乳酸鹽代謝及其在健康中的關(guān)鍵作用

龐廣昌，陳慶森，胡志和

(天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134)

乳酸鹽代謝及其在健康中的關(guān)鍵作用

龐廣昌，陳慶森，胡志和

(天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134)

為什么乳酸菌及其發(fā)酵食品往往有利于健康？或許這正是由于其產(chǎn)乳酸鹽的作用。乳酸鹽代謝已經(jīng)得到了生理和生物化學(xué)家的廣泛關(guān)注。然而，20世紀(jì)的前葉，乳酸鹽還一直被作為廢物，特別是作為肌肉疲勞的罪魁禍?zhǔn)住５亲罱?，越來越多的研究結(jié)果證明，乳酸鹽在多細(xì)胞有機(jī)體中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。已經(jīng)證明乳酸有多種生理功能，可以作用于機(jī)體的激素釋放、調(diào)節(jié)多種酶活性，控制機(jī)體代謝平衡。此外，這些特性還直接關(guān)系到病理作用的發(fā)生和發(fā)展，如糖尿病和癌癥。乳酸鹽不能簡單地認(rèn)為是一種厭氧發(fā)酵產(chǎn)物，其實(shí)更應(yīng)該把它作為一個(gè)調(diào)節(jié)分子，可以調(diào)節(jié)和整合多條代謝途徑。雖然乳酸鹽本身并不是一種具氧化還原作用的化合物，但是，它作為一種重要的中間代謝產(chǎn)物參與了糖酵解、生物氧化和生物合成。乳酸鹽在胞漿中由糖酵解途徑合成，通過和丙酮酸之間的互相轉(zhuǎn)化與NADH/NAD＋偶聯(lián)，由乳酸脫氫酶催化。所以乳酸鹽在NADH/NAD＋、pH值、ATP、生物氧化與合成的動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用。也正是因?yàn)檫@些生物活性，乳酸鹽已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于發(fā)酵和功能性食品生產(chǎn)、肉類食品質(zhì)量保護(hù)和護(hù)色、防癌、抗癌；同時(shí)，乳酸鹽還是生理變化、應(yīng)激和病理評(píng)估的理想標(biāo)志物。

乳酸鹽；代謝；功能性食品；NADH/NAD＋；三磷酸腺苷(ATP)；生物氧化

乳酸菌及其發(fā)酵制品在國內(nèi)外都具有非常古老的應(yīng)用歷史，作為益生菌和功能性食品也一直在腸道微生態(tài)制劑和發(fā)酵食品中占有重要席位。盡管乳酸菌中，像瑞士乳桿菌、雙歧桿菌等的生物功能和腸道微生態(tài)作用已經(jīng)得到了大量研究，并已經(jīng)開發(fā)出像酸奶、益生菌制劑及其發(fā)酵產(chǎn)物——乳酸菌素等，但是，其多種保健功能的分子機(jī)制直到最近才獲得了重大突破。Fukuda等[1]系統(tǒng)研究了雙歧桿菌在腸道中發(fā)揮對(duì)有害菌的頡抗作用機(jī)制。他們將小鼠和某些雙歧桿菌菌株聯(lián)合，并用致命性的腸出血性大腸桿菌Escherichia coliO157:H7進(jìn)行感染，結(jié)果證明，當(dāng)給無菌鼠喂養(yǎng)E.coliO157時(shí)，它們將在7d內(nèi)死亡，但是，如果在接種E.coliO157的7d之前接種Bifidobacterium longumsubsp.LongumJCM 1217T (BL)該鼠就可以免于死亡。相比之下，另一株雙歧桿菌菌株，Bifidobacterium adolescentisJCM1275T (BA)則不能對(duì)E.coliO157所誘導(dǎo)的死亡提供保護(hù)，盡管條件都是一樣的。研究結(jié)果還表明是BL，而不是BA，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)鼠腸上皮細(xì)胞阻止E.coliO157分泌的毒素Stx2進(jìn)入血液。他們還利用代謝組學(xué)方法研究了BL提供保護(hù)的分子機(jī)制，證明一個(gè)編碼ATP-結(jié)合-框糖類受體存在于某些雙歧桿菌中，對(duì)E.coliO157:H7誘導(dǎo)的死亡產(chǎn)生了保護(hù)作用。他們進(jìn)一步分析保護(hù)機(jī)制發(fā)現(xiàn)：其實(shí)正是(至少主要是)雙歧桿菌分泌的乙酸——種普通的短鏈脂肪酸抑制了E.coliO157:H7所分泌的志賀毒素(Shiga toxin)! 乙酸通過腸上皮細(xì)胞介導(dǎo)的防御系統(tǒng)對(duì)機(jī)體提供了保護(hù)。從這一結(jié)果可以看出，腸道致病菌主要是通過分泌毒素誘發(fā)機(jī)體的過度炎癥反應(yīng)，或者破壞胃腸黏膜系統(tǒng)產(chǎn)生致病作用，而益生菌則可能通過分泌小分子配體，通過胃腸黏膜信號(hào)系統(tǒng)抑制機(jī)體過度的炎癥或者調(diào)節(jié)機(jī)體免疫應(yīng)答發(fā)揮保護(hù)作用?？梢?，我們應(yīng)該注重研究腸道微生物和食品代謝組學(xué)及其于胃腸黏膜受體之間的互作，才能真正搞清楚功能性食品的保健作用機(jī)理。

