki sposób dane te przekładają się na poszczególne trunki spożywane w jednostce objętości? Obrazuje to poniższa tabela:

Ilość spożytego alkoholu etylowego [g/doba] Alkohol 40% [ml/doba] Wino 12% [ml/doba] Piwo 5%[ml/doba] Forma spożywania
15-30 50-100 160-320 380-760 picie towarzyskie
> 50 > 160 > 530 > 1260 picie toksyczne

W Polsce „stan po użyciu alkoholu” oraz „stan nietrzeźwości” definiuje ustawa  z 1982 r. (z późniejszymi zmianami) o wychowaniu w trzeźwości i przeciwdziałaniu alkoholizmowi. Zgodnie z nią:

  • stan po użyciu alkoholu: to stan, kiedy stężenie alkoholu etylowego we krwi osiąga poziom 0,2-0,5‰ lub jego obecność w wydychanym powietrzu wynosi 0,1-0,25 mg alkoholu w 1 dm³,
  • stan nietrzeźwości: to stan, kiedy stężenie alkoholu etylowego we krwi osiąga poziom powyżej 0,5‰ lub jego obecność w wydychanym powietrzu wynosi powyżej 0,25 mg alkoholu w 1 dm³.

Stężenie alkoholu etylowego we krwi

Promil to jednostka służąca do określenia ilości alkoholu we krwi, a 1‰ to nic innego, jak 1 g alkoholu w 1 l krwi.

Na stężenie alkoholu we krwi wpływa wiele czynników, m.in.: ilość spożytego alkoholu etylowego, masa ciała, płeć (kobiety mają mniej wody w organizmie, co wpływa bezpośrednio na stężenie alkoholu we krwi), treść żołądka oraz szybkość trawienia, poziom enzymów utleniających alkohol etylowy, stan emocjonalny, stan wątroby (uszkodzona powoduje dłuższe utrzymywanie się alkoholu we krwi), ilość tkanki tłuszczowej w organizmie.

Teoretyczne określenie stężenia alkoholu we krwi jest możliwe za pomocą wzoru Widmarka. Uwzględnia on zawartość alkoholu w napojach, masę ciała oraz współczynnik stosunku całkowitej masy ciała do masy wody w organizmie. Ma on słuszność przy założeniu, że przyjęty alkohol uległ całkowitemu wchłonięciu, znana jest całkowita ilość wody w organizmie oraz zgromadziła ona równomiernie alkohol w swoich przestrzeniach (etanol rozpuścił się równomiernie w masie wody).

Oddziaływanie alkoholu etylowego na organizm człowieka

A co dzieje się z naszym organizmem podczas przybywania kolejnych promili we krwi?

Dawka alkoholu we krwi [‰] Reakcje organizmu
0,2-0,5 mało charakterystyczne objawy, głównie rozproszona uwaga
0,5-1,0 polepszenie samopoczucia – euforia, obniżenie krytycyzmu, nieznaczne zaburzenia równowagi i ostrości widzenia, gadatliwość, osłabienie refleksu, rozszerzone źrenice, przyspieszony rytm serca, wzrost temperatury ciała
1,0-2,0 obniżenie progu bólu, błędy w logicznym rozumowaniu, zwiększenie pewności siebie, zwiększenie reakcji agresywnych, brak panowania nad emocjami, znaczne wydłużenie czasu reakcji, zaburzenia równowagi, drażliwość
2,0-3,0 bełkotanie, senność, zamroczenie alkoholowe, zanik pamięci – utrata świadomości
3,0-5,0 spadek ciśnienia krwi, zaburzenia funkcjonowania układu krążenia i oddechowego, obniżenie ciepłoty ciała, drgawki, utrata przytomności prowadząca do śpiączki, brak reakcji źrenic na światło
> 5,0 śmierć

Oczywiście oddziaływanie alkoholu na organizm ludzki jest uzależnione od wielu czynników, a zatem granice pewnych reakcji mogą wyglądać nieco inaczej dla poszczególnych osób. Powyższy podział jest tylko klasyfikacją orientacyjną.

