Laktátová kyvadlová hypotéza - Lactate shuttle hypothesis

The laktátová kyvadlová hypotéza navrhl profesor George Brooks z Kalifornské univerzity v Berkeley a popsal pohyb laktát intracelulárně (v buňce) a intercelulárně (mezi buňkami). Hypotéza je založena na pozorování, že laktát se tvoří a nepřetržitě využívá v různých buňkách pod oběma anaerobní a aerobní podmínky.^[1] Dále laktát produkovaný na místech s vysokou rychlostí glykolýza a glykogenolýza lze dopravit na sousední nebo vzdálená místa včetně srdce nebo kosterních svalů, kde lze použít laktát jako a glukoneogenní prekurzor nebo substrát pro oxidaci.^[2]

Kromě své role jako zdroje paliva převážně ve svalech, srdci, mozku a játrech se hypotéza kyvadlového laktátu týká také úlohy laktátu v redoxní signalizaci, genové expresi a lipolytické kontrole. Tyto další role laktátu vedly ke vzniku termínu „laktormon“, který se týká role laktátu jako signálního hormonu.^[3]

Laktát a Coriho cyklus

Před vytvořením hypotézy kyvadlového přenosu laktátu byl laktát dlouho považován za vedlejší produkt, který vznikl rozkladem glukózy glykolýzou v době anaerobního metabolismu.^[4] Jako prostředek regenerace oxidovaného NAD⁺, laktátdehydrogenáza katalyzuje konverzi pyruvát na laktát v cytosolu, oxidující NADH na NAD⁺, regenerace nezbytného substrátu potřebného k pokračování glykolýzy. Laktát je poté transportován z periferních tkání do jater pomocí Coriho cyklus kde se pomocí reverzní reakce za použití laktátdehydrogenázy reformuje na pyruvát. Podle této logiky byl laktát tradičně považován za toxický metabolický vedlejší produkt, který by mohl vést k únavě a bolesti svalů v době anaerobního dýchání. Lactate byla v podstatě platba za „kyslíkový dluh „Definovali Hill a Lupton jako„ celkové množství použitého kyslíku po ukončení cvičení při jeho zotavení “.^[5]

Úloha laktátového člunku mezi buňkami

Kromě Coriho cyklu navrhuje laktátová kyvadlová hypotéza doplňkové funkce laktátu ve více tkáních. Na rozdíl od dlouhodobého přesvědčení, že laktát se tvoří v důsledku metabolismu s omezeným obsahem kyslíku, existují značné důkazy, které naznačují, že laktát se tvoří za aerobních i anaerobních podmínek v důsledku dodávek substrátu a rovnovážné dynamiky.^[6]

Použití tkáně (mozek, srdce, sval)

Během fyzické námahy nebo cvičení střední intenzity je laktát uvolněný z pracujících svalů a jiných tkáňových lůžek primárním zdrojem paliva pro srdce a opouští svaly monokarboxylátový transportní protein (MCT).^[7] Tento důkaz je podporován zvýšeným množstvím MCT kyvadlových proteinů v srdci a svalu v přímém poměru k námaze měřené pomocí svalové kontrakce.^[8]

Dále neurony a astrocyty Bylo prokázáno, že exprimují proteiny MCT, což naznačuje, že laktátový člun může být zapojen do metabolismu mozku. Astrocyty exprimují MCT4, transportér s nízkou afinitou k laktátu (Km = 35 mM), což naznačuje, že jeho funkcí je export laktátu produkovaného glykolýzou. Naopak neurony exprimují MCT2, vysoce afinitní transportér pro laktát (Km = 0,7 mM). Existuje tedy hypotéza, že astrocyty produkují laktát, který je poté absorbován sousedními neurony a oxidován na palivo.

Intracelulární role laktátového raketoplánu

Hypotéza kyvadlového laktátu také vysvětluje rovnováhu produkce laktátu v cytosolu glykolýza nebo glykogenolýza a oxidace laktátu v mitochondriích (popsáno níže).

