Jump to content

Гипотеза лактатного челнока

(Перенаправлено с лактатного шаттла )

Гипотеза лактатного челнока описывает движение лактата внутриклеточно (внутри клетки) и межклеточно (между клетками). Гипотеза основана на наблюдении, что лактат непрерывно образуется и используется в различных клетках как в анаэробных , так и в аэробных условиях. [ 1 ] Кроме того, лактат, вырабатываемый в участках с высокими скоростями гликолиза и гликогенолиза, может переноситься в соседние или отдаленные участки, включая сердце или скелетные мышцы, где лактат может использоваться в качестве глюконеогенного предшественника или субстрата для окисления. [ 2 ] [ 3 ] Гипотеза была предложена в 1985 году Джорджем Бруксом из Калифорнийского университета в Беркли . [ 3 ] [ 4 ]

Помимо роли источника топлива преимущественно в мышцах, сердце, мозге и печени, гипотеза лактатного челнока также связывает роль лактата в передаче окислительно-восстановительных сигналов, экспрессии генов и липолитическом контроле. Эти дополнительные роли лактата привели к появлению термина «лактормон», относящегося к роли лактата как сигнального гормона. [ 5 ]

Лактат и цикл Кори

[ редактировать ]

До формирования гипотезы лактатного челнока лактат долгое время считался побочным продуктом распада глюкозы в результате гликолиза во время анаэробного метаболизма. [ 6 ] [ 3 ] Как средство регенерации окисленного НАД. + Лактатдегидрогеназа . катализирует превращение пирувата в лактат в цитозоле, окисляя НАДН до НАД + , регенерируя необходимый субстрат, необходимый для продолжения гликолиза. Затем лактат транспортируется из периферических тканей в печень посредством цикла Кори , где он преобразуется в пируват посредством обратной реакции с использованием лактатдегидрогеназы. Согласно этой логике, лактат традиционно считался токсичным побочным продуктом метаболизма, который мог вызвать усталость и мышечную боль во время анаэробного дыхания. Лактат, по сути, был платой за « кислородный долг », определенный Хиллом и Луптоном как «общее количество кислорода, использованное после прекращения физических упражнений для восстановления». [ 7 ]

Межклеточная роль лактатного челнока

[ редактировать ]

В дополнение к циклу Кори гипотеза лактатного челнока предполагает дополнительные функции лактата во многих тканях. Вопреки давнему мнению, что лактат образуется в результате метаболизма с ограниченным содержанием кислорода, существуют существенные доказательства того, что лактат образуется как в аэробных, так и в анаэробных условиях в результате поступления субстрата и динамики равновесия. [ 8 ]

Использование тканей (мозг, сердце, мышцы)

[ редактировать ]

Во время физической нагрузки или упражнений средней интенсивности лактат, высвобождаемый из работающих мышц и других тканей, является основным источником топлива для сердца, выходящим из мышц через транспортный белок монокарбоксилат (MCT). [ 9 ] Эти данные подтверждаются увеличением количества челночных белков MCT в сердце и мышцах прямо пропорционально нагрузке, измеряемой по мышечным сокращениям. [ 10 ]

Более того, было показано, что и нейроны, и астроциты экспрессируют белки MCT, что позволяет предположить, что лактатный челнок может участвовать в метаболизме мозга. Астроциты экспрессируют MCT4, транспортер с низким сродством к лактату (Km = 35 мМ), что позволяет предположить, что его функция заключается в экспорте лактата, образующегося в результате гликолиза. И наоборот, нейроны экспрессируют MCT2, транспортер с высоким сродством к лактату (Km = 0,7 мМ). Таким образом, предполагается, что астроциты производят лактат, который затем поглощается соседними нейронами и окисляется в качестве топлива.

Внутриклеточная роль лактатного челнока

[ редактировать ]

Гипотеза лактатного челнока также объясняет баланс производства лактата в цитозоле посредством гликолиза или гликогенолиза и окисления лактата в митохондриях (описано ниже).