Jeżeli picie towarzyskie służy głównie poprawie samopoczucia oraz jest czasami zalecane pod względem zdrowotnym (napoje alkoholowe pochodzące z fermentacji mają korzystny wpływ na układ krążenia – oczywiście spożywane umiarkowanie od czasu do czasu, nie codziennie), tak nadużywanie alkoholu etylowego działa silnie toksycznie na organizm. Dawki, 50-100 g alkoholu etylowego spożywane codziennie, sukcesywnie prowadzą do uszkadzania mięśni oraz narządów wewnętrznych: żołądka, wątroby i trzustki. Alkoholowe zapalenie wątroby rozwija się już przy spożywaniu 80 g alkoholu etylowego codziennie przez 10 dni (2 litry 5% piwa lub niecały litr wina 12% lub 0,25l wódki 40%). Natomiast marskość wątroby pojawia się w 10-20% przypadków osób spożywających minimum 160 g alkoholu etylowego codziennie, przez okres 8-10 lat. Znacznie szybciej dochodzi do ostrych stanów zapalnych śluzówki żołądka, otłuszczania wątroby (proces przetwarzania alkoholu etylowego odbywa się kosztem tlenu potrzebnego do utlenienia innych substancji, w tym tłuszczów, które nieprzetworzone gromadzą się w tym narządzie), zapalenia trzustki. Oczywiście nie trzeba wspominać o tragicznym w skutkach oddziaływaniu alkoholu etylowego na komórki mózgowe oraz o fakcie, że aldehyd octowy (pierwszy produkt przemiany alkoholu etylowego) został uznany za karcynogen (czynnik rakotwórczy) I rzędu.

Śmiertelna dawka alkoholu etylowego dla człowieka to 6-8 g etanolu na kilogram masy ciała.

4. Uwaga na alkohol metylowy

uwaga alkohol metylowy

Zdarza się, że w mediach robi się głośno na temat zatruć alkoholem metylowym, a to za sprawą trefnych napitków.

Jaki jest zatem efekt działania alkoholu metylowego na organizm człowieka i na co powinniśmy uważać?

Alkohol metylowy pod względem właściwości organoleptycznych (smak, zapach, konsystencja, aromat) niczym nie różni się od alkoholu etylowego – zanieczyszczone napoje alkoholowe metanolem są nie do odróżnienia od tych oryginalnych (smakują i wyglądają tak samo).

Przetwarzanie alkoholu metylowego przez organizm człowieka

Proces przemiany alkoholu metylowego odbywa się w organizmie człowieka bardzo podobnie jak przemiana etanolu. Metanol jest bardzo szybko wchłaniany z przewodu pokarmowego do krwi – już po 30-60 minutach osiąga maksymalne stężenie. Podobnie, jak etanol, kumuluje się w tkankach najbardziej uwodnionych i ukrwionych. Tylko około 2% spożytego alkoholu metylowego jest wydalane przez skórę, płuca oraz nerki (wraz z moczem). Reszta ulega procesom przetworzenia, przede wszystkim w wątrobie. Komórki wątrobowe – hepatocyty – utleniają alkohol metylowy przy pomocy enzymu dehydrogenazy alkoholowej (ADH) do aldehydu mrówkowego. Aldehyd z kolei utleniany jest dalej za pomocą enzymu dehydrogenazy aldehydowej (AIDH) do kwasu mrówkowego. W normalnych warunkach (przy niewielkich dawkach alkoholu metylowego we krwi) kwas mrówkowy podlega dalszym przemianom, a ich końcowym produktem są dwutlenek węgla oraz woda, wydalane z organizmu wraz z wydychanym powietrzem. Przemiany te obrazuje poniższy schemat:

CH3OH -------> HCHO -------> HCOOH
NAD --> NADH     NAD --> NADH

Przy spożyciu alkoholu metylowego prowadzącego do zatrucia tą substancją (w przypadku, gdy organizm nie nadąża z przetworzeniem toksycznego kwasu mrówkowego), rzecz ma się nieco inaczej.  Obie reakcje utleniania metanolu zachodzą bardzo szybko i obie zachodzą przy udziale NAD+ (formy utlenionej dinukleotydu pirydynowego) – związku, który przyspiesza reakcję enzymów z alkoholem metylowym (pełni funkcję tzw. kofaktora). Utlenianie metanolu prowadzi do przemiany samego kofaktora – do formy zredukowanej (NDAH). Kumulacja NDAH w wątrobie powoduje zwiększenie wydzielania kwasu mlekowego (pojawia się deficyt tlenowy we krwi). Zarówno kwas mrówkowy oraz mlekowy są bezpośrednią i wtórną przyczyną powstania kwasicy metabolicznej – w ten sposób zostaje zaburzona gospodarka kwasowo-zasadowa organizmu (trwa zakwaszanie tkanek, zaburzanie poziomów elektrolitów we krwi). Pojawiają się objawy ze strony układu oddechowego i krążenia (płytki i szybki oddech, nierówny rytm serca). Zaburzenia gospodarki wodnej prowadzą do toksycznego uszkodzenia nerek. Równocześnie pojawiają się objawy neurologiczne – zaburzenia widzenia, drgawki, zaburzenia świadomości, śpiączka.

Pierwsze objawy zatrucia organizmu alkoholem metylowym mogą pojawić się już po 30 minutach od spożycia. I teraz w zależności od dawki, jaka została przyjęta zależy rodzaj zatrucia oraz sposób udzielenia pierwszej pomocy.

Rodzaje i objawy zatrucia alkoholem metylowym

Zatrucie alkoholem metylowym można podzielić na trzy grupy:

  • zatrucie lekkie – objawy zatrucia są podobne, jak objawy zatrucia etanolem: euforia, pobudzenie, ból i zawroty głowy, dezorientacja, zaburzenia równowagi, uczucie zmęczenia, wydłużenie czasu reakcji, nudności, problemy ze wzrokiem,
  • zatrucie średnio-ciężkie – senność, wymioty, zaburzenia świadomości, zaburzenia widzenia (zamazane, zamglone widzenie, podwójne widzenie, ograniczenie pola widzenia, upośledzenie widzenia kolorów, mroczki przed oczami), drgawki, problemy z oddychaniem, zaburzenie rytmu serca, spadek ciśnienia krwi, przekrwienie oczu, zaczerwieniona skóra, utrata przytomności,
  • zatrucie ciężkie – sinica, niewydolność oddechowa i krążeniowa, obrzęk mózgu, śpiączka, brak reakcji źrenic na światło, uszkodzenie narządów wewnętrznych – stan bezpośredniego zagrożenia życia.

Zatrucie alkoholem metylowym może nastąpić także przez skórę (objawy to odtłuszczanie skóry, stany zapalne, zaburzenia widzenia) oraz poprzez wdychanie oparów metanolu (objawy to podrażnienie błony śluzowej nosa i gardła, porażenie układu oddechowego, problemy ze wzrokiem).

Udzielanie pierwszej pomocy w przypadku zatruć alkoholem metylowym

W przypadku zatrucia alkoholem metylowym istotny jest czas, jaki minął od spożycia alkoholu do momentu rozpoznania zatrucia i udzielenia pierwszej pomocy. Zawsze należy bezwzględnie wezwać pogotowie do zatrutego. Jeżeli poszkodowany jest przytomny, to można spróbować wywołać wymioty (ma to sens tylko wtedy, gdy od spożycia minęło 0,5-1 godziny czasu) lub podać mu  100ml 40% alkoholu etylowego. Alkohol etylowy ogranicza dalsze przetwarzanie metanolu przez hamowanie jego metabolizmu w organizmie (etanol wykazuje większe powinowactwo do układów enzymatycznych rozkładających alkohole w wątrobie, przez co ulega przetworzeniu w pierwszej kolejności).

Śmiertelna dawka alkoholu metylowego dla człowieka to 30-150 ml/dl, a 10ml/dl metanolu (około 10g) wystarczy do trwałego, nieodwracalnego uszkodzenia nerwu wzrokowego.

Źródła zakażenia alkoholem metylowym

Źródłem zakażenia alkoholem metylowym jest przede wszystkim alkohol niewiadomego pochodzenia lub podejrzanie tani. Ale nie tylko. Ciekawostką jest, że przedawkowanie aspartamu (popularnego słodzika) może również skutkować zatruciem metanolem (używany jest m.in. do słodzenia soków owocowych w kartonach). Aspartam, oznaczany na produktach spożywczych kodem E951, w organizmie hydrolizowany jest do kwasu asparaginowego (40%), fenyloalaniny (50%) i metanolu (10% - 0,1g na każdy gram spożytego słodzika). Proces hydrolizy nasila się wraz ze wzrostem temperatury, w której się odbywa. Wolny metanol powstaje z aspartamu po podgrzaniu go do temperatury powyżej 30°C (niewłaściwe przechowywanie produktów, podgrzewanie produktów zawierających aspartam) i w tej postaci jest już bez problemu wchłaniany do krwiobiegu. Maksymalna, dopuszczalna, dzienna dawka aspartamu nie powinna przekraczać 40mg/1kg masy ciała.