Гипотеза лактатного челнока - Lactate shuttle hypothesis

В гипотеза лактатного челнока был предложен профессором Джорджем Бруксом из Калифорнийского университета в Беркли, описывая движение лактат внутриклеточно (внутри клетки) и межклеточно (между клетками). Гипотеза основана на наблюдении, что лактат непрерывно образуется и используется в различных клетках при обоих анаэробный и аэробный условия.[1] Кроме того, лактат вырабатывается на участках с высоким уровнем гликолиз и гликогенолиз может быть доставлен в соседние или отдаленные места, включая сердце или скелетные мышцы, где лактат может использоваться в качестве глюконеогенный предшественник или субстрат для окисления.[2]

В дополнение к его роли в качестве источника топлива преимущественно в мышцах, сердце, головном мозге и печени, гипотеза лактатного челнока также связывает роль лактата в передаче сигналов окислительно-восстановительного потенциала, экспрессии генов и липолитическом контроле. Эти дополнительные роли лактата привели к появлению термина «лактормон», относящегося к роли лактата как сигнального гормона.[3]

Лактат и цикл Кори

До формирования гипотезы лактатного челнока лактат долгое время считался побочным продуктом, возникающим в результате распада глюкозы в результате гликолиза во время анаэробного метаболизма.[4] Как средство регенерирования окисленного НАД+, лактатдегидрогеназа катализирует превращение пируват лактат в цитозоле, окисляя НАДН до НАД+, регенерируя необходимый субстрат, необходимый для продолжения гликолиза. Затем лактат транспортируется из периферических тканей в печень с помощью Цикл Кори где он превращается в пируват посредством обратной реакции с использованием лактатдегидрогеназы. Исходя из этой логики, лактат традиционно считался токсичным побочным продуктом обмена веществ, который мог вызывать усталость и мышечные боли во время анаэробного дыхания. Лактат был, по сути, платой за "кислородный долг «Хилл и Луптон» определяют как «общее количество кислорода, использованное после прекращения упражнений для восстановления после этого».[5]

Клеточно-клеточная роль лактатного челнока

В дополнение к циклу Кори, гипотеза лактатного челнока предполагает дополнительные функции лактата во многих тканях. Вопреки давнему мнению, что лактат образуется в результате метаболизма, ограниченного кислородом, существуют существенные доказательства того, что лактат образуется как в аэробных, так и в анаэробных условиях в результате поступления субстрата и равновесной динамики.[6]

Использование тканей (мозг, сердце, мышцы)

Во время физических нагрузок или упражнений средней интенсивности лактат, выделяемый из работающих мышц и других тканей, является основным источником энергии для сердца, выходя из мышц через монокарбоксилатный транспортный белок (MCT).[7] Это доказательство подтверждается повышенным количеством белков-челноков MCT в сердце и мышцах прямо пропорционально нагрузке, измеряемой посредством мышечного сокращения.[8]

Кроме того, как нейроны, так и астроциты было показано, что они экспрессируют белки MCT, что позволяет предположить, что лактатный челнок может участвовать в метаболизме мозга. Астроциты экспрессируют MCT4, низкоаффинный переносчик лактата (Km = 35 мМ), что позволяет предположить, что его функция заключается в экспорте лактата, продуцируемого гликолизом. Напротив, 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

Гипотеза лактатного челнока также объясняет баланс продукции лактата в цитозоле через гликолиз или гликогенолиз и окисление лактата в митохондриях (описано ниже).

Пероксисомы

Транспортеры MCT2 внутри пероксисома функция транспорта пирувата в пероксисому, где он восстанавливается пероксисомальным ЛДГ (пЛДГ) до лактата. В свою очередь, NADH превращается в NAD +, регенерируя этот необходимый компонент для последующего β-окисление. Затем лактат выводится из пероксисомы через MCT2, где он окисляется цитоплазматическим LDH (cLDH) до пирувата, генерируя NADH для использования энергии и завершая цикл (см. Рисунок).[9]