在眾多的發(fā)酵食品中，傳統(tǒng)的乳酸發(fā)酵食品占有重要一席[2]。根據(jù)目前的研究，發(fā)酵食品按其發(fā)酵產(chǎn)物劃分，可以主要分為：乳酸類、乙醇類和乙酸類。其中乙酸類發(fā)酵食品以及短鏈脂肪酸類發(fā)酵食品已經(jīng)證明雖然其不能為機(jī)體作為碳源(營養(yǎng))，但是其抗炎癥作用已經(jīng)得到了證實(shí)，其他保健作用也有很多報(bào)道。相反，已經(jīng)有大量報(bào)道證明乙醇類食品中乙醇具有明顯的毒副作用。最近，Langevin等[3]研究了乙醛對(duì)DNA的損傷作用和對(duì)機(jī)體的毒性，并同時(shí)證明很多致命性的疾病，如肝病、骨髓癌等正是由乙醛所導(dǎo)致的。需要注意的是：由于很多人缺少乙醛脫氫酶，食用含乙醇的食品以后，不能通過肝臟解毒將其變成沒有毒性的乙酸，而是變成乙醛，對(duì)機(jī)體造成傷害，如癌癥、骨髓障礙、發(fā)育缺陷和致命性酒精綜合征。此前，已有大量研究證明乙醇不僅可以誘發(fā)炎癥，還通過干擾一碳代謝，對(duì)表觀遺傳性狀產(chǎn)生復(fù)雜的損傷作用。所以，我們一直認(rèn)為，乳酸菌的作用，在很大程度上是由于其所產(chǎn)乳酸鹽的作用，本課題組曾經(jīng)對(duì)口服乳酸后機(jī)體所產(chǎn)生的細(xì)胞因子變化情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，證明乳酸的確可以刺激機(jī)體(血清中)產(chǎn)生IL-6、IFN-γ、TNF-α、IL-10、IL-4等細(xì)胞因子的顯著性變化[4]。事實(shí)上，在發(fā)酵食品中，只有乳酸發(fā)酵產(chǎn)物本身就可以作為機(jī)體的重要營養(yǎng)成分，而且已經(jīng)有大量研究證明：乳酸鹽在機(jī)體代謝，特別是機(jī)體的氧化還原、pH值平衡和能量代謝中具有關(guān)鍵性作用，并有越來越多的研究結(jié)果證明，癌癥也正是由于乳酸代謝失調(diào)所造成的。本文將對(duì)乳酸鹽的重要生理作用進(jìn)行綜述，并提出觀點(diǎn)和展望。

1 乳酸鹽的穿梭作用

在多細(xì)胞生物中，特別是在動(dòng)物中，組織和器官都需要相互之間的協(xié)調(diào)并發(fā)揮各自不同的功能。一旦這些協(xié)調(diào)作用失控就會(huì)導(dǎo)致疾病。由于每種組織和器官都處于不同的氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)狀態(tài)，因此，其呼吸和中心代謝途徑就必將處于不同的氧化還原、pH值和能量狀態(tài)。多細(xì)胞生物，特別是高等動(dòng)物必須通過一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)來溝通各個(gè)不同的組織和器官之間的氧化還原、pH值和能量平衡。大量研究表明，其中心環(huán)節(jié)和中間代謝物正是乳酸鹽，乳酸鹽的穿梭作用構(gòu)成了細(xì)胞器之間，細(xì)胞之間，組織和器官之間的氧化還原、能量和pH值的協(xié)調(diào)與平衡[5]，一旦失控就會(huì)導(dǎo)致疾病，例如糖尿病和癌癥。

當(dāng)一個(gè)人在運(yùn)動(dòng)中耗盡全力時(shí)，經(jīng)常會(huì)釋放大量乳酸鹽，這已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)。但是高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生乳酸鹽到底是機(jī)體的一種保護(hù)性機(jī)制，還是一種病理機(jī)制已經(jīng)成為目前研究的熱門課題。這里我們需要更正一個(gè)概念：在生理pH值條件下，乳酸(lactic acid)幾乎全部解離為乳酸鹽(lactate)和氫離子，這也正是在英文文獻(xiàn)中使用乳酸鹽而不是用乳酸的主要原因[6]，所以本文主要使用乳酸鹽一詞。

1.1 乳酸鹽在細(xì)胞器之間的穿梭作用

線粒體是氧化磷酸化的細(xì)胞器，從糖酵解所產(chǎn)生的丙酮酸或者乳酸鹽需要在這里脫羧(生成CO2)并將氫質(zhì)子的電子經(jīng)呼吸鏈交給氧生成水，從而保持細(xì)胞的中性或弱堿性環(huán)境?？梢?，線粒體要氧化乳酸鹽，就需要乳酸脫氫酶(LDH)及一元酸的運(yùn)載體(MCT)，果然，這兩種蛋白質(zhì)已經(jīng)被鑒定出來[7-8]。已經(jīng)證明這兩種酶存在于大鼠的心臟和骨骼肌線粒體的內(nèi)膜和基質(zhì)中，從而證明了線粒體和胞漿之間的確存在著乳酸鹽的穿梭作用，但是其生物化學(xué)意義尚沒有得到完美的解釋。Kline等[9]和Brandt等[10]則進(jìn)一步證明了乳酸鹽穿梭作用在大鼠肝、腎和心臟線粒體中的存在。而且用分離的肝臟線粒體可以和丙酮酸一樣快速氧化乳酸，所以他們認(rèn)為在線粒體和胞漿之間的確存在乳酸鹽穿梭。之后不久，肌肉中分離的線粒體對(duì)乳酸的氧化能力也得到了證實(shí)[11]。近年來大量研究證明了線粒體內(nèi)乳酸脫氫酶的存在[8]。而且已經(jīng)將負(fù)責(zé)線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)乳酸鹽和丙酮酸的載體定名為MCT1。由于質(zhì)子及其濃度梯度是乳酸鹽擴(kuò)散和易化轉(zhuǎn)運(yùn)流通所必需的，所以通過氧化除去乳酸鹽是通過氧化和糖異生作用，活躍的線粒體呼吸是乳酸鹽穿梭所必需的[12]。乳酸鹽在糖異生中的作用也已經(jīng)得到了證實(shí)[13]。

