乳酸：新陈代谢的支点

时间：2023-06-01

作者：周朝霞 何少丹 杨东风 严首春 译 ，辛天宇 校

来源：Brooks GA. Lactate as a fulcru

 

摘要

过去我们错误地认为L-乳酸是骨骼肌缺氧收缩的产物，现在我们知道它完全是在充足的有氧条件下形成的，并可以被各种细胞、组织、器官以及整个机体水平持续利用。通过在生产者（驱动细胞）和消费者（受体细胞）之间穿梭，乳酸代谢至少实现了三个目的：1）乳酸是线粒体呼吸的主要能量来源；2）乳酸是主要的糖异生前体；3）乳酸本身是一种信号分子。乳酸通过质量作用、调节细胞氧化还原、变构结合以及通过乳酰化组蛋白的赖氨酸残基重新编程染色质，从而在能量底物分配方面有着主要影响。组织中乳酸的生理范围为0.5-20mM，细胞中乳酸/丙酮酸比值（L/P）变化范围较大，可以从10到>500；在运动和其他应激反应中，乳酸的这些变化使得别的代谢信号的量级和跨度相形见绌。因此，乳酸动力学对细胞氧化还原和其他控制系统的影响既快速又主要，既有短期作用又有长期作用。乳酸通过HCAR-1抑制脂肪中的脂肪分解，通过丙二酰辅酶A和CPT1抑制肌肉线粒体脂肪酸摄取，从而控制能量底物的分配。经常规律锻炼会使得反复乳酸暴露，从而会对糖酵解和线粒体呼吸的调节酶的表达产生重大影响。乳酸是机体内代谢调节的支点。

 

一

 

、前言

过去我们错误地认为L-乳酸是骨骼肌缺氧收缩的产物，现在我们知道这个乳酸阴离子的L-异构体完全是在充足的有氧条件下形成的，并可以被各种细胞、组织、器官以及整个机体水平持续利用。相比之下，乳酸的D-异构体参与哺乳动物的新陈代谢并非主流，其负面影响已在前面被描述过。因为在哺乳动物系统中，L-乳酸是一种代谢途径（糖酵解）的必然产物，也是另一种代谢途径（线粒体呼吸）的底物，所以乳酸是糖酵解和有氧途径之间的纽带。早期，乳酸被描述为代谢废物和疲劳产物，现在看来恰恰相反，乳酸是一个复杂的反馈回路体系的主要信使。根据乳酸穿梭假说，生成乳酸的驱动细胞和利用乳酸或以乳酸作为信使进行信号传递的受体细胞之间的联系可以超越屏障，可以发生在细胞、组织、器官内，也可以发生在细胞间、组织间和器官间（图1）。ATP供给不足会刺激乳酸的产生，导致瞬时、短期和长期的细胞适应以支持ATP稳态。最近复习了与这个主题相关的生理学和生物化学，并应予以参考，但随后出现了新的数据，特别是关于乳酸穿梭在代谢信号转导中的作用。

 

图1.乳酸穿梭描述。描述乳酸在传递氧化底物和糖异生底物中的作用，以及在细胞信号转导中的作用。细胞间乳酸穿梭的例子包括在一块工作肌的肌床内部的交换和器官之间的交换，前者是指生产者（或驱动者）白色糖酵解（FW）纤维和消耗者（或受体）红色氧化（SO）纤维之间交换；后者是指运动中的骨骼肌作为乳酸的生产者，心、脑、肝、肾这些器官作为消耗乳酸的消耗者，乳酸在上述器官之间的交换。细胞内乳酸穿梭的例子包括乳酸在细胞的胞质与线粒体之间的交换和胞质与过氧化物酶体之间的交换。事实上，大部分（即便不是全部）乳酸穿梭是由浓度梯度、pH梯度或氧化还原状态所驱动的。符号：G指葡萄糖和糖原，L指乳酸，M指线粒体网状组织元素。

 

正如所研究的每一个哺乳动物模型系统（大鼠、狗、小鼠），主要是人类，乳酸代谢在整个机体水平至少执行三种功能：1）乳酸是主要的能量来源；2）乳酸是主要的糖异生前体；3）乳酸是一种具有类似自分泌、旁分泌和内分泌作用的信号分子，因而被称为“乳激素”。细胞内和细胞间的乳酸交换被称为“细胞内”和“细胞间”乳酸穿梭，描述了乳酸在氧化和糖异生底物传递中的作用以及信号传递部分的作用。细胞内乳酸穿梭的例子包括胞质-线粒体和胞质-过氧化物酶体交换。细胞间乳酸穿梭的例子包括肌床内白色糖酵解纤维和红色氧化纤维之间的乳酸交换，以及活动中的骨骼肌与心脏、大脑、肝脏和肾脏之间的乳酸交换，还有星形胶质细胞与神经元之间的乳酸交换（反之亦然，或神经元与星形胶质细胞间的乳酸交换）。即便不是所有细胞，大多数细胞的乳酸穿梭都是由浓度梯度或pH梯度或氧化还原状态驱动的。然而，体内许多间隙和系统，如细胞间隙、脉管系统和循环系统都有助于乳酸在体内的穿梭。