Митохондрии

Пока цитозольный путь брожения лактата, новая особенность гипотезы лактатного челнока - это окисление лактата в митохондриях. Баба и Шерма (1971) были первыми, кто идентифицировал фермент лактатдегидрогеназу (ЛДГ) во внутренней мембране митохондрий и матриксе скелетных и сердечных мышц крыс.[10] Впоследствии ЛДГ была обнаружена в митохондриях печени, почек и сердца крыс.[11] Было также обнаружено, что лактат может окисляться так же быстро, как пируват, в митохондриях печени крысы. Поскольку лактат может либо окисляться в митохондриях (обратно в пируват для вступления в цикл Кребса, генерируя в процессе НАДН), либо служить в качестве глюконеогенного предшественника, внутриклеточный лактатный челнок был предложен для учета большей части обмена лактата. в организме человека (о чем свидетельствует незначительное повышение концентрации лактата в артериальной крови). Brooks et al. подтвердили это в 1999 году, когда они 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 облегченного переносчика лактата, монокарбоксилатного транспортного белка (MCT), в везикулах сарколеммы скелетных мышц крыс. Позже MCT1 был первым из суперсемейства MCT, который был идентифицирован.[12] Первые четыре изоформы MCT отвечают за транспорт пирувата / лактата. Было обнаружено, что MCT1 является преобладающей изоформой во многих тканях, включая скелетные мышцы, нейроны, эртроциты и сперму.[13] В скелетных мышцах MCT1 находится в мембранах сарколеммы,[12] пероксисома,[9] и митохондрии.[4] Из-за митохондриальной локализации МСТ (для транспортировки лактата в митохондрии), ЛДГ (для окисления лактата до пирувата) и ЦОГ (цитохром-с-оксидазы, конечного элемента цепи переноса электронов) Brooks et al. предложили возможность митохондриального комплекса окисления лактата в 2006 году. Это подтверждается наблюдением, что способность мышечных клеток окислять лактат была связана с плотностью митохондрий.[14] Кроме того, было показано, что тренировка увеличивает уровень белка MCT1 в митохондриях скелетных мышц, что соответствует увеличению способности мышц выводить лактат из организма во время упражнений.[15] Сродство MCT к пирувату больше, чем к лактату, однако две реакции гарантируют, что лактат будет присутствовать в концентрациях, которые на порядки величины выше, чем у пирувата: во-первых, константа равновесия ЛДГ (3,6 x 104) в значительной степени способствует образованию лактата. . Во-вторых, немедленное удаление пирувата из митохондрий (либо через цикл Кребса, либо через глюконеогенез) гарантирует, что пируват не присутствует в больших концентрациях внутри клетки.

LDH изофермент экспрессия зависит от ткани. Было обнаружено, что у крыс ЛДГ-1 была преобладающей формой в митохондриях миокарда, но ЛДГ-5 преобладала в митохондриях печени.[4] Предполагается, что это различие в изоферментах связано с преобладающим путем, по которому лактат будет принимать - в печени это, скорее всего, глюконеогенез, тогда как в миокарде, скорее всего, будет 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»

Редокс-сигнализация

Как показано на примере пероксисомального внутриклеточного лактатного челнока, описанного выше, взаимное превращение лактата и пирувата между клеточными компартментами играет ключевую роль в окислительном состоянии клетки. В частности, предполагается, что взаимное превращение NAD + и NADH между компартментами происходит в митохондриях. Однако доказательства этого отсутствуют, поскольку и лактат, и пируват быстро метаболизируются в митохондриях. Однако существование пероксисомального лактатного челнока предполагает, что этот окислительно-восстановительный челнок может существовать для других органелл.[9]

Экспрессия гена

Повышенные внутриклеточные уровни лактата могут действовать как сигнальный гормон, вызывая изменения в экспрессии генов, которые будут активировать гены, участвующие в удалении лактата.[16] Эти гены включают MCT1, цитохром с оксидаза (ЦОГ) и другие ферменты, участвующие в комплексе окисления лактата. Кроме того, лактат увеличивает уровень гамма-коактиватор рецептора, активированного пролифератором пероксисом, 1-альфа (PGC1-α), предполагая, что лактат стимулирует митохондриальный биогенез.[1]

Контроль липолиза

Помимо роли лактатного челнока в обеспечении НАД + субстрата для β-окисления в пероксисомах, челнок также регулирует мобилизацию FFA, контролируя уровни лактата в плазме. Исследования показали, что функция лактата ингибирует липолиз в жировых клетках за счет активации рецептора пары сиротских G-белков (GPR81 ), который действует как сенсор лактата, ингибируя липолиз в ответ на лактат.[17]

Роль лактата во время тренировки

Как обнаружили Брукс и др., В то время как лактат утилизируется в основном за счет окисления, и лишь небольшая его фракция поддерживает глюконеогенез, лактат является основным предшественником глюконеогенных веществ при длительных физических нагрузках.[1]

Брукс продемонстрировал в своих более ранних исследованиях, что небольшая разница в скорости производства лактата наблюдалась у тренированных и нетренированных субъектов при одинаковой выходной мощности. Однако были замечены более эффективные скорости клиренса лактата у обученных субъектов, что указывает на повышенную регуляцию белка MCT.[1]

Использование местного лактата зависит от физических нагрузок. Во время покоя примерно 50% выведения лактата происходит за счет окисления лактата, тогда как во время физических упражнений (50-75% VO2 max) примерно 75-80% лактата используется активными клетками, что указывает на роль лактата в качестве основного фактора. преобразование энергии при повышенных физических нагрузках.