除線粒體和胞漿之間的乳酸鹽穿梭之外，似乎還存在其他細(xì)胞內(nèi)的穿梭作用，例如，在胞漿和過氧化物酶體之間存在著一個(gè)NADH再氧化系統(tǒng)，它是β-氧化所必需的。從邏輯關(guān)系上來看，乳酸鹽顯然具有氧化還原平衡調(diào)節(jié)作用，乳酸鹽和丙酮酸的跨過氧化物酶體膜的交換就成為必然[14]。應(yīng)用質(zhì)子和核磁共振技術(shù)(13CNMR)的研究支持體內(nèi)的確存在著細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器之間的乳酸鹽穿梭，并表明，在胎兒和嬰幼兒細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)乳酸鹽交流和代謝中發(fā)揮重要作用[15]。跟蹤丙酮酸的研究表明，在進(jìn)入循環(huán)后，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗猁}，可能是通過紅細(xì)胞的MCT1吸收，并通過LDH進(jìn)行乳酸鹽和丙酮酸之間的轉(zhuǎn)換。

1.2 乳酸鹽在細(xì)胞間的穿梭作用

乳酸鹽穿梭的概念是由Brooks提出來的[16]，它主要是運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)所發(fā)現(xiàn)的，后來又結(jié)合其他技術(shù)，特別是核磁共振技術(shù)，對(duì)乳酸鹽、葡萄糖和丙酮酸的流通進(jìn)行了大量研究。對(duì)細(xì)胞間的乳酸鹽穿梭作用主要有以下幾個(gè)方面。

實(shí)驗(yàn)大鼠運(yùn)動(dòng)期間的血乳酸鹽動(dòng)力學(xué)。早在1983年，就有科學(xué)家利用14C研究了葡萄糖在小鼠靜息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中乳糖的互相轉(zhuǎn)化關(guān)系。觀察到乳酸鹽總是產(chǎn)生并很快交換出去，即使在靜息的動(dòng)物中。在靜息狀態(tài)，乳酸鹽的處理率差不多仍然占葡萄糖氧化量的一半，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(大鼠的腳踏車運(yùn)動(dòng))將會(huì)增加到75%～80%。訓(xùn)練和技巧對(duì)乳酸鹽的產(chǎn)生影響很小。但是訓(xùn)練可以改變?nèi)樗猁}的清除速率，特別是高運(yùn)動(dòng)量訓(xùn)練中[17]?？梢?，乳酸鹽是糖元合成與葡萄糖分解的關(guān)鍵中間代謝物，也是能量的主要提供者。

人類運(yùn)動(dòng)期間的血乳酸鹽動(dòng)力學(xué)。Mazzeo等[18]研究了人類有代表性的運(yùn)動(dòng)和長期訓(xùn)練所產(chǎn)生的葡萄糖和乳酸鹽在海平面和高海拔地區(qū)訓(xùn)練和休息期間的相互作用。結(jié)果表明，在休息時(shí)仍然有大約一半的乳酸鹽氧化，在運(yùn)動(dòng)期間大概有75%～80%。有趣的是，Stanley等[19]對(duì)休息和輕松運(yùn)動(dòng)(最大運(yùn)動(dòng)耗氧量的40%)期間的葡萄糖和乳酸鹽通量進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明，在休息狀態(tài)，葡萄糖通量是乳酸通量的兩倍，但是，即使是在輕松運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，乳酸鹽的通量也會(huì)達(dá)到或者超過葡萄糖的通量。在艱苦的訓(xùn)練中，乳酸鹽的通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葡萄糖[20]。對(duì)乳酸鹽穿梭作用的研究表明，在運(yùn)動(dòng)期間，乳酸鹽從肌肉釋放進(jìn)血液循環(huán)中，然后由心臟作為基本燃料消耗[21]。

乳酸鹽的跨膜穿梭。研究表明，乳酸鹽的跨膜運(yùn)輸是通過一種被稱為一元羧酸的運(yùn)載體蛋白(monocarboxylate transport proteins，MCTs)進(jìn)行的，這是一個(gè)蛋白家族，在不同的細(xì)胞和組織中有不同的表達(dá)。最早的乳酸鹽跨膜運(yùn)輸?shù)鞍追蛛x自大鼠的肌纖維膜囊泡，很快就對(duì)其進(jìn)行了測序[22]。后來發(fā)現(xiàn)MCT在哺乳動(dòng)物不同組織中有多種異構(gòu)體[23]。特別是Bergman等[20]發(fā)現(xiàn)線粒體中也有乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，屬于MCT1而不是MCT4[24]。在訓(xùn)練時(shí)，肌纖維膜和線粒體MCT1都會(huì)增加，而在肌肉中則隨鍛煉而消失。

乳酸鹽作為糖異生的前體。并非肌肉中所產(chǎn)生的所有乳酸鹽都會(huì)立即氧化，所以在鍛煉期間動(dòng)脈的乳酸鹽會(huì)升高。在肌肉中將葡萄糖酵解生成乳酸鹽，從而為肌肉提供能量，所產(chǎn)生的乳酸鹽則可以通過動(dòng)脈進(jìn)入心臟和其他氧氣充足的地方氧化，或者通過Cori循環(huán)進(jìn)入肝臟進(jìn)行糖異生[25]。已經(jīng)對(duì)乳糖作為糖異生的前體進(jìn)行了大量研究，Trimmer等[26]對(duì)乳酸鹽作為前體和其他前體進(jìn)行了比較研究，證明乳酸鹽作為前體的效率總是最高的，這不僅是在鍛練期間。可見，乳酸鹽不僅僅在能量和氧化還原調(diào)節(jié)中起重要作用，也是糖異生，特別是鍛煉過程中糖異生的主要前體。但是，這里我們也應(yīng)該看到，Cori循環(huán)似乎是一種“無奈之舉”，通過該循環(huán)，只獲得2分子的ATP，而通過2分子的乳酸異生成葡萄糖則需要消耗6分子的ATP。按照目前的認(rèn)識(shí)，往往認(rèn)為乳酸循環(huán)的生理意義在于：避免損失乳酸以及防止因乳酸堆積引起酸中毒。但是如上所述，在休息期間，依然有一半以上的乳酸鹽生成。顯然，大部分乳酸鹽生成并非用來運(yùn)送到肝臟進(jìn)行糖異生，而是通過血液循環(huán)運(yùn)送到氧氣充足的器官或組織進(jìn)行氧化。而且筆者認(rèn)為乳酸循環(huán)絕不僅僅如Cori循環(huán)所描述的那樣是為了防止乳酸鹽積累而引起的酸中毒，其主要作用是通過在缺氧的情況下將NADH交給丙酮酸生成乳酸鹽，通過血液循環(huán)運(yùn)送到氧氣充足的組織再進(jìn)行氧化磷酸化，這樣，1個(gè)乳酸鹽的轉(zhuǎn)移相當(dāng)于將6對(duì)氫質(zhì)子(NADH)從缺氧的組織運(yùn)送到氧氣充足的組織進(jìn)行氧化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)18個(gè)ATP的能量轉(zhuǎn)移。

