Laktaattisukkulan hypoteesi - Lactate shuttle hypothesis
Laktaatti sukkula hypoteesi kuvaa liikkeen laktaatin solunsisäisesti (solussa) ja intercellularly (solujen välillä). Hypoteesi perustuu havaintoon, että laktaattia muodostuu ja käytetään jatkuvasti eri soluissa sekä anaerobisissa että aerobisissa olosuhteissa. Lisäksi laktaatti, joka on tuotettu paikoissa, joissa glykolyysi- ja glykogenolyysinopeudet ovat korkeat, voidaan kuljettaa viereisiin tai syrjäisiin paikkoihin, mukaan lukien sydän- tai luustolihakset, joissa laktaattia voidaan käyttää glukoneogeenisena esiasteena tai substraattina hapettumiselle. Hypoteesin ehdotti professori George Brooks Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä.
Sen lisäksi, että sen rooli polttoaineen lähteenä on pääasiassa lihaksissa, sydämessä, aivoissa ja maksassa, laktaattisukkulan hypoteesi liittyy myös laktaatin rooliin redoksisignaloinnissa, geeniekspressiossa ja lipolyyttisessä kontrollissa. Nämä laktaatin lisäroolit ovat synnyttäneet termin "laktormoni", joka liittyy laktaatin rooliin signalointihormonina.
Laktaatti ja Cori -sykli
Ennen laktaattisukkulan hypoteesin muodostumista laktaattia oli pitkään pidetty sivutuotteena, joka johtui glukoosin hajoamisesta glykolyysin kautta anaerobisen aineenvaihdunnan aikana. Keinona regeneroimaan hapettuneen NAD + , laktaatti dehydrogenaasi katalysoi pyruvaatin laktaatin sytosolissa, jolloin NADH ja NAD + , regeneroidaan tarvittavat substraatin tarvitaan edelleen glykolyysin. Laktaatti kuljetetaan sitten perifeerisistä kudoksista maksaan Cori -syklin avulla, jossa se reformoidaan pyruvaatiksi käänteisreaktion avulla käyttämällä laktaattidehydrogenaasia. Tämän logiikan mukaan laktaattia pidettiin perinteisesti myrkyllisenä aineenvaihduntatuotteena, joka voi aiheuttaa väsymystä ja lihaskipuja anaerobisen hengityksen aikana. Laktaatti oli lähinnä maksu " happivelkaantumisesta ", jonka Hill ja Lupton määritelivät "käytetyn hapen kokonaismääräksi sen jälkeen, kun sen hyödyntäminen oli lopetettu".
Laktaattisukkulan solusolurooli
Cori -syklin lisäksi laktaattisukkulahypoteesi ehdottaa laktaatin täydentäviä toimintoja useissa kudoksissa. Toisin kuin pitkäaikainen usko, että laktaatti muodostuu hapen rajoitetun aineenvaihdunnan seurauksena, on olemassa merkittäviä todisteita siitä, että laktaatti muodostuu sekä aerobisissa että anaerobisissa olosuhteissa substraatin syötön ja tasapainodynamiikan seurauksena.
Kudosten käyttö (aivot, sydän, lihakset)
Fyysisen rasituksen tai kohtalaisen voimakkaan liikunnan aikana työskentelevistä lihaksista ja muista kudosvuoteista vapautunut laktaatti on sydämen ensisijainen polttoaineen lähde, joka poistuu lihaksista monokarboksylaattikuljetusproteiinin (MCT) kautta. Tätä näyttöä tukee lisääntynyt määrä MCT -sukkulaproteiineja sydämessä ja lihaksessa suoraan suhteessa rasitukseen mitattuna lihasten supistumisen kautta.
Lisäksi sekä neuronien että astrosyyttien on osoitettu ilmentävän MCT -proteiineja, mikä viittaa siihen, että laktaattisukkula voi olla mukana aivojen aineenvaihdunnassa. Astrosyytit ilmentävät MCT4: ää, matalan affiniteetin kuljettajaa laktaatille (Km = 35 mM), mikä viittaa siihen, että sen tehtävänä on viedä glykolyysillä tuotettua laktaattia. Päinvastoin, neuronit ilmentävät MCT2: ta, suuren affiniteetin kuljettajaa laktaatille (Km = 0,7 mM). Näin ollen oletetaan, että astrosyytit tuottavat laktaattia, jonka viereiset neuronit ottavat käyttöön ja hapetetaan polttoaineeksi.
Laktaattisukkulan solunsisäinen rooli
Laktaattisukkulan hypoteesi selittää myös laktaattituotannon tasapainon sytosolissa glykolyysin tai glykogenolyysin kautta ja laktaatin hapettumisen mitokondrioissa (kuvattu alla).
Peroksisomit
MCT2 -kuljettajat peroksisomitoiminnossa kuljettavat pyruvaattia peroksisomiin, jossa peroksisomaalinen LDH (pLDH) pelkistää sen laktaatiksi. NADH puolestaan muuttuu NAD+: ksi, joka uudistaa tämän tarvittavan komponentin myöhempää β-hapetusta varten . Laktaatti poistetaan sitten peroksisomista MCT2: n kautta, jossa se hapetetaan sytoplasmisen LDH: n (cLDH) avulla pyruvaatiksi, jolloin NADH muodostuu energiankäyttöön ja sykli suoritetaan loppuun (ks. Kuva).