 

最近有文章回顾了乳酸作为运动肌肉的首选燃能来源和主要的糖异生前体这两方面的作用。因此，在简要回顾乳酸穿梭后，本文主要探讨代谢调节中的乳酸信号转导（图2）。

 

图2.描述乳酸穿梭完成的三个生理功能：1）乳酸是主要的能量来源；2）乳酸是主要的糖异生前体；3）乳酸是一种具有类似自分泌、旁分泌和内分泌作用的信号分子，被称为“乳激素”。这些功能可以细分为代谢（氧化燃料）和糖异生（GNG）功能，以及调节或信号传导功能。ROS：活性氧自由基；CaMK：Ca²⁺/钙调蛋白依赖的蛋白激酶；PKC：蛋白激酶C；PGC1α：过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α。

 

二

 

、背景

乳酸穿梭在生理和代谢中的作用正在不断得到研究的支持。相较于葡萄糖和脂肪酸，在功能正常的人体、工作的人体骨骼肌以及跳动的心脏中，乳酸一种比葡萄糖和脂肪酸更好的燃料。对于大脑来说，乳酸比葡萄糖更适合作为燃料，尤其是在人类体内更是如此。星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（ANLS）假设乳酸星形胶质细胞释出，然后被参与谷氨酸信号转导的神经元所氧化和消耗。神经元具有葡萄糖摄取和乳酸生成所必需的细胞成分，以及细胞内对动脉血乳酸的直接摄取和利用，均与大脑中的乳酸穿梭有关。此外，乳酸在创伤后神经保护方面的作用已被确定。事实上，由于乳酸是正常情况以及大多数损伤后首选的脑燃料，目前正在评估补充乳酸对于加速和改善创伤性脑损伤（TBI）和其他情况的预后价值。

 

有氧糖酵解和乳酸的产生和氧化：尽管有氧糖酵解在癌症中存在Warburg效应，我们现在有数据表明，人体在休息状态下以及应激条件下，如运动、高海拔、创伤、胰腺炎、败血症、心肌梗死和心力衰竭，有氧糖酵解会持续不断的产生乳酸。在讨论这个问题之初，我们应注意到一个重要问题，乳酸是有氧糖酵解的必然产物（图3）。重要但令人遗憾的是，传统观点认为糖酵解走向线粒体呼吸的通量仅仅取决于线粒体网摄取丙酮酸，但没有可靠的实验支持。过去，许多人认为，体内乳酸含量的增加表明细胞水平上存在缺氧，但我们现在将乳酸理解为一种在代谢上有价值的碳水化合物，已经取代了这种传统观点。对于糖酵解通量仅在缺氧时才导向乳酸的产生这一概念，不仅缺乏实验支持，而且没有证据表明乳酸氧化的第一步（即转化为丙酮酸）发生在乳酸与丙酮酸的浓度比（L/P）>100的组织细胞中，包括跳动的心脏或工作中的骨骼肌，它们是净葡萄糖消费者。相比之下，有令人信服的证据表明，在完全有氧条件下，葡萄糖和糖原分解代谢会继续产生乳酸。

 

 

图3.在完整的动物、动物组织制剂和健康人体内的研究中，有强有力的证据表明，葡萄糖和糖原分解代谢在完全有氧条件下继续产生乳酸。在静息状态下健康人群的肌肉和动脉血中，乳酸浓度约为1.0mM，丙酮酸浓度约为0.1mM，乳酸/丙酮酸（L/P）为10，此时肌内氧分压（PO₂）约为40Torr时，静息状态肌肉中的乳酸为净生成和释放。此时的氧分压远高于线粒体最大呼吸所需的PO₂（约1-2托尔）。在运动过程中，达到最大耗氧量（VO₂max）约65%时，工作肌床的乳酸生成和净乳酸释放增加，L/P上升超过一个数量级（可至500），但肌内PO₂保持在3-4Torr，仍大大高于临界线粒体PO₂水平。因此，我们可以得出这样的结论：在健康的人体中，糖酵解是在完全有氧条件下进行的。重要的是，大多数（75-80%）乳酸会立即在组织内被处理，或随后被工作肌肉释放和再摄取，尤其是被心脏摄取和氧化，以及肝脏大量摄取进行糖异生。

 

