Hypotes för laktatskyttel

Laktatskyttelhypotesen beskriver rörelsen av laktat intracellulärt (inom en cell) och intercellulärt (mellan celler) . Hypotesen bygger på observationen att laktat bildas och används kontinuerligt i olika celler under både anaeroba och aeroba förhållanden. Vidare kan laktat producerat vid ställen med höga glykolys- och glykogenolyshastigheter transporteras till intilliggande eller avlägsna ställen inklusive hjärt- eller skelettmuskler där laktatet kan användas som en glukoneogen prekursor eller substrat för oxidation. Hypotesen föreslogs av professor George Brooks vid University of California i Berkeley.

Utöver sin roll som bränslekälla främst i muskler, hjärta, hjärna och lever, relaterar laktatskyttelhypotesen också laktats roll i redoxsignalering, genuttryck och lipolytisk kontroll. Dessa ytterligare roller av laktat har gett upphov till termen "laktormon", som hänför sig till rollen av laktat som ett signalhormon.

Laktat och Cori-cykeln

Före bildandet av laktatskyttelhypotesen hade laktat länge ansetts vara en biprodukt som härrör från glukosnedbrytning genom glykolys i tider av anaerob metabolism. Som ett sätt att regenerera oxiderad NAD ^{+ katalyserar} laktatdehydrogenas omvandlingen av pyruvat till laktat i cytosolen, oxiderar NADH till NAD + ^, regenererar det nödvändiga substratet som behövs för att fortsätta glykolysen. Laktat transporteras sedan från de perifera vävnaderna till levern med hjälp av Cori-cykeln där det omvandlas till pyruvat genom omvänd reaktion med laktatdehydrogenas. Enligt denna logik ansågs laktat traditionellt vara en giftig metabolisk biprodukt som kunde ge upphov till trötthet och muskelsmärta under tider av anaerob andning. Laktat var i huvudsak betalning för " syreskuld " definierad av Hill och Lupton som "den totala mängden syre som användes, efter att träningen upphört för att återhämta sig därifrån".

Cell-cell roll av laktat skytteln

Förutom Cori Cycle föreslår laktatskyttelhypotesen kompletterande funktioner hos laktat i flera vävnader. I motsats till den långvariga uppfattningen att laktat bildas som ett resultat av syrebegränsad metabolism, finns det betydande bevis som tyder på att laktat bildas under både aeroba och anaeroba förhållanden, som ett resultat av substrattillförsel och jämviktsdynamik.

Vävnadsanvändning (hjärna, hjärta, muskler)

Under fysisk ansträngning eller träning med måttlig intensitet är laktat som frigörs från arbetande muskel- och andra vävnadsbäddar den primära bränslekällan för hjärtat, som lämnar musklerna genom monokarboxylattransportprotein (MCT). Detta bevis stöds av en ökad mängd MCT-shuttleproteiner i hjärtat och muskeln i direkt proportion till ansträngning mätt genom muskelkontraktion.

Dessutom har både neuroner och astrocyter visat sig uttrycka MCT-proteiner, vilket tyder på att laktatskytteln kan vara involverad i hjärnans metabolism. Astrocyter uttrycker MCT4, en transportör med låg affinitet för laktat (Km = 35 mM), vilket tyder på att dess funktion är att exportera laktat som produceras genom glykolys. Omvänt uttrycker neuroner MCT2, en transportör med hög affinitet för laktat (Km = 0,7 mM). Således antas det att astrocyterna producerar laktat som sedan tas upp av de intilliggande neuronerna och oxideras för bränsle.

Intracellulär roll för laktatskytteln

Laktatskyttelhypotesen förklarar också balansen mellan laktatproduktion i cytosolen, via glykolys eller glykogenolys , och laktatoxidation i mitokondrierna (beskrivs nedan).

Peroxisomer

MCT2-transportörer inom peroxisomen fungerar för att transportera pyruvat in i peroxisomen där det reduceras av peroxisomalt LDH (pLDH) till laktat. I sin tur omvandlas NADH till NAD+, vilket regenererar denna nödvändiga komponent för efterföljande β-oxidation . Laktat skjuts sedan ut ur peroxisomen via MCT2, där det oxideras av cytoplasmatisk LDH (cLDH) till pyruvat, vilket genererar NADH för energianvändning och fullbordar cykeln (se figur).