Mitokondriot
Vaikka laktaatin sytosolinen käymisreitti on vakiintunut, laktaattisukkulan hypoteesin uusi piirre on laktaatin hapettuminen mitokondrioissa. Baba ja Sherma (1971) tunnistivat ensimmäisenä laktaattidehydrogenaasi -entsyymin (LDH) mitokondrioiden sisäkalvossa ja rotan luuston ja sydänlihaksen matriisissa. Myöhemmin LDH: ta todettiin rotan maksassa, munuaisissa ja sydämen mitokondrioissa. Havaittiin myös, että laktaatti voi hapettua rotan maksan mitokondrioissa yhtä nopeasti kuin pyruvaatti. Koska laktaatti voidaan joko hapettaa mitokondrioissa (takaisin pyruvaattiin Krebsin kiertokulkua varten, jolloin NADH muodostuu prosessissa) tai se toimii glukoneogeenisena esiasteena, on ehdotettu, että suurin osa laktaattikierrosta on otettu huomioon solunsisäisessä ihmiskehossa (mistä on osoituksena lievä nousu valtimoiden laktaattipitoisuudessa). Brooks et ai. vahvisti tämän vuonna 1999, kun he havaitsivat, että laktaatin hapettuminen ylitti pyruvaatin 10-40% rotan maksassa, luustossa ja sydänlihaksessa.
Vuonna 1990 Roth ja Brooks löysivät todisteita laktaatin, monokarboksylaattikuljetusproteiinin (MCT) helpotetusta kuljettajasta rotan luustolihaksen sarkolemma -rakkuloissa. Myöhemmin MCT1 oli ensimmäinen MCT -superperheestä, joka tunnistettiin. Ensimmäiset neljä MCT -isoformia vastaavat pyruvaatti/laktaatin kuljetuksesta. MCT1: n havaittiin olevan hallitseva isoformi monissa kudoksissa, mukaan lukien luustolihakset, neuronit, punasolut ja siittiöt. Luustolihaksissa MCT1 esiintyy sarkolemman, peroksisomin ja mitokondrioiden kalvoissa. MCT: n mitokondrioiden lokalisoinnin (laktaatin kuljettaminen mitokondrioihin), LDH: n (laktaatin hapetuksen takaisin pyruvaatiksi) ja COX: n (sytokromi c oksidaasi, elektroninsiirtoketjun pääelementti) vuoksi Brooks et ai. ehdotti mahdollisuutta mitokondriolaktaatin hapetuskompleksiin vuonna 2006. Tätä tukee havainto, että lihassolujen kyky hapettaa laktaattia liittyi mitokondrioiden tiheyteen. Lisäksi osoitettiin, että harjoittelu lisää MCT1 -proteiinipitoisuuksia luustolihasten mitokondrioissa ja että se vastasi lihasten kyvyn poistaa laktaattia kehosta harjoituksen aikana lisääntymistä. MCT: n affiniteetti pyruvaattiin on suurempi kuin laktaatti, mutta kahdella reaktiolla varmistetaan, että laktaattia on läsnä pitoisuuksina, jotka ovat suuruusluokkaa suurempia kuin pyruvaatti: ensinnäkin LDH: n tasapainovakio (3,6 x 104) suosii suuresti laktaatin muodostumista . Toiseksi pyruvaatin välitön poistaminen mitokondrioista (joko Krebsin syklin tai glukoneogeneesin kautta) varmistaa, että pyruvaatti ei ole läsnä suurina pitoisuuksina solussa.
LDH- isoentsyymin ilmentyminen on kudoksesta riippuvaista. Todettiin, että rotilla LDH-1 oli hallitseva muoto sydänlihaksen mitokondrioissa, mutta LDH-5 oli hallitseva maksan mitokondrioissa. Epäillään, että tämä isoentsyymin ero johtuu laktaatin hallitsevasta reitistä - maksassa se on todennäköisemmin glukoneogeneesiä, kun taas sydänlihaksessa se on todennäköisemmin hapettumista. Näistä eroista huolimatta ajatellaan, että mitokondrioiden redoksitila määrää kudosten kyvyn hapettaa laktaattia, ei tiettyä LDH -isoformia.
Laktaatti signaalimolekyylinä: 'laktormoni'
Redox -merkinanto
Kuten yllä kuvattu peroksisomaalinen solunsisäinen laktaattisukkula havainnollistaa, laktaatin ja pyruvaatin keskinäisellä muuntumisella soluosastojen välillä on avainrooli solun hapettumistilassa. Erityisesti NAD+: n ja NADH: n keskinäisen muuntamisen osastojen välillä on oletettu tapahtuvan mitokondrioissa. Tästä ei kuitenkaan ole näyttöä, koska sekä laktaatti että pyruvaatti metaboloituvat nopeasti mitokondrioissa. Kuitenkin peroksisomaalisen laktaattisukkulan olemassaolo viittaa siihen, että tämä redoksisukkula voisi olla olemassa muille organelleille.