Peroxisomy

Transportéry MCT2 v rámci peroxisom funkce transportovat pyruvát do peroxisomu, kde je redukován peroxizomálním LDH (pLDH) na laktát. Na druhé straně je NADH převeden na NAD + a regeneruje tuto nezbytnou komponentu pro další β-oxidace. Laktát se poté přesune z peroxisomu přes MCT2, kde se oxiduje cytoplazmatickým LDH (cLDH) na pyruvát, čímž se vytvoří NADH pro použití energie a dokončí se cyklus (viz obrázek).^[9]

Mitochondrie

Zatímco cytosolický fermentační cesta laktátu je dobře zavedený, novým rysem hypotézy kyvadlového přenosu laktátu je oxidace laktátu v mitochondriích. Baba a Sherma (1971) jako první identifikovali enzym laktátdehydrogenázu (LDH) v mitochondriální vnitřní membráně a matrix kosterního a srdečního svalu krysy.^[10] Následně byl LDH nalezen v mitochondriích jater, ledvin a srdce krysy.^[11] Bylo také zjištěno, že laktát může být oxidován tak rychle jako pyruvát v mitochondriích jater potkanů. Protože laktát může být buď oxidován v mitochondriích (zpět na pyruvát pro vstup do Krebsova cyklu, generující NADH v procesu), nebo sloužit jako glukoneogenní prekurzor, bylo navrženo, aby většina obratu laktátu odpovídala intracelulární laktátová kyvadlová doprava v lidském těle (o čemž svědčí mírné zvýšení koncentrace arteriálního laktátu). Brooks a kol. to potvrdili v roce 1999, kdy zjistili, že oxidace laktátu překročila oxidaci pyruvátu o 10–40% v játrech, kostech a srdečním svalu krys.

V roce 1990 našli Roth a Brooks důkazy o usnadněném transportéru laktátu, monokarboxylátového transportního proteinu (MCT), ve váčcích sarkolemmy kosterního svalu krysy. Později byla MCT1 první ze super rodiny MCT, která byla identifikována.^[12] První čtyři izoformy MCT jsou zodpovědné za transport pyruvát / laktát. Bylo zjištěno, že MCT1 je převládající izoformou v mnoha tkáních včetně kosterního svalstva, neuronů, erytrocytů a spermií.^[13] V kosterním svalu se MCT1 nachází v membránách sarkolemmy,^[12] peroxisom,^[9] a mitochondrie.^[4] Z důvodu mitochondriální lokalizace MCT (k transportu laktátu do mitochondrií), LDH (k oxidaci laktátu zpět na pyruvát) a COX (cytochrom c oxidáza, terminální prvek řetězce transportu elektronů), Brooks et al. navrhla možnost mitochondriálního oxidačního komplexu laktátu v roce 2006. To podporuje zjištění, že schopnost svalových buněk oxidovat laktát souvisela s hustotou mitochondrií.^[14] Dále se ukázalo, že trénink zvyšuje hladinu proteinu MCT1 v mitochondriích kosterního svalstva a to odpovídá zvýšení schopnosti svalu odstraňovat z těla během cvičení laktát.^[15] Afinita MCT k pyruvátu je vyšší než u laktátu, avšak dvě reakce zajistí, že laktát bude přítomen v koncentracích řádově vyšších než pyruvát: za prvé, rovnovážná konstanta LDH (3,6 x 104) výrazně podporuje tvorbu laktátu . Za druhé, okamžité odstranění pyruvátu z mitochondrií (buď Krebsovým cyklem nebo glukoneogenezí) zajišťuje, že pyruvát není v buňce přítomen ve velkých koncentracích.

LDH izoenzym exprese je závislá na tkáni. Bylo zjištěno, že u potkanů ​​byl LDH-1 převládající formou v mitochondriích myokardu, ale LDH-5 převládal v jaterních mitochondriích.^[4] Předpokládá se, že tento rozdíl v izoenzymu je způsoben převládající cestou, kterou bude laktát procházet - v játrech je to pravděpodobně glukoneogeneze, zatímco v myokardu je to spíše oxidace. Přes tyto rozdíly se předpokládá, že redoxní stav mitochondrií určuje schopnost tkání oxidovat laktát, nikoli konkrétní izoformu LDH.