乳酸和线粒体乳酸氧化复合体（mLOC）：由于线粒体乳酸氧化是否产生中间代谢物存在争议，因此有必要引入mLOC（见下文）这一概念。一些研究人员已经生产出了线粒体组织制备用于氧化乳酸，而其他一些人的尝试却失败了。从概念上说，如果人们意识到细胞呼吸器是作为一个广泛的网络而存在的，即线粒体网，这个问题就解决了。因此，试图分离“线粒体”用于体外呼吸研究将不可避免地导致线粒体网的破坏和功能的丧失，因为线粒体成分如细胞色素C和L-乳酸脱氢酶（LDH）具有不稳定性和脆弱性，无法在制备时进行严格的均质化和洗涤。尽管如此，在哺乳动物的线粒体制备中，包括人类的骨骼肌中，仍有可能展示乳酸氧化的过程。重要的是，我们可以通过几种不同的方法来证明肌肉线粒体乳酸氧化的存在，如磁共振波谱（MRS）。此外，有研究应用共聚焦激光扫描显微镜、免疫沉淀法和免疫组化观察到了线粒体乳酸氧化复合体中存在LDH。最后关于线粒体乳酸的氧化问题，对健康人体的大量研究表明，线粒体乳酸的主要处置途径是氧化。回顾过去，一些研究人员无法制备呼吸乳酸的线粒体制剂，这让人想起以前的研究，其中线粒体制剂不能氧化长链脂肪酸。这些失败的结果被发现是由于蛋白质水解酶Nagarse的作用。在这种情况下，线粒体制备无法再现已知的在体内发生的情况可归因于分离伪迹。因此，线粒体制剂在分离过程中失去LDH，不能氧化乳酸；那些失败的结果是由于分离工艺造成的。在制备过程中敲除或削弱mLDH只证明其在体内线粒体乳酸氧化中起重要作用。最后在这一点上，LDH被列入线粒体成分数据库，即MitoCarta。

 

乳酸糖异生：由于乳酸大部分是通过直接氧化清除的（休息时≈50%，持续运动时≈75-80%），所以前面关于乳酸利用的讨论集中在氧化处理上。然而，大约25%的乳酸是通过糖异生处理的，乳酸是目前主要的糖异生前体。首次认识到乳酸在正常生理代谢中的益处是发现了Cori循环中乳酸作为主要的糖异生前体。通常，Cori循环被描述为在肌肉和肝脏中都存在细胞内乳酸穿梭，再通过脉管系统与细胞间穿梭，或者更确切地说是器官间（肌肉到肝脏）穿梭连接起来。虽然Cori乳酸循环是在实验动物净代谢物平衡研究的基础上开发的，但由于技术限制，却无法在人体中得到验证。幸运的是，有了当代同位素示踪技术和动静脉差值测量技术的支持，可以肯定的是，在营养吸收完后（禁食）期间和体育锻炼期间，乳酸的糖异生作用维持了较高的血糖水平，而且在不同的生理条件下，肾脏可以补充加增肝脏的糖异生功能。

 

三

 

、乳酸，氧化还原和活性氧

细胞工作，肌肉收缩和线粒体呼吸：细胞能量转导是一个持续发生的过程，但在肌肉收缩的情况下，代谢率会扩大一个数量级或更多。三磷酸腺苷（ATP）水解立即被肌酸磷酸激酶缓冲，糖酵解和糖原分解的速率受到磷酸果糖激酶、其他激酶和脱氢酶的变构调节的影响。肌肉乳酸标称浓度（[lactate]）范围为0.5-1.0mM，但流量和浓度的动态范围可达20-30倍，相应的乳酸/丙酮酸（L/P）范围为10至500以上。这种剧烈而动态的变化会对细胞NAD⁺/NADH比值产生相应的影响。运动期间血液L/P的上升比[乳酸]的相对上升要大一些，因为与[乳酸]的变化相比，[丙酮酸]的相对和绝对增量都很低。因此，无论是从其绝对动态范围（mM），还是从其对细胞氧化还原的相对影响来看，细胞产生乳酸的活动对主导细胞和受体细胞的代谢调节都有着巨大的影响。乳酸的产生对细胞氧化还原的影响的其他例子如下。

 

除了肌肉收缩对细胞氧化还原的主要影响外，L-乳酸还可以通过酶催化和非酶催化反应影响细胞活性氧（ROS）的产生。也许，最广为人知的是线粒体呼吸产生ROS的化学过程；研究较少的是乳酸-铁相互作用能够产生ROS。

 

由于细胞内乳酸穿梭，乳酸（不是丙酮酸）一直是线粒体呼吸的主要燃料，特别是在运动细胞L/P上升并达到数量级或更高（见上文）。因此，作为主要的线粒体能量底物和电子供体，乳酸的短期细胞呼吸会通过电子传递链（Electronic Transport Chain，ETC）活性增加线粒体ROS的产生。重要的是，在线粒体生物发生和对运动的长期代谢适应方面，乳酸暴露于L-6细胞会上调许多基因（见下文）。

 

Passarella及其同事发现了线粒体L-乳酸代谢产生ROS的第二种方式，特点是同时可产生过氧化氢（H₂O₂）。利用大鼠肝脏线粒体，他们发现L‐LAC可以通过一种推测为黄素依赖性的乳酸氧化酶（LOX）产生H₂O₂，该酶局限于线粒体膜间空间。

