Гипотеза лактатного челнока
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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Колен, CB, докторская диссертация (2005) http://elibrary.wayne.edu/record=b3043899~S47
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .