IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Лактатный метаболизм в двадцать первом веке, гипотезы и исследования.

The lactate metabolism. The lactate metabolism in the twenty-first century, hypotheses and research.

Гришина Мария Александровна.

Оренбургский государственный Медицинский университет, Министерство Здравоохранения Российской Федерации.

Оренбург, Россия.

Grishina Maria Aleksandrovna.

The Orenburg State Medical University, the Department of health of the Russian Federation. Orenburg, Russia

До второй половины ХХ века, лактат в значительной степени рассматривали как конечный продукт гликолиза из-за гипоксии, основной причины недостатка кислорода после выполнения физических упражнений, основной причины утомления мышц и ключевого фактора в поврежденной ацидозом ткани. С 1970, произошла лактатная революция.

В настоящее время, мы живем в эру расцвета лактатного челнока. Современные открытия показали, что повышенная продукция и концентрация лактата как результат аноксии и дезоксии является чаще ожиданием, чем правилом. Лактатный ацидоз повторно вычисляется как фактор мышечной работы. Лактат также является важным интермедиантом в процессе заживления раны и регенерации. Ученые нашли эксперименальное подтверждение для внутриклеточного челнока, лактатного пероксисомального и челнока от астроцита к нейрону, от лактата к аланину. Лактат является важным интермедиантом в многочисленных метаболических процессах, особенно мобильной заправке для аэробного метаболизма.

В 19 веке Луи Пастер доказал, что аноксия и дезоксия стимулируют выработку молочной кислоты в клетках. Содержание молочной кислоты увеличивается во время мышечных нагрузок из-за недостатка О2 для энергетических требований сжимающихся мышц. Нет никаких сомнений, что Р О2 имеет значение в диапазоне от 0,5 Торр и меньше и является результатом ограниченного О2 оборота цитохрома, и следовательно, О2-ограниченного окислительного фосфорилирования, условно названного дизоксией. Однако она не является единственной причиной для усиленной выработки молочной кислоты, вместе с возрастанием ее концентрации в мышцах и крови во время максимальных нагрузок. Немаловажную роль в этом процессе играют гормоны. Так адреналин препятствует быстрому удалению образовавшегося лактата из мышц при

физической нагрузке. Это обусловлено высокой активностью ЛДГ, АТФазы, пируватдегидрогеназного комплекса, малат-аспартатного и глицерофосфатного челноков.

Лактатдегирогеназа, основной фермент, принимающий участие в реакциях гликолиза, диссоциирует при физиологических значениях рН, однако свободные протоны не снижают ее уровень при нагрузке. Поэтому можно предположить, что лактат не является единственным фактором усталости мышц.

Ральф Г. Брукс выдвинул предположение о внутриклеточном лактатном челноке. Центральным принципом этой теории является Hla – антиген тканевой совместимости, неизбежный продукт гликолиза, особенно во время быстрого процесса; это так, потому что лактатдегидрогеназа имеет максимальную скорость, чем другие ферменты гликолитического пути окисления. Ученый выявил следующие доказательства, подтверждающие существование внутриклеточного лактатного челнока в скелетной мышце: 1) прямое поглощение и окисление молочной кислоты изолированной митохондрией без предварительного экстрамитохондриального переноса лактата пирувату, (2) присутствие внутримитохондриального резервуара ЛДГ, и (3) присутствие переносчика молочной кислоты МСТ 1 в митохондрии, предположительно во внутренней митохондриальной мембране. В этой гипотезе транспорта молочной кислоты HLA будет постоянно производиться в цитозоле и скорость этой выработки будет увеличиваться с повышением скорости протекания гликолиза. Из-за его высокой концентрации, лактат будет основной монокарбоновой кислотой, транспортируемой к митохондрии, где МСТ1 перенесет ее через внутримитохондриальную мембрану. Оказавшись внутри митохондрии, в матриксе, митохондриальная ЛДГ будет катализировать превращение лактата обратно в пируват, который окислится через пируватдегидрогеназную реакцию в ацетилкофермент А. Ацетил- КоА будет участвовать в цикле Кребса. Обратите внимание, что внутриклеточный транспорт молочной кислоты будет не только главным субстратом в виде превращения лактата в пируват; он также будет восстановительным эквивалентом, таким образом, исполнять роль малат-аспартатного и глицерофосфатного челноков в разной степени в зависимости от скорости образования молочной кислоты и скорости ее транспорта в митохондрию. Однако модель внутриклеточного челнока не стала общепризнанной в научных кругах из-за ее несоответствия термодинамическим принципам.

2

Повышенная активность нервной системы требует повышенного энергетического метаболизма в нейронах. Поэтому исследователи выдвинули гипотезу лактатного челнока «астроциты-нейроны».

В этой модели глутамат, который был реализован как нейротрансмиттер из нейронов, в первую очередь поступает в астроциты с помощью переносчика, который включает в себя один глутамат, три , и один , входящих в клетку, пока

выходит из неё. Потом эта транспортная активность астроцита приводит к активации

АТФ фазы (возможно с помощью повышения ), восстановлению ионного баланса, и синтезу глутамина из глутамата. Затрата энергии на работу АТФ - фазной помпы и на синтез глутамина приводит к [ATФ], [AДФ], [P] и [AМФ], которые во многом помогают гликолизу с получающейся в результате продукцией . Здесь гликолитические ферменты могут быть разобщены на пути синтеза глутамина или работу АТФазной помпы, разрешая преимущественную активацию гликолитической энергии системы. Повышение [ перемещает наружу вдоль его концентрационного градиента с помощью МСТ 1 переносчиков в плазматической мембране астроцитов. Далее [ во внеклеточном пространстве повышается, перемещая в соседние нейроны с помощью переносчика МСТ 2 в нейронной плазматической мембране. Внутри нейронов вместе с глюкозой работают как окислительное топливо для повышенного нейронного энергетического метаболизма, который вызван активацией АТФазы для восстановления ионного баланса и ресинтеза глутамата из глутамина, в основном полученного из астроцитов. Пока глюкоза может быть воспринята нейронами с помощью переносчика ГЛЮТ 3, большее количество глюкозы может быть использовано астроцитами и проникает внутрь них с помощью переносчика ГЛЮТ 1. Глутамат стимулирует транспорт глюкозы в культивируемых астроцитах гиппокампа человека более интенсивно, чем транспорт глюкозы у млекопитающих. В общем, в АНЛСН большая часть топлива для повышения энергии, потребляемой нейронами, поставляется от окружающих эритроцитов. В результате, метаболизм астроцитов в основном гликолитический, в то время как у нейронов он в основном окислительный. Обоснованность этой гипотезы подтверждает тот факт, что клетки тканей мозга, изолированных нервов и симпатических ганглиев используют лактат в качестве заменителя глюкозы.

3

В 2000 году американские ученые Звингманн и Вагенпетерсен выдвинули концепцию лактатно-аланильного челнока. Ключевыми участниками этого процесса являются ГАМК-эргические и глутаматэргические нейроны. Астроциты синтезируют глутамин из глутамата и аммония с помощью цитозольной глутаминовой синтетазы. Этот глутамин поступает от астроцитов и воспринимается нейронами, где он обратно превращается в глутамат с образованием аммония при помощи митохондриальной глутаминазы. Эта серия реакций (глутамино-глутаматный цикл) описывает путь углеродного скелета для взаимодействия между нейронами и астроцитами, но это не даёт объяснений для азота. Вот почему предложенный глутаматно-аланильный челнок будет нам необходим. В этом челноке аммоний от глутамина распадается в нейронах в сочетании с двумя молекулами оксоглутарата для превращения в глутамат с помощью митохондриальной глутаматной дегидрогеназы. В результате глутамат потом используется для трансаминирования пирувата и образования 2-оксоглутарата и аланина. Аланин высвобождается из нейронов, воспринимается астроцитами, объединяется с 2-оксоглутаратом и преобразовывается в пируват и глутамат. Это преобразование глутамата возвращается в исходную точку, описанную выше для глутамин-глутаматного цикла. Астроцитарный пируват снова превращается в лактат, который может высвобождаться и поступать в нейроны, где он превращается обратно в пируват, таким образом завершая лактатно- аланильный челнок. Этот челнок обеспечит направление протекания для процесса переноса аммония из нейронов в астроциты, необходимого условия для глутаминоглутаматного цикла. Этот челнок дополняет всем известный глутамин-глутаматный цикл.