 

在运动过程中，细胞ROS的产生被抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、其他过氧化物酶和抗氧化酶的作用淬灭，这些概念很可能在本次研讨会相关论文中被很好地阐述。然而，非酶介导的ROS产生的想法来自T.K.Hunt和他在伤口愈合领域工作的同事。他们发现PhoX家族的含铁碱性磷酸过氧化物酶可产生乳酸和超氧化物。他们提出的机制是乳酸与PhoX释放的铁螯合，从而产生羟自由基并迅速衰变为超氧化物。一个令人愉快的结果是，乳酸刺激血管内皮生长因子（VEGF）、白细胞介素-1（IL-1）和TGF-β的释放刺激血管生成和伤口愈合。因此，在T.K.Hunt看来，乳酸盐可以作为伤口部位的“预氧化剂”（个人交流）。

 

乳酸，NAD⁺和Sirtuin激活：Sirtuins（SIRT）是一类被认为与细胞内稳态包括转录，凋亡，炎症，抗应激，线粒体生物发生和热量限制后的能量效率和衰老等过程密切相关的蛋白质。这个名字来自于对酵母基因“沉默交配型信息调控2”的研究。目前已知七种Sirtuin亚型（SIRT1-7），它们是受烟酰胺（NAM）和NAD⁺平衡调节的去乙酰酶。关于锻炼对Sirtuin调节的长期影响知之甚少，但这样的研究已经开始。

 

Sirtuin的激活是通过NAM浓度和产生NAM的NAM磷酸核糖转移酶（Nampt）的活性改变细胞氧化还原（即NAD⁺/NADH）来实现的。细胞氧化还原的微妙变化会影响细胞的稳态，比如就会发生在上述情况中。然而，缺乏运动肌肉中Nampt活性变化的数据，这些变化驱动血液[乳酸]的增加，以及非工作受体组织中NAD⁺和NADH浓度的变化影响体内细胞氧化还原。然而，如上所述，伴随运动的细胞代谢率的变化对细胞NAD⁺/NADH的影响与其他任何干扰相似，甚至更大。

 

四

 

、乳酸和变构结合

线粒体生源和乳酸：运动生理学和生物化学的经典研究表明，线粒体网具有显著的可塑性，以应对规律性的体育活动，这可能使线粒体质量加倍。当代生理学和生物化学的研究也发现了运动诱导线粒体蛋白表达增加的分子信号。在转录控制线粒体生物发生的候选细胞信号中有：钙离子、amp活化蛋白激酶（AMPK）、Sirtuin1（Sirt1）、缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和“线粒体生物发生主激活因子”过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α（PGC-1α）。线粒体生物发生的下游调控因子有：核呼吸因子1和2（NRF-1和NRF-2）和线粒体转录因子A（TFAM）。这些信号通路的共同之处在于ATP稳态受到挑战。虽然线粒体生物发生的下游影响因子（如HIF-1α、AMPK、PGC-1α和PPAR-γ激活）的研究一直是重点，但很少关注上游影响因子，如下面所述的乳酸。

 

如上所述，为了解释在体内观察到的肌内和细胞内乳酸氧化的结果，我们假设存在mLOC。为了确定mLOC的组成部分，我们测定了L6细胞对升高的外源性（10和20mM）钠-L-乳酸的全基因组反应（图4）。乳酸暴露增加了活性氧（ROS）的产生，并上调了673个基因，其中许多已知对ROS和Ca++有反应（图5）。我们通过聚合酶链反应（PCR）和电泳迁移转移（EMSA）方法验证了mLOC各组分编码基因的诱导作用。乳酸可促进1h内单羧酸转运蛋白-1（monocarxylate Transporter-1，MCT1）mRNA和蛋白表达，6h内细胞色素C氧化酶（Cytochromec Oxidase，COx）mRNA和蛋白表达。COx的增加与PGC1α的表达和核NRF-2的DNA结合活性的增加相一致。在其他被乳酸上调的基因中有抗氧化酶，如谷胱甘肽过氧化物酶（GPx），钙（Ca⁺⁺）反应基因包括钙调神经磷酸酶（CaN），慢型肌钙蛋白I（TnI）和肌原蛋白，这些基因也已知对CaN和Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMK）有反应。ROS可以增加细胞内Ca⁺⁺，从而提高CaMK活性。同时，游离Ca⁺⁺也可以激活CaMK。这些信号的下游是转录因子环amp反应元件结合蛋白（CREB）、核因子、红系2（NF-e2）、活化B细胞的核因子kappa轻链增强子（NF-κB）和激活蛋白1（AP-1）。

 