Пероксисомы

[ редактировать ]

Транспортеры MCT2 внутри пероксисомы транспортируют пируват в пероксисому, где он восстанавливается пероксисомальной ЛДГ (пЛДГ) до лактата. В свою очередь НАДН превращается в НАД+, регенерируя этот необходимый компонент для последующего β-окисления . Затем лактат выводится из пероксисомы через MCT2, где он окисляется цитоплазматическим ЛДГ (кЛДГ) до пирувата, образуя НАДН для использования энергии и завершая цикл (см. Рисунок). [ 11 ]

Митохондрии

[ редактировать ]

Хотя цитозольный путь ферментации лактата хорошо известен, новой особенностью гипотезы лактатного челнока является окисление лактата в митохондриях. Баба и Шерма (1971) первыми идентифицировали фермент лактатдегидрогеназу (ЛДГ) во внутренней мембране митохондрий и матриксе скелетных и сердечных мышц крыс. [ 12 ] Впоследствии ЛДГ была обнаружена в митохондриях печени, почек и сердца крыс. [ 13 ] Также было обнаружено, что лактат может окисляться так же быстро, как и пируват, в митохондриях печени крыс. Поскольку лактат может либо окисляться в митохондриях (обратно превращаясь в пируват для вступления в цикл Кребса , генерируя при этом НАДН), либо служить глюконеогенным предшественником, предполагается, что внутриклеточный лактатный челночный механизм отвечает за большую часть оборота лактата в митохондриях. организме человека (о чем свидетельствует незначительное повышение концентрации лактата в артериях). Брукс и др. подтвердили это в 1999 году, когда обнаружили, что окисление лактата превышает окисление пирувата на 10-40% в печени, скелетных и сердечных мышцах крыс.

В 1990 году Рот и Брукс обнаружили доказательства существования облегченного переносчика лактата, монокарбоксилатного транспортного белка (MCT), в везикулах сарколеммы скелетных мышц крыс. Позже MCT1 был первым идентифицирован из суперсемейства MCT. [ 14 ] Первые четыре изоформы МСТ отвечают за транспорт пирувата/лактата. Было обнаружено, что MCT1 является преобладающей изоформой во многих тканях, включая скелетные мышцы, нейроны, эритроциты и сперму. [ 15 ] В скелетных мышцах MCT1 обнаруживается в мембранах сарколеммы. [ 14 ] пероксисома, [ 11 ] и митохондрии. [ 6 ] Из-за митохондриальной локализации MCT (для транспорта лактата в митохондрии), ЛДГ (для окисления лактата обратно в пируват) и ЦОГ (цитохром с-оксидазы, терминального элемента цепи переноса электронов) Brooks et al. предположил возможность существования митохондриального комплекса окисления лактата в 2006 году. Это подтверждается наблюдением, что способность мышечных клеток окислять лактат связана с плотностью митохондрий. [ 16 ] Кроме того, было показано, что тренировка повышает уровень белка MCT1 в митохондриях скелетных мышц, что соответствует увеличению способности мышц выводить лактат из организма во время тренировки. [ 17 ] Сродство МСТ к пирувату больше, чем к лактату, однако две реакции будут гарантировать, что лактат будет присутствовать в концентрациях, на несколько порядков превышающих концентрацию пирувата: во-первых, константа равновесия ЛДГ (3,6 x 104) в значительной степени благоприятствует образованию лактата. . Во-вторых, немедленное удаление пирувата из митохондрий (либо посредством цикла Кребса, либо глюконеогенеза) гарантирует, что пируват не будет присутствовать в клетке в больших концентрациях.

ЛДГ Экспрессия изофермента зависит от ткани. Установлено, что у крыс преобладающей формой в митохондриях миокарда была ЛДГ-1, а в митохондриях печени - ЛДГ-5. [ 6 ] Предполагается, что эта разница в изоферментах обусловлена ​​преобладающим путем прохождения лактата: в печени это, скорее всего, глюконеогенез, тогда как в миокарде это, скорее всего, окисление. Несмотря на эти различия, считается, что окислительно-восстановительное состояние митохондрий определяет способность тканей окислять лактат, а не конкретную изоформу ЛДГ.

Лактат как сигнальная молекула: «лактормон»

[ редактировать ]

Редокс-сигнализация

[ редактировать ]

Как показано на примере пероксисомального внутриклеточного челнока лактата, описанного выше, взаимное превращение лактата и пирувата между клеточными компартментами играет ключевую роль в окислительном состоянии клетки. В частности, предполагалось, что взаимное превращение НАД+ и НАДН между компартментами происходит в митохондриях. Однако доказательства этого отсутствуют, поскольку и лактат, и пируват быстро метаболизируются внутри митохондрий. Однако существование пероксисомального лактатного челнока предполагает, что этот окислительно-восстановительный челнок может существовать и для других органелл. [ 11 ]