Laktát jako signální molekula: „laktormon“

Redoxní signalizace

Jak je ilustrováno výše popsaným peroxisomálním intracelulárním laktátovým člunkem, hraje v oxidačním stavu buňky klíčovou roli přeměna laktátu a pyruvátu mezi buněčnými kompartmenty. Konkrétně byla předpokládána interkonverze NAD + a NADH mezi kompartmenty v mitochondriích. Důkazy pro to však chybí, protože laktát i pyruvát jsou rychle metabolizovány uvnitř mitochondrií. Existence peroxisomálního laktátového raketoplánu však naznačuje, že tento redox raketoplán by mohl existovat i pro jiné organely.^[9]

Genový výraz

Zvýšené intracelulární hladiny laktátu mohou působit jako signální hormon, vyvolávající změny v genové expresi, které zvýší regulaci genů podílejících se na odstranění laktátu.^[16] Tyto geny zahrnují MCT1, cytochrom c oxidáza (COX) a další enzymy podílející se na oxidačním komplexu laktátu. Navíc laktát zvýší hladinu receptor aktivovaný proliferátorem peroxisomu gama koaktivátor 1-alfa (PGC1-α), což naznačuje, že laktát stimuluje mitochondriální biogenezi.^[1]

Kontrola lipolýzy

Kromě role laktátového raketoplánu při dodávání substrátu NAD + pro β-oxidaci v peroxisomech reguluje raketoplán také mobilizaci FFA kontrolou hladiny laktátu v plazmě. Výzkum prokázal, že laktát funguje tak, že inhibuje lipolýzu v tukových buňkách aktivací receptoru pro pár sirotků s G-proteiny (GPR81 ), který působí jako laktátový senzor a inhibuje lipolýzu v reakci na laktát.^[17]

Role laktátu během cvičení

Jak zjistili Brooks a kol., Zatímco laktát se likviduje hlavně oxidací a podporuje pouze malá část glukoneogeneze Laktát je hlavním glukoneogenním prekurzorem během dlouhodobého cvičení.^[1]

Brooks ve svých dřívějších studiích prokázal, že u vyškolených a netrénovaných subjektů s ekvivalentním výkonem byly pozorovány malé rozdíly v produkci laktátu. Bylo však vidět, že u trénovaných subjektů byly účinnější rychlosti vylučování laktátu, což naznačuje nadregulaci proteinu MCT.^[1]

Místní použití laktátu závisí na fyzické námaze. Během odpočinku přibližně 50% odstraňování laktátu probíhá oxidací laktátu, zatímco v době namáhavého cvičení (50-75% VO2 max) je aktivní buňkou využito přibližně 75-80% laktátu, což naznačuje roli laktátu jako hlavního přispěvatele do přeměna energie při zvýšené námaze na cvičení.

Klinický význam

Vysoce maligní nádory se silně spoléhají na anaerobní glykolýzu (metabolismus glukózy na kyselinu mléčnou i při velkém množství kyslíku ve tkáni; Warburgův efekt ), a proto je potřeba vylučovat kyselinu mléčnou pomocí MCT do mikroprostředí nádoru, aby se udrželo silné glykolytické množství a zabránilo se „uhynutí“ nádoru.^[18] MCT byly úspěšně zaměřeny v předklinických studiích s použitím RNAi ^[19] a inhibitor s malou molekulou alfa-kyano-4-hydroxycinnamová kyselina (ACCA; CHC), který ukazuje, že inhibice odtoku kyseliny mléčné je velmi účinná terapeutická strategie proti vysoce glykolytickým maligním nádorům.^[20][21][22]

U některých typů nádorů závisí růst a metabolismus na výměně laktátu mezi glykolytickými a rychle dýchajícími buňkami. To je zvláště důležité během vývoje nádorových buněk, když buňky často podléhají anaerobnímu metabolismu, jak je popsáno Warburgovým efektem. Jiné buňky ve stejném nádoru mohou mít přístup nebo získávat zdroje kyslíku (přes angiogeneze ), což jí umožňuje podstoupit aerobní oxidaci. K laktátovému kyvadlu může dojít, když hypoxické buňky anaerobně metabolizují glukózu a laktát převádějí pomocí MCT do sousedních buněk schopných použít laktát jako substrát pro oxidaci. Výzkum, jak lze inhibovat výměnu laktátu zprostředkovanou MCT v cílených nádorových buňkách, a tím zbavit buňky klíčových zdrojů energie, by mohl vést k slibným novým chemoterapeutikům.^[23]

Navíc se ukázalo, že laktát je klíčovým faktorem v angiogenezi nádoru. Laktát podporuje angiogenezi zvýšenou regulací HIF-1 v endotelových buňkách. Slibným cílem léčby rakoviny je tedy inhibice exportu laktátu prostřednictvím blokátorů MCT-1, která zbavuje vyvíjející se nádory zdroje kyslíku.^[24]

Reference