Geenien ilmentyminen
Lisääntyneet solunsisäiset laktaattitasot voivat toimia signalointihormonina aiheuttaen muutoksia geeniekspressiossa, jotka lisäävät laktaatin poistoon osallistuvien geenien määrää. Näitä geenejä ovat MCT1, sytokromi c -oksidaasi (COX) ja muut laktaatin hapetuskompleksiin osallistuvat entsyymit. Lisäksi laktaatti lisää peroksisomiproliferaattorin aktivoiman reseptorin gamma-koaktivaattorin 1-alfa (PGC1-α) pitoisuuksia , mikä viittaa siihen, että laktaatti stimuloi mitokondrioiden biogeneesiä.
Lipolyysin hallinta
Laktaattisukkulan roolin lisäksi NAD+ -substraatin syöttämisessä β-hapetusta varten peroksisomeissa, sukkula säätelee myös FFA-mobilisaatiota säätelemällä plasman laktaattitasoja. Tutkimukset ovat osoittaneet, että laktaatti estää lipolyysiä rasvasoluissa aktivoimalla orvon G-proteiiniparireseptorin ( GPR81 ), joka toimii laktaattianturina ja estää lipolyysiä vasteena laktaatille.
Laktaatin rooli harjoituksen aikana
Kuten Brooks et ai. Havaitsivat, vaikka laktaatti hävitetään pääasiassa hapettamalla ja vain pieni osa tukee glukoneogeneesiä , laktaatti on tärkein glukoneogeeninen esiaste jatkuvan harjoittelun aikana.
Brooks osoitti aiemmissa tutkimuksissaan, että pieniä eroja laktaatin tuotantomäärissä havaittiin koulutetuilla ja kouluttamattomilla koehenkilöillä vastaavilla teholähteillä. Nähtiin kuitenkin, että laktaatin puhdistuma oli tehokkaampaa koulutetuilla koehenkilöillä, mikä viittaa MCT -proteiinin lisäämiseen.
Paikallinen laktaatin käyttö riippuu liikunnan rasituksesta. Lepotilassa noin 50% laktaatin hävittämisestä tapahtuu laktaatin hapettumisen kautta, kun taas raskaan liikunnan aikana (50-75% VO2 max) aktiivinen solu käyttää noin 75-80% laktaatista, mikä osoittaa laktaatin roolin tärkeänä tekijänä energian muuntaminen lisääntyneen rasituksen aikana.
Lääketieteellinen merkitys
Hyvin pahanlaatuiset kasvaimet tukeutuvat voimakkaasti anaerobiseen glykolyysiin (glukoosin metabolia maitohapoksi jopa runsaan kudoshapen alla; Warburgin vaikutus ), ja siksi niiden on johdettava maitohappo MCT: iden kautta kasvaimen mikroympäristöön, jotta ylläpidetään kestävää glykolyyttistä virtausta ja estetään kasvain "peittauksesta kuolemaan". MCT: t on kohdennettu onnistuneesti prekliinisissä tutkimuksissa, joissa on käytetty RNAi: ta ja pienimolekyylisiä estäjiä alfa-syano-4-hydroksikanelihappoa (ACCA; CHC) sen osoittamiseksi, että maitohapon ulosvirtauksen estäminen on erittäin tehokas terapeuttinen strategia erittäin glykolyyttisiä pahanlaatuisia kasvaimia vastaan .
Joissakin kasvaintyypeissä kasvu ja aineenvaihdunta riippuvat laktaatin vaihdosta glykolyyttisten ja nopeasti hengittävien solujen välillä. Tämä on erityisen tärkeää kasvainsolujen kehityksen aikana, kun solut käyvät usein anaerobista aineenvaihduntaa, kuten Warburgin vaikutus kuvaa. Muilla saman kasvaimen soluilla voi olla pääsy tai rekrytoida hapen lähteitä ( angiogeneesin kautta ), jolloin se voi suorittaa aerobisen hapettumisen. Laktaattisukkula voi esiintyä, kun hypoksiset solut metaboloivat anaerobisesti glukoosia ja siirtävät laktaatin MCT: n kautta viereisiin soluihin, jotka kykenevät käyttämään laktaattia hapetuksen substraattina. Tutkimus siitä, miten MCT-välitteinen laktaattivaihto kohdesyöpäsoluissa voidaan estää, joten solujen riistäminen tärkeimmistä energialähteistä voi johtaa lupaaviin uusiin kemoterapia-aineisiin.
Lisäksi laktaatin on osoitettu olevan avaintekijä kasvaimen angiogeneesissä. Laktaatti edistää angiogeneesiä säätelemällä HIF-1 : tä endoteelisoluissa. Siten syövän hoidon lupaava kohde on laktaatin viennin estäminen MCT-1-salpaajien kautta, jolloin kehitysvammaiset kasvaimet jäävät ilman hapenlähteestä.