Экспрессия генов

[ редактировать ]

Повышенный внутриклеточный уровень лактата может действовать как сигнальный гормон, вызывая изменения в экспрессии генов, которые активируют гены, участвующие в удалении лактата. [ 18 ] Эти гены включают MCT1, цитохром-с-оксидазу (ЦОГ) и другие ферменты, участвующие в комплексе окисления лактата. Кроме того, лактат увеличивает уровни рецептора гамма-коактиватора 1-альфа, активируемого пролифератором пероксисом (PGC1-α), что позволяет предположить, что лактат стимулирует митохондриальный биогенез. [ 1 ]

Контроль липолиза

[ редактировать ]

Помимо роли лактатного челнока в поставке НАД+-субстрата для β-окисления в пероксисомах, челнок также регулирует мобилизацию СЖК, контролируя уровни лактата в плазме. Исследования показали, что лактат ингибирует липолиз в жировых клетках посредством активации рецептора пары-сироты G-белка ( GPR81 ), который действует как сенсор лактата, ингибируя липолиз в ответ на лактат. [ 19 ]

Роль лактата во время тренировок

[ редактировать ]

Как обнаружили Брукс и др., хотя лактат утилизируется главным образом посредством окисления и лишь незначительная его фракция поддерживает глюконеогенез , лактат является основным предшественником глюконеогена во время длительных физических упражнений. [ 1 ]

В своих более ранних исследованиях Брукс продемонстрировал, что небольшая разница в скорости производства лактата наблюдалась у тренированных и нетренированных участников при эквивалентной выходной мощности. Однако было замечено более эффективное выведение лактата у тренированных субъектов, что указывает на активацию белка MCT. [ 1 ]

Местное использование лактата зависит от физической нагрузки. Во время отдыха примерно 50% лактата происходит за счет окисления лактата, тогда как во время напряженных упражнений (50–75% VO2 max) активными клетками используется примерно 75–80% лактата, что указывает на роль лактата как основного фактора, способствующего преобразование энергии при повышенных физических нагрузках.

Клиническое значение

[ редактировать ]

Высокозлокачественные опухоли в значительной степени зависят от анаэробного гликолиза (метаболизм глюкозы в молочную кислоту даже при наличии достаточного количества кислорода в тканях; эффект Варбурга ) и, таким образом, нуждаются в оттоке молочной кислоты через МСТ в микроокружение опухоли, чтобы поддерживать устойчивый гликолитический поток и предотвращать опухоль. от того, чтобы быть «замаринованным до смерти». [ 20 ] МСТ были успешно использованы в доклинических исследованиях с использованием РНКи. [ 21 ] и низкомолекулярный ингибитор альфа-циано-4-гидроксикоричная кислота (ACCA; CHC), чтобы показать, что ингибирование оттока молочной кислоты является очень эффективной терапевтической стратегией против злокачественных опухолей с высоким гликолизом. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

В некоторых типах опухолей рост и метаболизм зависят от обмена лактата между гликолитическими и быстро дышащими клетками. Это имеет особое значение во время развития опухолевых клеток, когда клетки часто подвергаются анаэробному метаболизму, описываемому эффектом Варбурга. Другие клетки той же опухоли могут иметь доступ к источникам кислорода или рекрутировать их (посредством ангиогенеза ), что позволяет ему подвергаться аэробному окислению. Перенос лактата может происходить, когда гипоксические клетки анаэробно метаболизируют глюкозу и переносят лактат через MCT к соседним клеткам, способным использовать лактат в качестве субстрата для окисления. Исследование того, как можно ингибировать опосредованный МСТ обмен лактата в целевых опухолевых клетках, тем самым лишая клетки ключевых источников энергии, может привести к созданию новых многообещающих химиотерапевтических препаратов. [ 25 ]

Кроме того, было показано, что лактат является ключевым фактором опухолевого ангиогенеза. Лактат способствует ангиогенезу путем повышения регуляции HIF-1 в эндотелиальных клетках. Таким образом, многообещающей целью терапии рака является ингибирование экспорта лактата с помощью блокаторов MCT-1, лишая развивающиеся опухоли источника кислорода. [ 26 ]

  1. ^ Перейти обратно: а б с д Брукс, Джорджия (2009). «Клеточно-клеточные и внутриклеточные челноки лактата» . Журнал физиологии . 587 (23): 5591–5600. дои : 10.1113/jphysicalol.2009.178350 . ПМК   2805372 . ПМИД   19805739 .
  2. ^ Глэдден, Л.Б. (1 июля 2004 г.). «Лактатный обмен: новая парадигма третьего тысячелетия» . Журнал физиологии . 558 (Часть 1): 5–30. дои : 10.1113/jphysicalol.2003.058701 . ПМК   1664920 . ПМИД   15131240 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с Фергюсон, Брайан С.; Рогацки, Мэтью Дж.; Гудвин, Мэтью Л.; Кейн, Дэниел А.; Райтмайр, Закари; Глэдден, Л. Брюс (2018). «Метаболизм лактата: исторический контекст, предыдущие неверные интерпретации и современное понимание». Европейский журнал прикладной физиологии . 118 : 691–728. дои : 10.1007/s00421-017-3795-6 . ISSN   1439-6319 .
  4. ^ Брукс, Джорджия (1985). «Лактат: конечный гликолитический продукт и окислительный субстрат во время длительных физических упражнений у млекопитающих — «лактатный челнок» ». Кровообращение, дыхание и обмен веществ . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. стр. 208–218. дои : 10.1007/978-3-642-70610-3_15 . ISBN  978-3-642-70612-7 .
  5. ^ Глэдден, Л.Б. (март 2008 г.). «Современные тенденции метаболизма лактата: введение» . Медицина и наука в спорте и физических упражнениях . 40 (3): 475–6. дои : 10.1249/MSS.0b013e31816154c9 . ПМИД   18379209 .
  6. ^ Перейти обратно: а б с Брукс, Джорджия (1999). «Роль митохондриальной лактатдегидрогеназы и окисления лактата во внутриклеточном переносе лактата» . Proc Natl Acad Sci США . 96 (3): 1129–1134. Бибкод : 1999PNAS...96.1129B . дои : 10.1073/pnas.96.3.1129 . ПМК   15362 . ПМИД   9927705 .
  7. ^ Луптон, Х. (1923). «Анализ влияния скорости на механическую эффективность мышечных движений человека» . Дж Физиол . 57 (6): 337–353. дои : 10.1113/jphysicalol.1923.sp002072 . ПМЦ   1405479 . ПМИД   16993578 .
  8. ^ Брукс, Джорджия (1998). «Использование топлива млекопитающими во время длительных тренировок». Комп Биохим Физиол Б. 120 (1): 89–107. дои : 10.1016/s0305-0491(98)00025-x . ПМИД   9787780 .
  9. ^ Герц, EW (1988). «Взаимоотношения глюкозы и лактата при тренировках средней интенсивности у человека». Метаболизм . 37 (9): 850–858. дои : 10.1016/0026-0495(88)90119-9 . ПМИД   3138512 .
  10. ^ Бергерсен, Л.Х. (2007). «Является ли лактат пищей для нейронов? Сравнение подтипов переносчиков монокарбоксилатов в мозге и мышцах». Нейронаука . 145 (1): 11–19. doi : 10.1016/j.neuroscience.2006.11.062 . ПМИД   17218064 . S2CID   45826369 .
  11. ^ Перейти обратно: а б с Макклелланд, Великобритания (2003). «Пероксисомальные мембранные переносчики монокарбоксилатов: свидетельства существования окислительно-восстановительной челночной системы?». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 304 (1): 130–135. дои : 10.1016/s0006-291x(03)00550-3 . ПМИД   12705896 .
  12. ^ Баба и Шарма (1971). «Гистохимия лактатдегидрогеназы в сердце и грудных мышцах крысы» . J Клеточная Биол . 51 (3): 621–635. дои : 10.1083/jcb.51.3.621 . ПМК   2108042 . ПМИД   5128351 .
  13. ^ Брандт, РБ (1986). «Локализация L-лактатдегидрогеназы в митохондриях». Арх Биохим Биофиз . 246 (2): 673–80. дои : 10.1016/0003-9861(86)90323-1 . ПМИД   3518634 .
  14. ^ Перейти обратно: а б Гарсия, ДК (1994). «Генетическое разнообразие культивируемых креветок Penaeus vannamei с использованием трех молекулярно-генетических методов». Мол Мар Биол Биотехнология . 3 (5): 270–280. ПМИД   7881514 .
