Гипотеза лактатного челнока - Lactate shuttle hypothesis
Гипотеза лактатного челнока описывает движение лактата внутриклеточно (внутри клетки) и межклеточно (между клетками). Гипотеза основана на наблюдении, что лактат постоянно образуется и используется в различных клетках как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Кроме того, лактат, продуцируемый на участках с высокой скоростью гликолиза и гликогенолиза, может быть перемещен в соседние или удаленные участки, включая сердце или скелетные мышцы, где лактат может использоваться в качестве глюконеогенного предшественника или субстрата для окисления. Их гипотеза была предложена профессором Джорджем Бруксом из Калифорнийского университета в Беркли.
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.
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. 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 превращается в пируват посредством обратной реакции с использованием лактатдегидрогеназы. Исходя из этой логики, лактат традиционно считался токсичным побочным продуктом метаболизма, который мог вызывать усталость и мышечные боли во время анаэробного дыхания. Лактат был, по сути, платой за « кислородный долг », определенный Хиллом и Луптоном как «общее количество кислорода, использованное после прекращения упражнений для восстановления от этого».
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.
Использование тканей (мозг, сердце, мышцы)
Во время физических нагрузок или упражнений средней интенсивности лактат, высвобождаемый из работающих мышц и других тканей, является основным источником энергии для сердца, выходя из мышц через транспортный белок монокарбоксилата (MCT). Это доказательство подтверждается увеличением количества белков-шаттлов MCT в сердце и мышцах прямо пропорционально нагрузке, измеряемой посредством мышечного сокращения.
Кроме того, как нейроны, так и астроциты , как было показано, экспрессируют белки MCT, предполагая, что лактатный челнок может участвовать в метаболизме мозга. Астроциты экспрессируют MCT4, переносчик лактата с низким сродством (Km = 35 мМ), что позволяет предположить, что его функция заключается в экспорте лактата, продуцируемого гликолизом. Напротив, нейроны экспрессируют MCT2, высокоаффинный переносчик лактата (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 выработки лактата в цитозоле посредством гликолиза или гликогенолиза и окисления лактата в митохондриях (описано ниже).
Пероксисомы
Транспортеры MCT2 в составе пероксисом выполняют функцию транспортировки пирувата в пероксисому, где он восстанавливается пероксисомальной ЛДГ (pLDH) 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 LDH (cLDH) до пирувата, генерируя NADH для использования энергии и завершая цикл (см. Рисунок).
Митохондрии
Хотя цитозольный путь ферментации лактата хорошо изучен, новой особенностью гипотезы лактатного челнока является 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. Впоследствии ЛДГ была обнаружена в митохондриях печени, почек и сердца крыс. 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 входа в цикл Кребса, генерируя в процессе НАДН), либо служить в качестве глюконеогенного предшественника, внутриклеточный лактатный челнок был предложен для учета большей части оборота 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. Первые четыре изоформы MCT отвечают за транспорт пирувата / лактата. Было обнаружено, что MCT1 является преобладающей изоформой во многих тканях, включая скелетные мышцы, нейроны, эритроциты и сперму. В скелетных мышцах MCT1 находится в мембранах сарколеммы, пероксисомы и митохондрий. Из-за митохондриальной локализации МСТ (для транспортировки лактата в митохондрии), ЛДГ (для окисления лактата обратно 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. 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. 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 LDH (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 в клетке.
Экспрессия изофермента ЛДГ зависит от ткани. Было обнаружено, что у крыс ЛДГ-1 была преобладающей формой в митохондриях миокарда, а ЛДГ-5 преобладала в митохондриях печени. 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.
Экспрессия гена
Повышенные внутриклеточные уровни лактата могут действовать как сигнальный гормон, вызывая изменения в экспрессии генов, которые активируют гены, участвующие в удалении лактата. Эти гены включают MCT1, цитохром с оксидазу (COX) и другие ферменты, участвующие в комплексе окисления лактата. Кроме того, лактат увеличивает уровни коактиватора гамма-рецептора 1-альфа, активируемого пролифератором пероксисом (PGC1-α), что позволяет предположить, что лактат стимулирует митохондриальный биогенез.
Контроль липолиза
Помимо роли лактатного челнока в обеспечении НАД + субстратом для β-окисления в пероксисомах, челнок также регулирует мобилизацию FFA, контролируя уровни лактата в плазме. Исследования показали, что функция лактата заключается в ингибировании липолиза в жировых клетках за счет активации рецептора пары сиротских G-белков ( GPR81 ), который действует как сенсор лактата, ингибируя липолиз в ответ на лактат.
Роль лактата во время тренировки
Как обнаружили Брукс и др., В то время как лактат утилизируется в основном за счет окисления и лишь незначительная его фракция поддерживает глюконеогенез , лактат является основным предшественником глюконеогенеза во время продолжительных упражнений.
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.
Использование местного лактата зависит от физических нагрузок. Во время отдыха примерно 50% выведения лактата происходит за счет окисления лактата, тогда как во время интенсивных 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 (метаболизм глюкозы в молочную кислоту даже при достаточном количестве кислорода в тканях; эффект Варбурга ) и, следовательно, нуждаются в оттоке молочной кислоты через МСТ в микросреду опухоли для поддержания устойчивого гликолитического потока и предотвращения опухоли. от «маринования до смерти». МСТ успешно использовались в доклинических исследованиях с использованием РНКи и низкомолекулярного ингибитора альфа-циано-4-гидроксикоричной кислоты (АССА; CHC), чтобы показать, что подавление оттока молочной кислоты является очень эффективной терапевтической стратегией против высокогликолитических злокачественных опухолей. .
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, что описывается эффектом Варбурга. Другие клетки в той же опухоли могут иметь доступ к источникам кислорода или привлекать их (через ангиогенез ), позволяя ему подвергаться 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.
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 противораковой терапии является подавление экспорта лактата с помощью блокаторов MCT-1, что лишает развивающиеся опухоли источника кислорода.