图4.假定的线粒体乳酸氧化复合体（mLOC）示意图：MCT1被插入线粒体内膜，与其伴侣蛋白CD147剧烈相互作用，并与COX和位于内膜外侧的线粒体LDH（mLDH）有关联。由于胞质乳酸脱氢酶（LDH）的丰度、活性和特性，因此通常在肌肉和其他组织的胞质中产生乳酸，乳酸通过同一细胞线粒体中的乳酸氧化复合体被氧化为丙酮酸。在线粒体电子传递过程中，这种内源性乳酸氧化反应与COX的放能氧化还原变化是耦合的。缩写：GP，甘油磷酸；Mal-Asp，苹果酸天冬氨酸；MCT，单羧酸（乳酸）转运体；mPC，线粒体丙酮酸转运体；ETC，电子转运链；TCA，柠檬酸三羧酸。

 

图5.乳酸对肌肉细胞内信号传导的影响概述示意图。肌肉收缩刺激糖酵解和随后乳酸的产生和积累。乳酸积累和线粒体呼吸共同诱导ROS产生。对ROS敏感的转录组被激活，这引发了在运动反应中许多可见的细胞反应，包括MCT1表达、线粒体生物发生和抗氧化酶（如GPx）的产生。在本图中显示了报告中描述的新信号效应（实箭头）。ROS生成（图左侧）负责调控MCT1的表达。对于线粒体生源（右图），随着细胞内钙通量的增加，乳酸信号通路可能与钙（Ca⁺⁺）信号通路合并。乳酸本身可以增加慢型肌钙蛋白I（TnI）和肌原蛋白的表达，这些蛋白也可以通过钙调神经磷酸酶（CaN）对钙通量做出反应。ROS可以增加细胞内Ca⁺⁺，从而提高CaMK活性。同时，游离Ca⁺⁺也可以激活CaMK。乳酸在骨骼肌细胞中引起大量的适应反应，这些反应作为一种对运动的功能适应协调新陈代谢，如乳酸氧化复合体的增殖。

 

显然，乳酸可以引发大量的适应反应，这些适应反应协调骨骼肌细胞的代谢，作为一种对运动的功能适应，如线粒体网的增殖和乳酸氧化复合体（图4）。因此，我们得出结论，乳酸信号级联涉及ROS的产生，胞质钙和其他因子汇聚在影响线粒体生物发生的转录因子。然而，上游的生理信号是乳酸，它通过影响数百个基因的表达来驱动细胞适应。

 

五

 

、乳酸通过抑制作用

来控制脂肪酸的动员和氧化

脂肪中的乳酸和脂肪分解：当通气气体交换比值升高时（R=VCO₂/VO₂≥1.0），血浆[La⁻]与血浆游离脂肪酸浓度[FFA]与氧化反应呈反比关系。尽管早就被认识到，但这些关联背后的机制尚未得到充分重视。在20世纪60年代，Issekutz及其同事注意到，在从事高强度运动的狗和人身上观察到乳酸血症可减少血液循环[FFA]。此外，给奔跑的狗注射乳酸盐也会导致其循环[FFA]下降。在他们的工作中，这些研究人员可以清楚地观察到乳酸对循环[FFA]的影响，但其机制是否涉及氢离子或乳酸阴离子，或代表脂解的抑制或脂肪酸再酯化的刺激，尚未被阐明。

 

目前已知，乳酸血症抑制循环FFA的机制是由于乳酸通过受体结合抑制脂肪分解。此外，现在已知，乳酸独立于pH或钠离子，乳酸通过激活一个孤立G蛋白偶联受体（GPR81）来抑制脂肪细胞的脂解，现在被称为羟基羧酸受体（图6）。乳酸与HCAR-1结合的作用似乎是通过环磷酸腺苷（cAMP）和CREB起作用的。

 

图6.说明乳酸血症如何影响血液[葡萄糖]和外周葡萄糖摄取，以及游离脂肪酸的产生、摄取和氧化，导致肌肉代谢稳定。乳酸是糖酵解的必然结果。肌肉最小L/P为10，当糖酵解通量升高时，可上升到L/P>100。乳酸是有利的可氧化底物，对葡萄糖和FFA的氧化形成产物抑制。作为糖酵解的产物，乳酸和丙酮酸对葡萄糖的处理提供负反馈抑制（蓝色虚线）。乳酸也作为主要的线粒体底物，乳酸产生乙酰辅酶a，进而产生丙二酰辅酶a。乙酰辅酶a抑制β-酮硫醇酶，从而抑制β-氧化，而丙二酰辅酶a通过CPT1（T）抑制线粒体FFA衍生物摄取。此外，乳酸是提高葡萄糖产生和血糖的主要糖异生前体（红线）。通过GPR81结合，乳酸抑制WAT（T）抑制循环[FFA]中的脂解。这个模型解释了在高强度运动和胰岛素抵抗能力有限的状态下乳酸血症的矛盾存在（绿线）。

 

乳酸和丙酮酸作为线粒体β−氧化的抑制剂：如上所述，当肌肉收缩过程中糖酵解加速时，乳酸（L）和丙酮酸（P）浓度升高，由于对[乳酸]的影响大于[丙酮酸]，因而L/P升高。在静止状态下，肌肉和肌床静脉流出物的L/P约为10，但在中等强度运动中，该比率上升超过一个数量级。通过质量作用，单羧酸对涌入线粒体网，产生乙酰辅酶a，从而形成丙二酰辅酶a（图6）。丙二酰辅酶a的增加通过抑制肉碱-棕榈酰转移酶-1（CPT1）抑制激活的FFAs进入线粒体基质（图6）。此外，乙酰辅酶a的积累下调了线粒体β-酮硫醇酶-氧化途径的β-末端和限速酶。因此，通过质量作用，变构结合和对细胞氧化还原的影响，乳酸发挥了关闭活化的脂肪酸进入线粒体网基质大门的作用。

 

乳酸和转化生长因子β2。最近，一个大型的国际研究小组扩大了通过运动小鼠脂肪分泌转化生长因子β2（TGF-β2）的乳酸信号传导作用的知识。TGF-β是一种多功能细胞因子，属于转化生长因子超家族，包括三种不同的哺乳动物亚型（TGF-β1至3）。由于TGF-β2在免疫和干细胞调节和分化中的作用，在癌症、自身免疫和感染性疾病以及癫痫、衰老和TBI中血脑屏障破坏的后果等领域中是一种备受研究的细胞因子。众所周知，所有TGF-β亚型均由白细胞分泌，但Takahashi等人发现，小鼠耐力训练后，脂肪会分泌TGF-β2来响应乳酸信号。反过来，TGF-β2提高了小鼠的葡萄糖耐量，这使得作者得出结论：通过被作者称为“乳酸-TGF-β2信号循环”的器官间（脂肪到肝脏）交流，运动训练改善了全身代谢。乳酸影响TGF-β2信号传导的作用也在下面的癌症生物学章节中会提到。

 

从表面上看，人们可能认为一方面乳酸通过HCAR-1信号抑制脂解和通过丙二酰辅酶a进行线粒体乳酸氧化（图6），另一方面通过TGF-β2信号增加糖耐量的作用是相互矛盾的。然而，一个合理的解释是，乳酸对脂肪HCAR-1的影响是短期的（如剧烈运动时），而TGF-β2长期的影响发生在恢复期，改善男性和女性糖耐量和脂质氧化。虽然在啮齿动物模型中观察到的乳酸信号HCAR-1和TGF-β2的作用有待人类验证，但目前可以肯定的是，乳酸短期可同时抑制脂解和线粒体FFA氧化，但长期可上调人体内线粒体生物发生、糖耐量和脂质氧化。

 

六

 

、组蛋白乳酰化的基因调控

在最近的一份报告中，Zhang等人报道了通过对组蛋白上的28个赖氨酸残基的乳酸化来调控基因表达。组蛋白是染色质的重要组成部分，是调节基因表达的DNA和蛋白质的复合物。如上所述，关于sirtuins的氧化还原调节，已知组蛋白由细胞酶添加或去除化学物质，如甲基、乙酰或磷酸基。已知这些对基因组的表观遗传修饰会影响基因表达、DNA复制和修复等过程。现在，根据Zhang等人的研究结果，在组蛋白中添加乳酸标签是另一种调控基因组的表观遗传学方式。而且，如上所述，在运动和其他应激条件下，驱动细胞释放进入循环的乳酸，有可能影响运动期间和之后不同细胞的基因调控。

 

正如Zhang等人的研究结果广受好评的那样，在某些方面，乳酸对基因表达的影响可以被以前的研究结果所预测到。例如，乳酸的加入降低了细胞核中组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的含量和HDAC活性，以及染色质甲基化和致密性。总之，这些研究的结果表明，随着乳酸水平的升高，转录允许染色质构象的增加，也可以用来支持Hashimoto和Brooks之前的发现，即在L6细胞中添加乳酸后，DNA结合增加。

 

通过组蛋白乳酰化对基因的表观遗传调控的研究还处于起步阶段，但未来，评估组蛋白乳酰化对线粒体生物发生和其他代谢蛋白表达的短期和长期影响，以及在各种急性和慢性疾病和条件下，如糖尿病、败血症和伤口愈合，将是有趣的。

 

七

 

 

、一种新的乳酸穿梭机制：

肠道-躯体的乳酸穿梭机制？

 

基于来自各种来源的数据，肠道-躯体的乳酸穿梭的可能性先前被提出。支持这一观点的证据可以在Scheiman等人的研究中找到，他描述了在马拉松运动员的粪便中存在“提高成绩的”肠道微生物，即细孔菌属的成员。他们的研究结果有助于从与肠道和身体健康以及运动员表现有关的不同实验和流行病学数据中收集证据。