1.3 乳酸鹽通過循環(huán)系統(tǒng)的穿梭作用

本課題組經(jīng)過對(duì)不同的動(dòng)物和微生物的乳酸代謝通量控制分析，證明了乳酸通量和NADH/NAD＋之間有密切的負(fù)相關(guān)(血清k＝－8.0129，R2＝0.8975，尚未發(fā)表)，因此筆者提出：盡管通過血液循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)營養(yǎng)，特別是氧氣和二氧化碳的交流與交換，通過氧氣調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)組織和器官之間的氧化還原、pH值和能量平衡，但是由于動(dòng)物行為和生命活動(dòng)的不確定性，必然造成能量使用、供氧、排除二氧化碳的不平衡，特別是骨骼肌等運(yùn)動(dòng)使機(jī)體處于不同代謝狀態(tài)，為了保持細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器之間以及多細(xì)胞生物細(xì)胞或組織之間的氧化還原(還原力)、合成與分解輔酶(NADH/NADPH)、pH值以及能量(能荷)的交流與平衡，機(jī)體必需通過乳酸鹽和丙酮酸之間的相互轉(zhuǎn)換在細(xì)胞器之間，通過循環(huán)系統(tǒng)在細(xì)胞、組織與器官之間的穿梭和循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，顯然，乳酸鹽是最佳候選者，理由是：機(jī)體的氧化還原狀態(tài)、pH值和能荷必需保持基本恒定，否則就會(huì)得病，甚至死亡，而其他中間代謝產(chǎn)物，如丙酮酸等又必需處于動(dòng)態(tài)平衡之中，改變其中的任何一個(gè)代謝中間物的濃度，都會(huì)對(duì)整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生復(fù)雜的影響，只有乳酸鹽，它是一個(gè)所謂“盲路”途徑所生成的“產(chǎn)物”(在乳酸菌中就是終產(chǎn)物)，而且可以以離子形式存在于細(xì)胞內(nèi)外，特別是血液中，并可以進(jìn)行不斷地循環(huán)。從進(jìn)化的角度來分析，乳酸菌是一系列分泌乳酸鹽的微生物的總稱，本身就是一個(gè)完整的細(xì)胞，完整的代謝和生命活動(dòng)單元，可以在有氧和缺氧兩種條件下進(jìn)行代謝和繁衍，同時(shí)，乳酸鹽就順理成章地構(gòu)成了多細(xì)胞生物處在不同狀態(tài)下的細(xì)胞代謝必需解決的氧化還原、pH值和能量之間協(xié)調(diào)的關(guān)鍵控制分子。顯然，乳酸鹽不僅僅是一種營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)它的循環(huán)和穿梭作用是構(gòu)成多細(xì)胞生物氧化還原、能量和物質(zhì)代謝、酸堿平衡、合成與分解的基本條件。乳酸循環(huán)和穿梭失控就會(huì)造成代謝性疾病，甚至癌癥。

2 乳酸鹽在能量平衡中的作用

乳酸鹽是在氧氣不足時(shí)為機(jī)體緊急供能的唯一代謝途徑。生醇和生乙酸發(fā)酵雖然也可以在厭氧環(huán)境中為細(xì)胞提供能量，但是那只是在某些微生物或植物中。而且機(jī)體如果以乳酸鹽的形式提供能量，還可以將所生成的乳酸鹽通過循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)送到氧氣充足的地方，或在生物休息或者睡眠過程中重新轉(zhuǎn)化為丙酮酸，甚至直接在線粒體中進(jìn)行氧化。由于多細(xì)胞生物不可能保證任何位置或組織總是處于相同的氧氣供應(yīng)或者能耗恒定的情況下，所以多細(xì)胞生物的供能必需解決好細(xì)胞器之間以及細(xì)胞和組織之間的能荷與供氧，氧化磷酸化和底物磷酸化的調(diào)節(jié)與控制。在中心代謝途徑中，雖然底物磷酸化分別發(fā)生在糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)中，但是三羧酸循環(huán)的底物磷酸化生成的是GTP而不是ATP，GTP雖然在一定的條件下可以實(shí)現(xiàn)和ATP的互相轉(zhuǎn)化，但是GTP及其衍生物在代謝中具有不同的功能，如蛋白質(zhì)合成，信號(hào)傳遞等，它本身并不是能荷。因此，乳酸鹽/丙酮酸與NADH/NAD＋的協(xié)調(diào)為多細(xì)胞的能量供應(yīng)和氧化呼吸；乳酸鹽的糖異生作用也為葡萄糖的合成與分解平衡提供了唯一可行的代謝途徑。

2.1 乳酸鹽與腦神經(jīng)元供能

哺乳動(dòng)物腦能量的主要來源是葡萄糖，其主要能量消耗者是神經(jīng)元，所以對(duì)于腦能量代謝的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)是：葡萄糖優(yōu)先被消耗。但是，在葡萄糖和能量生產(chǎn)之間尚有幾個(gè)反應(yīng)步驟，而這些步驟并不一定發(fā)生在同一細(xì)胞中。一個(gè)選擇性模型假設(shè)優(yōu)先由星形膠質(zhì)細(xì)胞吸收，然后降解成乳酸鹽，輸出到神經(jīng)元再被氧化供能。越來越多的研究結(jié)果表明，乳酸鹽不僅可以為神經(jīng)元提供能量，它還是一種信號(hào)分子，具有Na＋傳感器[27]、葡萄糖傳感器[28]以及神經(jīng)元神經(jīng)膠質(zhì)激活及其與血管張力的偶聯(lián)作用[29]。2010年，Barros 等[30]討論了葡萄糖和乳酸鹽在興奮樹突區(qū)域的動(dòng)力學(xué)及其轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