Mitokondrier

Medan den cytosoliska fermenteringsvägen för laktat är väl etablerad, är en ny egenskap hos laktatskyttelhypotesen oxidationen av laktat i mitokondrierna. Baba och Sherma (1971) var de första som identifierade enzymet laktatdehydrogenas (LDH) i mitokondriernas inre membran och matris hos råttskelett och hjärtmuskel. Därefter hittades LDH i råttlever, njure och hjärtmitokondrier. Man fann också att laktat kunde oxideras lika snabbt som pyruvat i råttlevermitokondrier. Eftersom laktat antingen kan oxideras i mitokondrierna (tillbaka till pyruvat för inträde i Krebs cykel, genererar NADH i processen), eller fungera som en glukoneogen prekursor, har den intracellulära laktatskytteln föreslagits stå för majoriteten av laktatomsättningen i människokroppen (vilket framgår av de lätta ökningarna i arteriell laktatkoncentration). Brooks et al. bekräftade detta 1999, när de fann att laktatoxidationen översteg den för pyruvat med 10-40 % i råttlever, skelett och hjärtmuskel.

1990 fann Roth och Brooks bevis för den underlättade transportören av laktat, monokarboxylattransportprotein (MCT), i sarcolemmavesiklarna i råttskelettmuskulaturen. Senare var MCT1 den första i MCT-superfamiljen som identifierades. De fyra första MCT-isoformerna är ansvariga för transport av pyruvat/laktat. MCT1 visade sig vara den dominerande isoformen i många vävnader inklusive skelettmuskulatur, neuroner, erytrocyter och spermier. I skelettmuskulaturen finns MCT1 i membranen i sarcolemma, peroxisom och mitokondrier. På grund av den mitokondriella lokaliseringen av MCT (för att transportera laktat in i mitokondrierna), LDH (för att oxidera laktatet tillbaka till pyruvat) och COX (cytokrom c-oxidas, det terminala elementet i elektrontransportkedjan), Brooks et al. föreslog möjligheten till ett mitokondriellt laktatoxidationskomplex 2006. Detta stöds av observationen att muskelcellernas förmåga att oxidera laktat var relaterad till mitokondriernas täthet. Vidare visades att träning ökar MCT1-proteinnivåerna i skelettmuskelmitokondrier, och det motsvarade en ökning av musklernas förmåga att rensa bort laktat från kroppen under träning. MCT:s affinitet för pyruvat är större än laktat, men två reaktioner kommer att säkerställa att laktat kommer att finnas närvarande i koncentrationer som är storleksordningar större än pyruvat: för det första gynnar jämviktskonstanten för LDH(3,6 x 104) i hög grad bildningen av laktat . För det andra säkerställer det omedelbara avlägsnandet av pyruvat från mitokondrierna (antingen via Krebs cykel eller glukoneogenes) att pyruvat inte är närvarande i stora koncentrationer i cellen.

LDH- isoenzymuttryck är vävnadsberoende. Det visade sig att hos råttor var LDH-1 den dominerande formen i mitokondrierna i myokardiet, men LDH-5 var dominerande i levermitokondrierna. Man misstänker att denna skillnad i isoenzym beror på den dominerande vägen som laktatet kommer att ta - i levern är det mer sannolikt att det är glukoneogenes, medan det i myokardiet är mer sannolikt att det är oxidation. Trots dessa skillnader tror man att redoxtillståndet i mitokondrierna dikterar vävnadernas förmåga att oxidera laktat, inte den speciella LDH-isoformen.

Laktat som en signalmolekyl: 'laktormon'

Redoxsignalering

Som illustreras av den peroxisomala intracellulära laktatskytteln som beskrivits ovan, spelar interomvandlingen av laktat och pyruvat mellan cellulära avdelningar en nyckelroll i cellens oxidativa tillstånd. Specifikt har interkonversionen av NAD+ och NADH mellan avdelningar antagits inträffa i mitokondrierna. Bevisen för detta saknas dock, eftersom både laktat och pyruvat snabbt metaboliseras inuti mitokondrierna. Men förekomsten av den peroxisomala laktatskytteln tyder på att denna redoxskyttel kan existera för andra organeller.