Клиническое значение

Высокозлокачественные опухоли в значительной степени зависят от анаэробного гликолиза (метаболизма глюкозы в молочную кислоту даже в условиях достаточного количества кислорода в тканях; Эффект варбурга ) и, таким образом, необходимо оттекать молочную кислоту через МСТ в микросреду опухоли для поддержания устойчивого гликолитического потока и предотвращения «замаривания до смерти» опухоли.[18] МСТ успешно использовались в доклинических исследованиях с использованием РНКи. [19] и низкомолекулярный ингибитор альфа-циано-4-гидроксикоричной кислоты (ACCA; CHC), чтобы показать, что ингибирование оттока молочной кислоты является очень эффективной терапевтической стратегией против высокогликолитических злокачественных опухолей.[20][21][22]

В некоторых типах опухолей рост и метаболизм зависят от обмена лактата между гликолитическими и быстро дышащими клетками. Это особенно важно во время развития опухолевых клеток, когда клетки часто подвергаются анаэробному метаболизму, как это описывается эффектом Варбурга. Другие клетки той же опухоли могут иметь доступ к источникам кислорода или привлекать их (через ангиогенез ), позволяя ему подвергнуться аэробному окислению. Лактатный челнок может происходить, когда гипоксические клетки анаэробно метаболизируют глюкозу и переносят лактат через МСТ в соседние клетки, способные использовать лактат в качестве субстрата для окисления. Исследование того, как можно ингибировать опосредованный MCT обмен лактата в опухолевых клетках-мишенях, тем самым лишая клетки ключевых источников энергии, может привести к появлению новых многообещающих химиотерапевтических препаратов.[23]

Кроме того, было показано, что лактат является ключевым фактором ангиогенеза опухоли. Лактат способствует ангиогенезу за счет активации HIF-1 в эндотелиальных клетках. Таким образом, многообещающей целью терапии рака является подавление экспорта лактата с помощью блокаторов MCT-1, лишая развивающиеся опухоли источника кислорода.[24]