 

从营养科学中我们知道，益生菌饮食成分可影响肠道发酵和健康。从流行病学来看，定期体育锻炼有助于降低许多常见癌症的风险，包括结肠癌。此外，初步数据表明，微生物群与胰岛素抵抗和代谢综合征的流行率之间存在关系。虽然热情很高，但目前运动-肠道功能和健康机制的许多方面仍有待探索。

 

从他们的研究中，Scheiman等人提出，肠道微生物群吸收乳酸并将其作为丙酸处理，可能提高运动员的跑步表现。然而，他们的建议是“老派的”的，并且忽略了乳酸在体内穿梭的重要性。此外，他们提出的机制不太可能，因为运动时肠道灌注不足，该机制会适得其反，因为在运动中乳酸被有意作为燃料能源和糖异生前体处理。事实恰恰相反，更有可能的是，肠道供应乳酸，这是一种发酵产物，通过钠介导的单羧酸转运体（sMCT）输出，从而帮助运动员提升运动能力。

 

八

 

、乳酸在创伤和疾病康复和治疗中的作用

鉴于基础科学中对乳酸代谢的长期误解，误解不可避免地会延续到临床环境中的患者治疗中。幸运的是，现在随着对乳酸穿梭在代谢中作用的理解不断深化，预计医生将利用乳酸代谢和信号的新知识来改善疾病和损伤患者的结局；乳酸有助于治疗的情况总结见表1。也许表1中最值得注意的是，L-乳酸被提议用于脓毒症治疗和促进损伤后的伤口愈合和肌肉再生。

 

 

九

 

、当乳酸的积累和穿梭适应不良

虽然越来越多的人认识到乳酸穿梭作为正常生理的一部分，临床医生正在使用乳酸治疗来改善患者的预后（表1），但在一些情况下，乳酸积累和穿梭可能是有问题的，或是病理性的。例如，在癌症中，疾病的侵袭性与高乳酸血症的程度有关。在癌症研究中，乳酸的产生和积累（Warburg效应）已经有很长的历史，最近研究者试图通过阻断MCT来抑制乳酸在肿瘤中的穿梭。最近，在糖尿病研究领域，研究人员试图理解为什么胰腺β细胞中MCT的表达被沉默，从而使它们不参与乳酸转运和信号转导。当运动中出现乳酸高、血糖低时，需要沉默MCT1表达并将其插入质膜，以防止胰岛素分泌过多和严重的低血糖。最近，在癌症和β细胞MCT蛋白表达未沉默的情况下，乳酸代谢失调已被综述，但以缩写形式呈现，如下。

 

癌症代谢中的乳酸穿梭：1923年Otto Warburg和Seigo Minami观察到，即使在完全含氧的条件下，葡萄糖的摄取和过量乳酸的形成也会增加。有氧糖酵解的发现后来被Efraim Racker命名为“Warburg效应”。今天，高葡萄糖摄取/乳酸释放表型仍然是癌症的一个标志。然而，即使乳酸盐是目前癌症生物学的一个重要组成部分，对于Warburg效应的含义还没有达成共识。同样，与癌症中高糖酵解的副产品不同，在癌症易感细胞中产生的乳酸是否与癌症的转化有关？

 

在之前的评论中，Iñigo San Millán和我从科学文献中描述了产生乳酸性癌症，致癌基因和突变的肿瘤抑制因子似乎与重编程糖酵解为产乳酸作用的明显目的的行为，从而为细胞内、细胞之间的乳酸交换创造浓度梯度。产乳酸作用支持癌变的方式；它们是：1）葡萄糖摄取增加，2）糖酵解酶表达和活性增加，3）线粒体功能降低，4）乳酸的产生、积累和释放增加，5）用于乳酸交换的单羧酸转运蛋白MCT1和MCT4上调（图7）。

 

图7.乳酸穿梭差错。在癌症中，高葡萄糖消耗导致在完全有氧条件下产生乳酸，这是癌细胞和肿瘤的特征。癌症中的产生乳酸作用可以被视为致癌基因和肿瘤抑制基因突变的高度协调努力，持续不断地利用葡萄糖产生乳酸，涉及5个主要步骤：1）转录因子缺氧诱导因子1α（HIF-1）和c-Myc致癌基因增加葡萄糖转运蛋白GLUT的表达和转运，以及肿瘤抑制因子p53表达缺失，从而增加葡萄糖摄取。2）糖酵解酶的表达和活性增加，特别是乳酸脱氢酶A（LDHA）被HIF-1α，c-MYC和p53异常调节。3）线粒体功能下降主要是p53失调所致。由于糖酵解加速、线粒体功能障碍和LDHA表达增加的质量效应，乳酸的产生、积累和释放增加。5）单羧酸转运蛋白MTC1、MCT4及其质膜伴侣CD147上调，导致乳酸穿梭失调，支持癌变。

 