葡萄糖在進(jìn)入神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之后，首先由己糖激酶進(jìn)行磷酸化，而且在大腦中該反應(yīng)是不可逆的，因?yàn)檫@里缺少有效的葡萄糖-6-磷酸活性[31]。這同時(shí)意味著星形膠質(zhì)細(xì)胞的糖原在這里不能用來產(chǎn)生葡萄糖，只能以乳酸鹽的形式轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元，這就是低血糖癥的病因[32]。另一個(gè)葡萄糖不能在腦中合成的后果是葡萄糖必須從間隙中進(jìn)入細(xì)胞。葡萄糖和乳糖在相鄰的神經(jīng)纖維網(wǎng)間質(zhì)空間區(qū)域進(jìn)行交換[33]，交換是通過隨機(jī)擴(kuò)散，大概30min達(dá)到平衡，僅限于1mm的兩個(gè)分離空間之間。除這些細(xì)胞外的途徑之外，葡萄糖和乳酸鹽也可以通過星形膠質(zhì)細(xì)胞間的縫隙連接到達(dá)相鄰區(qū)域，并可以通過活化進(jìn)行調(diào)節(jié)[34-35]。

圖1 神經(jīng)纖維網(wǎng)的神經(jīng)代謝偶聯(lián)模型[30]Fig. 1 Modes of neurometabolic coupling in the neuropil[30]

在大腦中，樹突結(jié)構(gòu)域不僅是信息處理的關(guān)鍵，也是最為耗能的區(qū)域，這主要?dú)w因于跨突觸后膜離子梯度的保持作用，因?yàn)樵撎荻仍跇渫患せ钇陂g將不斷地被打破。樹突區(qū)域的能量供應(yīng)，以及神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的燃料分布十分復(fù)雜，而且是一個(gè)高度控制過程。介導(dǎo)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞區(qū)域之間的葡萄糖和乳酸鹽運(yùn)轉(zhuǎn)的蛋白越來越顯示出地域性能量流通調(diào)控的關(guān)鍵作用，我們需要查明高度區(qū)域化的葡萄糖和乳酸鹽濃度的時(shí)空記錄、細(xì)胞內(nèi)外的時(shí)空分布，以便弄清楚葡萄糖和乳酸鹽濃度、流通及其與運(yùn)載體的關(guān)系與控制方式。

圖2 在樹突激活時(shí)，神經(jīng)元優(yōu)先吸收乳酸鹽以應(yīng)答之[30]Fig. 2 Preferential uptake of lactate by neurons in response to synaptic activity[30]

樹突激活產(chǎn)生局域性酸化，優(yōu)先驅(qū)動(dòng)乳酸鹽吸收并進(jìn)入神經(jīng)元。這是由于樹突后的定位及MCT2的高乳酸鹽親和力所致，而星形膠質(zhì)細(xì)胞MCT1異構(gòu)體則定位于遠(yuǎn)端，并顯示出比MCT2低的乳酸鹽親和力。

2.2 乳酸鹽與能量平衡

在許多脊椎動(dòng)物中，能量的供應(yīng)主要依賴于脂肪、糖類和蛋白質(zhì)的分解代謝。燃料的選擇與機(jī)體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)[36]。在休息或中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，脂肪氧化是ATP的主要來源，而隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，碳水化合物氧化供能加大，乳酸鹽的凈生成也隨即發(fā)生。亦即升高葡萄糖可以刺激胰島素的分泌，而胰島素則可以抑制脂肪組織的脂肪酸釋放，從而導(dǎo)致碳水化合物的優(yōu)先使用；相反，當(dāng)血漿脂肪酸水平升高(饑餓，低胰島素)時(shí)，脂肪酸將取代葡萄糖被優(yōu)先氧化[37]。已經(jīng)有研究證明[38-39]乳酸鹽可以下調(diào)脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，限制機(jī)體對(duì)脂肪酸的攝取，從而對(duì)燃料轉(zhuǎn)換起調(diào)節(jié)作用，由于乳酸鹽在糖酵解和氧化磷酸化的協(xié)調(diào)中起關(guān)鍵性作用，乳酸鹽本身又可以通過循環(huán)系統(tǒng)作為一種燃料而再利用，因此乳酸鹽在機(jī)體能量平衡中發(fā)揮了重要的協(xié)調(diào)作用。

有氧氧化，也就是氧化磷酸化是細(xì)胞獲得能量的最佳途徑，在這個(gè)分解代謝途徑中所脫出的氫質(zhì)子通過氧化呼吸鏈交給氧生成水，同時(shí)通過線粒體內(nèi)膜的跨膜pH值梯度驅(qū)動(dòng)ATP的生成。這個(gè)過程一方面偶聯(lián)了NADH/NAD＋，驅(qū)動(dòng)了高能化合物的形成，又使得有機(jī)酸氧化脫羧所形成的氫質(zhì)子氧化成中性無毒產(chǎn)物——水，從而偶聯(lián)了pH值平衡，這也是在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中通過溶氧控制pH值的原理和依據(jù)。但是，作為多細(xì)胞生物，特別是動(dòng)物，其物質(zhì)代謝、氧化還原、能量代謝和pH值在復(fù)雜的生命活動(dòng)中必需實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)和動(dòng)態(tài)平衡，因此在食物、營養(yǎng)吸收、整體和細(xì)胞呼吸以及生命活動(dòng)之間必需建立起一個(gè)和諧的循環(huán)系統(tǒng)。其中一個(gè)重要的分子就是乳酸鹽。乳酸鹽是偶聯(lián)機(jī)體能量代謝、合成與分解代謝、氧化還原狀態(tài)、pH值平衡的關(guān)鍵分子，如圖3所示。乳酸鹽通過血液循環(huán)系統(tǒng)溝通和調(diào)節(jié)機(jī)體各組織器官的能量、物質(zhì)代謝、氧化還原和p H值。

圖3 乳酸鹽的重要生理作用Fig.3 Important physiological roles of lactate in the body

2.3 乳酸鹽與運(yùn)動(dòng)

早在1808年，Berzelius等[40]在疲勞的動(dòng)物肌肉中就發(fā)現(xiàn)：劇烈運(yùn)動(dòng)過程中乳酸鹽的積累與肌肉的疲勞程度之間有密切聯(lián)系，而且肌肉力量的喪失與肌肉內(nèi)pH值的下降有關(guān)，從而認(rèn)定乳酸鹽是衡量肌肉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與疲勞程度的一個(gè)主要標(biāo)志，即在肌肉強(qiáng)烈活動(dòng)下，“代謝廢棄產(chǎn)物”——乳酸鹽的積累導(dǎo)致了肌肉的酸中毒，造成肌肉疲勞。然而，大量研究結(jié)果已經(jīng)使科學(xué)家對(duì)上述觀點(diǎn)產(chǎn)生了質(zhì)疑。Westerblad等[41]的研究表明，在肌肉疲勞過程中，由于磷酸肌酸分解而釋放的無機(jī)磷酸和ATP分解高能鍵的過程中所釋放的質(zhì)子，才是造成肌肉疲勞的主要原因。Nielsen等[42]認(rèn)為，恰恰相反，乳酸鹽很可能對(duì)肌肉起到了保護(hù)作用。在高強(qiáng)度鍛煉時(shí)，肌肉中產(chǎn)生的乳酸鹽可以平衡胞外高濃度的K＋所產(chǎn)生的肌肉收縮抑制，使肌肉免受損傷。乳酸鹽還可以通過向神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出信號(hào)以表明運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，造成疼痛感，從而使肌肉或其他器官在發(fā)生損傷前減少或終止運(yùn)動(dòng)?？梢娙樗猁}是機(jī)體在氧氣供應(yīng)不足，或者氧化磷酸化受限時(shí)所做出的應(yīng)激性反應(yīng)，它在為局部組織或器官提供必要的能量支持的同時(shí)，通過循環(huán)系統(tǒng)將乳酸鹽運(yùn)送到氧氣充足的地方再進(jìn)行氧化磷酸化，并保證pH值的穩(wěn)定性。

2.4 乳酸鹽與細(xì)胞增殖

細(xì)胞增殖的基本條件是能量和各種大分子的合成。細(xì)胞增殖需要ATP、NADP(H)、核糖和各種碳骨架、氨基酸等。其核心是葡萄糖分解所獲得的還原力、碳骨架和NADP(H)用于生物合成而不是通過TCA循環(huán)和氧化呼吸鏈徹底分解為CO2和水。已知生物合成需要的NADP (H)來源于蘋果酸脫氫酶、戊糖途徑和轉(zhuǎn)氨酶，其中蘋果酸脫氫酶和轉(zhuǎn)氨酶可以實(shí)現(xiàn)NAD(H)和NADP(H)之間的轉(zhuǎn)化[43]。而三羧酸循環(huán)是一個(gè)分解循環(huán)，要進(jìn)入合成和轉(zhuǎn)化途徑必需從糖酵解和三羧酸循環(huán)中跳出來，并形成氧化還原、pH值和能量的穩(wěn)定與平衡。顯然，控制細(xì)胞的呼吸作用成了細(xì)胞增殖的關(guān)鍵，而大量的葡萄糖分解所產(chǎn)生的NADH在線粒體氧化呼吸受控的情況下就只能將NADH交還給丙酮酸生成乳酸鹽，通過血液循環(huán)到其他部位呼吸氧化，或者作為生物合成的原料。

早在20世紀(jì)20年代，Warburg等[44]就發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞在有氧條件下依然進(jìn)行大量的糖酵解產(chǎn)生乳酸的代謝，而著名的巴斯德效應(yīng)(Pasteur effect)則是在通氧的條件下葡萄糖消耗減少，抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累[45]。顯然腫瘤具有反巴斯德效應(yīng)，也就是瓦氏(Warburg)效應(yīng)。后來的研究表明，細(xì)胞在增殖過程中都會(huì)進(jìn)行乳酸鹽的合成與分泌，因?yàn)樯扇樗猁}是細(xì)胞合成代謝所必需的基本條件。但是，所有的腫瘤細(xì)胞都表現(xiàn)出顯著的瓦氏效應(yīng)，因?yàn)槟[瘤要實(shí)現(xiàn)不斷的大分子的生物合成就需要大量的葡萄糖消耗，限制其通過正常的TCA循環(huán)和氧化磷酸化的徹底氧化，“劫持”TCA循環(huán)用以合成氨基酸，通過戊糖途徑和蘋果酸脫氫酶為大分子合成提供碳骨架核NADPH，與此同時(shí)，還必需為其提供大量的ATP作為驅(qū)動(dòng)力。大量的ATP產(chǎn)生按照正常細(xì)胞則需要足夠的氧氣供應(yīng)，而腫瘤的快速生長和血液供氧需求就迫使其一方面激活新血管生成，另一方面通過產(chǎn)乳酸鹽將不能被氧化的NADH交給丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)到血管周圍氧氣充足的區(qū)域進(jìn)行氧化，從而形成一個(gè)自我調(diào)節(jié)與平衡的區(qū)域性代謝網(wǎng)絡(luò)。解決因供氧不足，大量分解葡萄糖合成大分子所形成的腫瘤核心部位的pH值下降(酸化)以及過量NADH所造成的氧化還原失衡問題，如圖4、5所示?？梢?，這同時(shí)為我們弄清楚腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移機(jī)理，尋找更多的抗癌藥物靶點(diǎn)提供了重要方法、途徑和靶點(diǎn)。最近，Hanahan等[46]提出：癌癥發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移的過程涉及到一系列復(fù)雜的代謝變化及其微環(huán)境的協(xié)調(diào)與進(jìn)化。癌癥發(fā)生過程不僅要解決代謝網(wǎng)絡(luò)在時(shí)空上的協(xié)調(diào)關(guān)系，在其基因組和組織結(jié)構(gòu)上也需要產(chǎn)生復(fù)雜的變化，形成基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組等各層次上的異質(zhì)性和協(xié)同性。所以傳統(tǒng)的針對(duì)癌基因或以癌基因的單靶點(diǎn)抗癌藥物篩選越來越顯示出其明顯的缺陷。而針對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)和控制的研究，因其涉及到中心代謝途徑，特別是合成與分解代謝、氧化還原和能量代謝等腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移等基本問題，正在成為新的防癌和抗癌途徑。

圖4 腫瘤細(xì)胞代謝生物化學(xué)[47]Fig. 4 Biochemistry of cancer cell metabolism[47]

葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后經(jīng)過糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷Ｔ谡５募?xì)胞中，如果氧氣充足，丙酮酸經(jīng)過TCA循環(huán)、呼吸和氧化磷酸化徹底氧化。然而，如果氧氣很少，丙酮酸就會(huì)反轉(zhuǎn)為乳酸鹽進(jìn)入胞漿。癌細(xì)胞就是在有氧的情況下照樣驅(qū)動(dòng)丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗猁}。其營養(yǎng)成分——谷氨酰胺的代謝在癌細(xì)胞中也被更改。轉(zhuǎn)錄因子-HIF (圖4淺圓)和MYC (圖4深圓)在這些代謝途徑的多步反應(yīng)中都有作用，成為新的靶點(diǎn)。

圖5 癌細(xì)胞所介導(dǎo)的線粒體偶聯(lián)有氧酵解[48]Fig.5 Mitochondrial uncoupling mediates the metabolic shift to aerobic glycolysis in cancer cells[48]

3 乳酸鹽在機(jī)體氧化還原平衡中的作用

乳酸鹽作為一種代謝產(chǎn)物在各個(gè)層次上的穿梭作用，使其成為調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間和組織與器官間氧化還原平衡的關(guān)鍵分子。乳酸鹽在缺氧或者氧化呼吸鏈?zhǔn)芟薜那闆r下，可以作為NADH庫，或者“運(yùn)載體”，通過體液系統(tǒng)(循環(huán)系統(tǒng))運(yùn)送到其他區(qū)域再進(jìn)行氧化或者進(jìn)行糖異生作用。

圖6 乳酸鹽作為NADH 庫和運(yùn)載體的功能Fig. 6 Lactate acts as NADH pool and its transporter

乳酸鹽在缺氧時(shí)儲(chǔ)存NADH，避免機(jī)體處于過度還原的狀態(tài)，在不同組織之間運(yùn)送氫質(zhì)子，每運(yùn)送1個(gè)分子的乳酸鹽相當(dāng)于從A組織運(yùn)載了6對(duì)氫質(zhì)子到B組織進(jìn)行氧化，同時(shí)相當(dāng)于轉(zhuǎn)運(yùn)18個(gè)分子的ATP。

由此可見，乳酸鹽對(duì)于維護(hù)機(jī)體不同供氧、合成與分解代謝條件下的還原力及其動(dòng)態(tài)平衡至關(guān)重要。研究表明，乳酸鹽的形成和循環(huán)是多細(xì)胞生理代謝的必然需求，即使在休息狀態(tài)，乳酸鹽的處理率差不多占葡萄糖氧化量的一半，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(大鼠的腳踏車運(yùn)動(dòng))將會(huì)增加到75%～80%，因?yàn)檫@是機(jī)體代謝的必然結(jié)果。腫瘤只不過是利用了乳酸鹽的這些作用，實(shí)現(xiàn)了其“獨(dú)立王國”式的惡性繁殖而已。

4 乳酸鹽在機(jī)體pH值調(diào)節(jié)中的作用

在所有發(fā)酵過程中，氧氣供應(yīng)不足時(shí)，就會(huì)造成系統(tǒng)的pH值降低，并可以通過提高溶氧來進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一規(guī)律也適應(yīng)于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，因?yàn)榧?xì)胞繁殖所需要的能量和中間代謝產(chǎn)物都需要通過氧化分解代謝來實(shí)現(xiàn)。這一氧化分解過程在厭氧的條件下只能產(chǎn)生有機(jī)酸和脫氫，所產(chǎn)生的酸就會(huì)引起pH值的下降，而所脫出的氫質(zhì)子如果積累就會(huì)造成系統(tǒng)的還原性增加。后者要比前者對(duì)細(xì)胞的傷害更大，所以細(xì)胞只能把脫出來的氫再交回，產(chǎn)生有機(jī)酸。其結(jié)果是進(jìn)一步引起酸化。在氧氣供應(yīng)充足時(shí)，有機(jī)酸可以進(jìn)一步通過TCA循環(huán)徹底氧化為CO2，脫出的氫則可以通過氧化呼吸鏈交給氧生成水，從而避免厭氧所造成的酸化作用。當(dāng)然對(duì)于復(fù)雜的動(dòng)物機(jī)體，還需要通過血液循環(huán)系統(tǒng)將CO2排出體外，才能徹底避免分解代謝的酸化作用。顯然動(dòng)物要避免酸化作用，除及時(shí)排出CO2之外，還必需通過適當(dāng)?shù)妮d體運(yùn)送供氧和代謝在時(shí)空上的不平衡或者應(yīng)激狀態(tài)所形成的超過線粒體氧化呼吸能力的部分氫質(zhì)子和有機(jī)酸，其中最佳候選者就是乳酸鹽。乳酸鹽既可以接受NADH，本身也是一種有機(jī)酸，可以通過形成乳酸鹽的形式進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間和整個(gè)機(jī)體的穿梭。機(jī)體在缺氧、損傷、運(yùn)動(dòng)、應(yīng)激和各種病理?xiàng)l件下就會(huì)增加血中的乳酸鹽的通量。