использованная литература

  1. ^ а б c d Брукс, Г.А. (2009). «Клеточно-клеточные и внутриклеточные лактатные шаттлы». Журнал физиологии. 587 (23): 5591–5600. Дои:10.1113 / jphysiol.2009.178350. ЧВК  2805372. PMID  19805739.
  2. ^ Gladden, LB (1 июля 2004 г.). «Метаболизм лактата: новая парадигма третьего тысячелетия». Журнал физиологии. 558 (Чт 1): 5–30. Дои:10.1113 / jphysiol.2003.058701. ЧВК  1664920. PMID  15131240.
  3. ^ Gladden, LB (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. PMID  18379209.
  4. ^ а б c Брукс, Г.А. (1999). «Роль митохондриальной лактатдегидрогеназы и окисления лактата во внутриклеточном лактатном челноке». Proc Natl Acad Sci U S A. 96 (3): 1129–1134. Дои:10.1073 / pnas.96.3.1129. ЧВК  15362. PMID  9927705.
  5. ^ Луптон, Х. (1923). «Анализ влияния скорости на механическую эффективность мышечных движений человека». J Physiol. 57 (6): 337–353. Дои:10.1113 / jphysiol.1923.sp002072. ЧВК  1405479. PMID  16993578.
  6. ^ Брукс, Г.А. (1998). «Использование топлива млекопитающими во время длительных упражнений». Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 120 (1): 89–107. Дои:10.1016 / с0305-0491 (98) 00025-х. PMID  9787780.
  7. ^ Герц, Э.В. (1988). «Взаимосвязь глюкозы и лактата во время упражнений средней интенсивности у людей». Метаболизм. 37 (9): 850–858. Дои:10.1016/0026-0495(88)90119-9. PMID  3138512.
  8. ^ Бергерсен, Л.Х. (2007). «Является ли лактат пищей для нейронов? Сравнение подтипов транспортеров монокарбоксилата в головном мозге и мышцах». Неврология. 145 (1): 11–19. Дои:10.1016 / j.neuroscience.2006.11.062. PMID  17218064. S2CID  45826369.
  9. ^ а б c Макклелланд, Дж. Б. (2003). «Переносчики монокарбоксилата через мембрану пероксисом: доказательства существования окислительно-восстановительной системы челнока?». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 304 (1): 130–135. Дои:10.1016 / s0006-291x (03) 00550-3. PMID  12705896.
  10. ^ Баба и Шарма (1971). «Гистохимия лактодегидрогеназы в сердце и грудных мышцах крысы». J Cell Biol. 51 (3): 621–635. Дои:10.1083 / jcb.51.3.621. ЧВК  2108042. PMID  5128351.
  11. ^ Брандт, Р. Б. (1986). «Локализация L-лактатдегидрогеназы в митохондриях». Arch Biochem Biophys. 246 (2): 673–80. Дои:10.1016/0003-9861(86)90323-1. PMID  3518634.
  12. ^ а б Гарсия, Д.К. (1994). «Генетическое разнообразие культивируемых креветок Penaeus vannamei с использованием трех молекулярно-генетических методов». Мол Мар Биол Биотехнология.
  13. ^ Цена, н.э. (1998). «Клонирование и секвенирование четырех новых гомологов переносчиков монокарбоксилата (MCT) млекопитающих подтверждает существование семейства переносчиков с древним прошлым». Поддержка исследований, за пределами США. Правительство. 329 (2): 321–8. Дои:10.1042 / bj3290321. ЧВК  1219047. PMID  9425115.
  14. ^ Болдуин, К. (1978). «Окислительная способность лактата в различных типах мышц». Biochem Biophys Res Commun. 83 (1): 151–157. Дои:10.1016 / 0006-291x (78) 90410-2. PMID  697805.
  15. ^ Дубушо, Х. (2000). «Тренировка на выносливость, выражение и физиология LDH, MCT1 и MCT4 в скелетных мышцах человека». Am J Physiol Endocrinol Metab. 278 (4): E571–9. Дои:10.1152 / ajpendo.2000.278.4.E571. PMID  10751188.
  16. ^ 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. PMID  18379211.
  17. ^ Лю, К. (2009). «Лактат подавляет липолиз в жировых клетках за счет активации сиротского рецептора, связанного с G-белком, GPR81». Журнал биологической химии. 284 (5): 2811–22. Дои:10.1074 / jbc.M806409200. PMID  19047060.
  18. ^ Матхупала С.П., Колен С.Б., Параджули П., Слоан А.Е. (2007). «Лактат и злокачественные опухоли: терапевтическая мишень на конечной стадии гликолиза (обзор)». J Bioenerg Biomembr. 39 (1): 73–77. Дои:10.1007 / s10863-006-9062-х. ЧВК  3385854. PMID  17354062.
  19. ^ Матхупала С.П., Параджули П., Слоан А.Е. (2004). «Замалчивание переносчиков монокарбоксилата с помощью небольшой мешающей рибонуклеиновой кислоты ингибирует гликолиз и индуцирует гибель клеток в злокачественной глиоме: исследование in vitro». Нейрохирургия. 55 (6): 1410–1419. Дои:10.1227 / 01.neu.0000143034.62913.59. PMID  15574223. S2CID  46103144.
  20. ^ Колен, CB, докторская диссертация (2005) http://elibrary.wayne.edu/record=b3043899~S47
  21. ^ Colen CB, Seraji-Bozorgzad N, Marples B, Galloway MP, Sloan AE, Mathupala SP (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. ЧВК  3385862. PMID  17277695.
  22. ^ Колен С.Б., Шен Й., Годдусси Ф., Ю П., Фрэнсис ТБ, Кох Б.Дж., Монтерей М.Д., Галлоуэй МП, Слоан А.Е., Матхупала 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. ЧВК  3132848. PMID  21750656.
  23. ^ Сонво, П. (2008). «Нацеливание на дыхание, питаемое лактатом, выборочно убивает гипоксические опухолевые клетки у мышей». Журнал клинических исследований. 118 (12): 3930–42. Дои:10.1172 / JCI36843. ЧВК  2582933. PMID  19033663.
  24. ^ De Saedeleer, C.J .; Copetti, T .; Порпорато, П. Э .; Verrax, J .; Feron, O .; Сонво, П. (2012). «Лактат активирует HIF-1 в окислительных, но не в опухолевых клетках человека по фенотипу Варбурга». PLOS ONE. 7 (10): e46571. Дои:10.1371 / journal.pone.0046571. ЧВК  3474765. PMID  23082126.