В 1976 году ученые Лазаров и де Дюве доказали бета окисление жирных кислот в пероксисомах млекопитающих. Этот процесс нужен для укорочения очень длинной цепочки жирных кислот (от и длиннее) во время подготовки для последующего окисления в митохондриях. Помимо этого ацетил-КоА из пероксисомального бета окисления поставляет субстрат для синтеза желчных кислот, фосфолипидов, холестерола и жирных кислот. Основным ферментом, участвующим в этом процессе, является ЛДГ, которая присутствует в пероксисомах. Она способствует превращению пирувата в лактат внутри пероксисом под влиянием перехода НАДН в . Далее лакатат поступает в цитозоль и вновь переходит в пируват. Так осуществляется повторное окисление НАДН в пероксисоме, которое необходимо процесса для продолжения пероксисомального бета окисления жирных кислот.

4

Лактат – это важное промежуточное соединение в процессах заживления раны и регенерации, роли, которая вообще не может быть знакома исследователям в области энергетического обмена. Ещё в 1964 Грин и Голдберг сообщали, что синтез коллагена повышается почти в два раза, когда концентрация лактата поднимается до 15 мл в культивируемых фибробластах. В частности при заживлении раны производится и накапливается лактат в концентрациях, иногда превышающих диапазон 10-15 мл Примечательно, что лактат - это не просто результат гипоксии в ранах. Концентрация лактата повышается лишь незначительно под действием гипоксемии и гипероксии, оставляющих концентрацию лактата в ране практически без изменений. Так что же это за источник лактата в раневых ткани и жидкости? Пока одни клетки сдвигают производство лактата в сторону гипоксии, другие клетки сильно нуждаются в аэробном гликолизе, независимо от уровня кислорода. К примеру, большие объёмы лактата произведены в быстро размножающихся клетках в процессе, который не полностью понятен, эффект Варбурга. Пожалуй, самое главное то, что «окислительный взрыв» лейкоцитов усиливается в основном аэробным гликолизом, потому что лейкоциты содержат несколько митохондрий. Этот «окислительный взрыв» производит супероксид и ключевой компонент раневого иммунитета. Производство окислителя лейкоцитами составляет около 98% кислорода, потреблённого активированными клетками и зависимого от парциального давления кислорода примерно 600 мм РТ. Ст. Соответственно производство лактата лейкоцитами растёт с повышением оксигенации, вероятно компенсирующей некоторое снижение лактатного производства фибробластами из-за сокращения гипоксии.

Какова предполагаемая роль лактата в заживлении раны? Лактат повышает десорбцию коллагена и ангиогенез (развитие сосудов). Команда Хунта из Сан-Франциско предлагали два самостоятельных механизма для объяснения стимуляции синтеза коллагена лактатом в фибробластах. Во-первых, лактат вызывает повышение стимулирующей активности коллагена, приводящей к повышению производства проколлагеновой мРНК и синтеза коллагена. Во - вторых, лактат активизирует пролил гидроксилазу независимо от повышения коллагеновой транскрипции; этот фермент преобразует пролин в гидроксипролин в белке коллагена. Видимо основной механизм для обоих этих процессов один и тот же, регулируемый АДФ - риболизированием. Это широко распространённый тип пострансляционной модификации протеина; в этом процессе источником аденозин фосфорибозы (АДФР)