Genexpression

Ökade intracellulära nivåer av laktat kan fungera som ett signalhormon, vilket inducerar förändringar i genuttryck som kommer att uppreglera gener som är involverade i laktatavlägsnande. Dessa gener inkluderar MCT1, cytokrom c-oxidas (COX) och andra enzymer involverade i laktatoxidationskomplexet. Dessutom kommer laktat att öka nivåerna av peroxisomproliferatoraktiverad receptor gamma-koaktivator 1-alfa (PGC1-α), vilket tyder på att laktat stimulerar mitokondriell biogenes.

Kontroll av lipolys

Förutom rollen för laktatskytteln för att tillhandahålla NAD+-substrat för β-oxidation i peroxisomerna, reglerar skytteln även FFA-mobilisering genom att kontrollera plasmalaktatnivåer. Forskning har visat att laktat fungerar för att hämma lipolys i fettceller genom aktivering av en föräldralös G-proteinparreceptor ( GPR81 ) som fungerar som en laktatsensor och hämmar lipolys som svar på laktat.

Laktatets roll under träning

Som hittats av Brooks, et al., medan laktat bortskaffas huvudsakligen genom oxidation och endast en mindre del stöder glukoneogenes , är laktat den huvudsakliga glukoneogena prekursorn under ihållande träning.

Brooks visade i sina tidigare studier att små skillnader i laktatproduktionshastigheter sågs hos tränade och otränade försökspersoner vid motsvarande effekt. Det som dock sågs var effektivare clearance-hastigheter av laktat hos de tränade försökspersonerna, vilket tyder på en uppreglering av MCT-protein.

Lokal laktatanvändning beror på ansträngning. Under vila sker cirka 50 % av laktatavfallet genom laktatoxidation, medan vid ansträngande träning (50–75 % VO2 max) används cirka 75–80 % av laktat av den aktiva cellen, vilket indikerar laktats roll som en viktig bidragande faktor till energiomvandling vid ökad träningsansträngning.

Klinisk signifikans

Mycket maligna tumörer är starkt beroende av anaerob glykolys (metabolism av glukos till mjölksyra även under gott om vävnadssyre; Warburg-effekt ) och behöver därför utflöde av mjölksyra via MCT till tumörens mikromiljö för att upprätthålla ett robust glykolytiskt flöde och för att förhindra tumören från att bli "inlagd till döds". MCT:erna har framgångsrikt målinriktats i prekliniska studier med RNAi och en liten molekyl hämmare alfa-cyano-4-hydroxikanelsyra (ACCA; CHC) för att visa att hämning av mjölksyrautflöde är en mycket effektiv terapeutisk strategi mot starkt glykolytiska maligna tumörer .

I vissa tumörtyper är tillväxt och metabolism beroende av utbyte av laktat mellan glykolytiska och snabbt respirerande celler. Detta är särskilt viktigt under utveckling av tumörceller när celler ofta genomgår anaerob metabolism, vilket beskrivs av Warburg-effekten. Andra celler i samma tumör kan ha tillgång till eller rekrytera syrekällor (via angiogenes ), vilket gör att den kan genomgå aerob oxidation. Laktatskytteln kan uppstå när de hypoxiska cellerna anaerobt metaboliserar glukos och transporterar laktatet via MCT till de intilliggande cellerna som kan använda laktatet som ett substrat för oxidation. Undersökning av hur MCT-medierat laktatutbyte i riktade tumörceller kan hämmas, och därför beröva celler viktiga energikällor, kan leda till lovande nya kemoterapeutika.

Dessutom har laktat visat sig vara en nyckelfaktor i tumörangiogenes. Laktat främjar angiogenes genom att uppreglera HIF-1 i endotelceller. Ett lovande mål för cancerterapi är således hämningen av laktatexport, genom MCT-1-blockerare, vilket berövar utvecklande tumörer en syrekälla.