为了检验癌症中的产生乳酸现象假说，我们决定用现代基因分型技术重现Warburg及其同事的一些早期研究。因此，San Millán等人提供了支持产生乳酸现象假说的实验数据。利用人类癌症细胞系（MCF-7细胞），我们发现内源性和外源性提供的乳酸都显著影响关键致癌基因（MYC，RAS和PI3KCA）、转录因子（HIF1α和E2F1）和肿瘤抑制因子（BRCA1，BRCA1，BRCA1，BRCA1，BRCA2）以及与乳腺癌相关的细胞周期和增殖基因（AKT1，ATM，CCND1，CDK4，CDKN1A，CDK2B）。当然，这些研究的结果还需要在其他类型的癌细胞和肿瘤活检中重复，但结果表明，乳酸在代谢调节中发挥了强大但潜在的“双刃剑”作用。

 

MCT缺乏胰腺β细胞MCT沉默可干扰血糖调节：维持血液[葡萄糖]是人体生理学中重要且受严格调控的参数之一。葡萄糖和胰岛素的相互作用是复杂的，干扰血糖调节，特别是一些导致血糖突然下降的因素可能是灾难性的。葡萄糖和糖原是乳酸形成的前体，乳酸是主要的糖异生前体。然而，血糖水平通过影响胰岛素和反调节激素的水平，在其清除率的调节中发挥重要作用，而不是为糖异生提供前体物质，乳酸通常被排除在胰岛素分泌的相关过程中。然而，如果允许发生干扰葡萄糖-胰岛素信号，乳酸穿梭可能是破坏性的，甚至是致命的。

 

单羧酸（乳酸）转运体是普遍存在的，在大多数组织中表达，包括支持乳酸转运的癌症，目前是癌症治疗的目标。文中详细阐述了乳酸在代谢调节中的重要性。然而，另一种强调乳酸在代谢调节中的重要性的方法是排除。例如，胚胎缺失乳酸转运蛋白（MCTs）是致命的。在体内血糖调节方面，乳酸在血糖调节中的重要性可以通过排除MCT插入胰腺β细胞质膜来说明。在那里，MCT的表达被沉默，以防止细胞外乳酸影响细胞内氧化还原，并干扰葡萄糖感知和胰岛素分泌。胰腺β细胞中MCT1的沉默是乳酸如何在能量底物分配的调节中超越葡萄糖的进化证据，特别是当乳酸的主导作用必须被抑制时胰岛素分泌。在这方面值得注意的是，胰β细胞MCT表达抑制失败的个体在剧烈运动时发生低血糖，导致乳酸血症。这是因为乳酸进入胰腺β细胞并影响细胞氧化还原，就像血糖升高一样。在这些个体中，乳酸异常进入胰腺β细胞导致运动期间胰岛素分泌。高胰岛素和通过代谢增加的葡萄糖处理的结合导致严重的低血糖。

 

十

 

、结论

现在是了解乳酸代谢的时候了。历史上，当在器官、组织和细胞室中发现高乳酸水平时，这些观察结果被解释为这些细胞、组织和器官的应激。遗憾的是，对早期观察的误解是不恰当和不幸的，因为观察到的事件实际上是应激反应。因此，在完全有氧条件下，乳酸是连续形成的，而不是厌氧、缺氧代谢的废物。乳酸生成和积累速率、幅度和范围，以及L/P和细胞氧化还原的影响都是巨大的，具有重要的生理意义。乳酸在生产者细胞（驱动细胞）和消费者细胞（受体细胞）之间穿梭至少有三个目的：1）作为主要的能量来源；2）主要的糖异生前体；3）作为信号分子。乳酸是糖酵解的必然产物。在细胞能量危机反应中，糖酵解通过底物水平的ADP磷酸化产生ATP。同样重要的是，乳酸（不是丙酮酸）进入线粒体网，通过氧化磷酸化ADP和肌酸来支持细胞的能量平衡。当细胞工作速率增加时，驱动细胞产生的乳酸被分泌到间质和循环中，并从那里到达各种受体细胞，如心脏、肝脏、肾脏和大脑。在不同组织中，乳酸通过质量作用、细胞氧化还原调节、ROS生成、变构结合和组蛋白的乳酰化作用发挥作用。乳酸通过结合HCAR-1和激活CREB抑制脂肪中的脂解，以及通过丙二酰辅酶a和CPT1抑制肌肉线粒体脂肪酸摄取，控制脂质氧化和总能量底物分配。定期锻炼中反复摄入乳酸可以促进适应过程，如线粒体生物生成和其他健康特征，如提高代谢灵活性。当乳酸信号和乳酸转运在癌症和其他疾病中发生失调时，乳酸和乳酸转运在健康生活中的重要性进一步得到强调。乳酸是体内代谢调节的支点。

 

原文出处

Brooks GA. Lactate as a fulcrum of metabolism. Redox Biol. 2020; 35: 101454.