  15. ^ Прайс, Северная Каролина (1998). «Клонирование и секвенирование четырех новых гомологов монокарбоксилатного транспортера (MCT) млекопитающих подтверждает существование семейства транспортеров с древним прошлым» . Биохимический журнал . 329 (2): 321–8. дои : 10.1042/bj3290321 . ПМК   1219047 . ПМИД   9425115 .
  16. ^ Болдуин, К.М. (1978). «Лактатная окислительная способность в разных типах мышц». Биохимия Биофиз Рес Коммьюнити . 83 (1): 151–157. дои : 10.1016/0006-291x(78)90410-2 . ПМИД   697805 .
  17. ^ Дюбушо, Х. (2000). «Тренировка на выносливость, экспрессия и физиология ЛДГ, MCT1 и MCT4 в скелетных мышцах человека». Am J Physiol Endocrinol Metab . 278 (4): E571–9. дои : 10.1152/ajpendo.2000.278.4.E571 . ПМИД   10751188 . S2CID   12809869 .
  18. ^ Хашимото, Т. (2008). «Митохондриальный комплекс окисления лактата и адаптивная роль в производстве лактата» . Медицина и наука в спорте и физических упражнениях . 40 (3): 486–494. дои : 10.1249/MSS.0b013e31815fcb04 . ПМИД   18379211 .
  19. ^ Лю, К. (2009). «Лактат ингибирует липолиз в жировых клетках посредством активации сиротского рецептора, связанного с G-белком, GPR81» . Журнал биологической химии . 284 (5): 2811–22. дои : 10.1074/jbc.M806409200 . ПМИД   19047060 .
  20. ^ Матупала С.П., Колен CB, Параджули П., Слоан А.Е. (2007). «Лактатные и злокачественные опухоли: терапевтическая мишень на конечной стадии гликолиза (обзор)» . J Bioenerg Biomembr . 39 (1): 73–77. дои : 10.1007/s10863-006-9062-x . ПМЦ   3385854 . ПМИД   17354062 .
  21. ^ Матупала С.П., Параджули П., Слоан А.Е. (2004). «Замалчивание переносчиков монокарбоксилатов с помощью небольшой мешающей рибонуклеиновой кислоты ингибирует гликолиз и вызывает гибель клеток при злокачественной глиоме: исследование in vitro». Нейрохирургия . 55 (6): 1410–1419. дои : 10.1227/01.neu.0000143034.62913.59 . ПМИД   15574223 . S2CID   46103144 .
  22. ^ Колен, CB, докторская диссертация (2005) http://elibrary.wayne.edu/record=b3043899~S47
  23. ^ Колен CB, Сераджи-Бозоргзад Н., Марплс Б., Галлоуэй член парламента, Слоан А.Е., Матупала С.П. (2006). «Метаболическое ремоделирование злокачественных глиом для повышения сенсибилизации во время лучевой терапии: исследование in vitro» . Нейрохирургия . 59 (6): 1313–1323. дои : 10.1227/01.NEU.0000249218.65332.BF . ПМЦ   3385862 . ПМИД   17277695 .
  24. ^ Колен С.Б., Шен Ю., Годдусси Ф., Ю.П., Фрэнсис Т.Б., Кох Б.Дж., Монтерей, М.Д., Галлоуэй, член парламента, Слоан А.Е., Матупала С.П. (2011). «Метаболическое воздействие на отток лактата злокачественной глиомой подавляет инвазивность и вызывает некроз: исследование in vivo» . Неоплазия . 13 (7): 620–632. дои : 10.1593/neo.11134 . ПМЦ   3132848 . ПМИД   21750656 .
  25. ^ Сонво, П. (2008). «Нацеливание на дыхание, питаемое лактатом, избирательно убивает гипоксические опухолевые клетки у мышей» . Журнал клинических исследований . 118 (12): 3930–42. дои : 10.1172/JCI36843 . ПМК   2582933 . ПМИД   19033663 .
  26. ^ Де Седелир, CJ; Копетти, Т.; Порпорато, ЧП; Верракс, Дж.; Ферон, О.; Сонво, П. (2012). «Лактат активирует HIF-1 в окислительных, но не в опухолевых клетках человека с фенотипом Варбурга» . ПЛОС ОДИН 7 (10): е46571. Бибкод : 2012PLoSO... 746571D дои : 10.1371/journal.pone.0046571 . ПМЦ   3474765 . ПМИД   23082126 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 62520333d22faf0fcf912e04b2b9313f__1715844120
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/62/3f/62520333d22faf0fcf912e04b2b9313f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Lactate shuttle hypothesis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)