5

является никотинамид аденин динуклеотид (НАД+). Часть АДФР может быть ферментативно перенесена на определённые белки акцепторы, таким образом, изменяя их структуру и функции. В ядре многочисленные части АДФР могут быть добавлены в адресные аминокислотные остатки белков для формирования полиАДФР (пАДФР). В случае заживления раны это предполагает, что пАДФР снижает регуляцию коллагеновой генной транскрипции в фибробластах и что в похожем, но отличающемся процессе АДФР тормозит пролил гидроксилазу в цитоплазме. Эти ингибирующие эффекты АДФР отменены высокой концентрацией лактата следующим образом. Высокая [La] сдвигает равновесие ЛДГ реакции прочь от лактата + к пирувату +. В результате падения бюро замедляется работа ему подобных пАДФР и АДФР, это способствует синтезу коллагена и десорбции. НАДН не является субстратом для ферментов риболизирования.

В случае стимуляции лактатом ангиогенеза в ранах главный путь, как представляется, усиливается производством васкулярного эндотелиального ростового фактора (ВЭРФ) в макрофагах. Аналогично случаю для синтеза коллагена выше, кажется, что пАДФР ингибирует транскрипцию и синтез ВЭРФ и что активность ВЭРФ выпускается из макрофагов и ингибируется ковалентно связанной АДФР. Вновь предполагается, что повышенная [La] уменьшает бюро и снижает ингибиторный эффект пАДФР по отношению к синтезу ВЭРФ и моно - АДФР по отношению к активности ВЭРФ. По отношению к пути АДФ - риболизирования лактат может способствовать заживлению ран повышением доставки кислорода в раны, потому что лактат является рН – независимым сосудорасширяющим средством.

Лактатная парадигма сместилась. Доказательство от широкого спектра экспериментальных исследований по поводу большого разнообразия физиологических процессов оспаривает, что повышенное производство лактата и его концентрация как результаты аноксии и дезоксии были исключением, а не правилом. Накопление лактата во время тренировки наиболее часто является результатом множества взаимодействующих физиологических и биохимических процессов, а не просто лимитирующего окислительного фосфорилирования. Лактат и соответствующий ему ацидоз могут не быть основными виновниками мышечного утомления, как считали ранее. Удивительно, что лактат скорее всего является ключевым игроком в заживлении ран через свой эффект снижения процесса регулирования АДФ-риболизирования. В

6

некоторых причинах травм и сепсиса накопление лактата может быть связано не с сокращением , а со всплеском адреналина и с результирующей стимуляцией АТФазной помпы, работающей в основном на основе функционально с ней связанного аэробного гликолиза. Существует единогласная поддержка внутриклеточного лактатного челнока от клетки к клетке наряду с растущими доказательствами астроцито- нейронного, лактатноаланильного, пероксисомального,

челноков, которые строго разъясняют, что лактат - это важное промежуточное соединение в многочисленных метаболических процессах, преимущественно мобильное топливо для аэробного метаболизма и возможно медиатор редокс состояния между различными отделами как в клетке, так и между клетками. Лактат больше не может считаться обычным подозреваемым в метаболических преступлениях, но он играет роль центрального игрока в клеточном, местном метаболизме и метаболизме всего тела. В целом лактатный челнок от клетки к клетке расходуется далеко за пределами своего первоначального замысла, это приведено как объяснение для мышечного и тренировочного метаболизма, чтобы сейчас охватить все челноки как гранд описание ролей лактата в многочисленных метаболических процессах и путях. Как говорил Томас Кун, парадигма должна быть «достаточно беспрецедентной для привлечения устойчивой группы единомышленников из конкурирующих видов научной деятельности» и «достаточно открытых, для того чтобы оставить всякие проблемы ради заново определенной группы практиков» - точное описание современного состояния исследований лактатного метаболизма.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, Голинская Людмила Владимировна, доцент кафедры биохимии Оренбургского государственного медицинского университета, город Оренбург.

7

Код для цитирования: Скопировать