4.1 乳酸鹽和pH值在時(shí)空分布上具有協(xié)同性

大量研究表明，腫瘤的一個(gè)普遍的特點(diǎn)是酸化的胞外pH值，顯然這是由于其大量的合成代謝占用了TCA循環(huán)，其缺氧狀態(tài)和其他復(fù)雜的因素抑制了氧化磷酸化。正常細(xì)胞，其細(xì)胞內(nèi)的pH值為7.1～7.2，略低于細(xì)胞外圍繞液體的pH值(大約為7.4)。在腫瘤細(xì)胞中，則形成一個(gè)相反的跨膜pH值梯度：pH值高于7.3[49]，而細(xì)胞外的pH值卻只有6.4～7.0[50-51]。這些胞外的H＋主要來自腫瘤細(xì)胞用乳酸鹽換取葡萄糖的過程：C6H12O6＝2C3H5O3－＋2H＋[52]。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，乳酸鹽必需以其生成相同的速度離開細(xì)胞。其pH值梯度就構(gòu)成了離開腫瘤細(xì)胞的驅(qū)動(dòng)力。乳酸鹽的運(yùn)輸需要協(xié)同運(yùn)輸?shù)鞍住狹CT。已經(jīng)證明異構(gòu)體MCT1 (SLC16A1)和 MCT4 (SLC16A3)在很多腫瘤中都會(huì)上調(diào)[53]。

大量的研究結(jié)果證明，在腫瘤的邊緣出現(xiàn)Na＋/H＋交換蛋白-1(Na＋/H＋exchanger，NHE)，表明H＋借助NHE1從腫瘤內(nèi)部擴(kuò)散到其邊緣的胞外空間。最近，Grillon等[54]研究了大鼠腦瘤不同部位乳酸鹽和質(zhì)子的時(shí)空和組織分布，發(fā)現(xiàn)NHE1和MCT1都參與了神經(jīng)膠質(zhì)瘤中乳酸鹽的交換與轉(zhuǎn)運(yùn)，而乳酸鹽的產(chǎn)生有利于腫瘤，因?yàn)樗膬艉铣蓜?chuàng)造了腫瘤細(xì)胞內(nèi)外的pH值微環(huán)境。乳酸鹽與pH值的協(xié)同作用見圖7。

圖7 神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的乳酸鹽及MCT1和NHE1對(duì)pH值分布的作用[54]Fig.7 Roles of lactate, MCT1 and NHE1 in pH distribution in glioma[54]

4.2 乳酸鹽和細(xì)胞內(nèi)的pH值控制

最近研究表明，有氧酵解在細(xì)胞增殖、腫瘤發(fā)生和癌變中具有重要作用。顯然，這是由于細(xì)胞增殖需要大量的合成代謝所造成的。因?yàn)楹铣纱x需要大量的碳骨架、ATP和NADPH，需要利用TCA循環(huán)中的部分途徑、轉(zhuǎn)氨作用和戊糖途徑，其氧化磷酸化能力受阻，或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足ATP的需求。而有氧酵解勢必造成細(xì)胞內(nèi)的pH值的變化。特別是，線粒體中氧化磷酸化驅(qū)動(dòng)ATP合成酶合成ATP的過程需要pH值梯度，驅(qū)動(dòng)有氧酵解則需要堿性pH值。這就可能形成癌細(xì)胞中細(xì)胞漿呈堿性pH值，而線粒體責(zé)呈酸性。已經(jīng)有大量研究表明，細(xì)胞漿的堿性化可能是激活有氧酵解的主要原因[54]。腫瘤細(xì)胞，已知具有高有氧酵解活性，其細(xì)胞漿的pH值會(huì)增高0.13～0.45，也就是pH7.12～7.65，而正常細(xì)胞為pH6.99～7.20。生長因子誘導(dǎo)的正常細(xì)胞增生也與細(xì)胞漿的堿性化有聯(lián)系(Na＋/H＋逆向運(yùn)轉(zhuǎn))，因?yàn)榧?xì)胞的增殖也需要更多的合成代謝，增加有氧酵解率。由于有氧酵解可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞外環(huán)間的酸化(pH6.2～6.9，正常pH值為：7.3～7.4)，所以腫瘤細(xì)胞的內(nèi)外存在一個(gè)pH值差，其作用機(jī)制如圖8所示。

圖8 線粒體膜外部含有的依賴于離子通道和H+的電勢差[54]Fig.8 Outer mitochondrial membrane (OMM) contains voltage dependent anion channels (VDAC) that make this membrane permeable to H+[54]

胞漿中H＋的減少，也就是胞漿堿性化是在膜間腔中H＋的濃度減少所造成的。這就減少了線粒體內(nèi)膜H＋的電化學(xué)劑量和跨膜梯度(IMM)，從而減少了H＋通過ATP合成酶進(jìn)入基質(zhì)的能力，也就是減少了丙酮酸和磷酸向基質(zhì)中的轉(zhuǎn)移，最終減少了氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。細(xì)胞內(nèi)的堿性化還可以通過誘導(dǎo)己糖激酶(HK)結(jié)合與離子通道(VDAC)的結(jié)合抑制氧化磷酸化，從而誘導(dǎo)VDAC的關(guān)閉，線粒體活性抑制。

5 乳酸鹽的信號(hào)傳遞作用

早在19世紀(jì)，生理學(xué)家和生物化學(xué)家就已經(jīng)觀察到動(dòng)物肌肉中乳酸鹽的存在。一直以來，乳酸鹽的作用被作為廢物并被認(rèn)定為運(yùn)動(dòng)疲勞所產(chǎn)生的毒副作用成分。但是，近來的證據(jù)表明，乳酸鹽不僅是一種活性中間代謝產(chǎn)物，而且可以在細(xì)胞內(nèi)不同細(xì)胞器之間、細(xì)胞之間、組織和器官之間進(jìn)行穿梭，既可以返回到丙酮酸發(fā)揮燃料作用，也可以異化生成葡萄糖。所以人們意識(shí)到，乳酸的作用似乎不簡單，可能在代謝，系統(tǒng)和細(xì)胞水平上發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[54]。例如，是否乳酸鹽會(huì)對(duì)特異性的組織發(fā)揮代謝信號(hào)作用？或者成為代謝控制的類激素分子？還有，乳酸鹽是否具有整體上協(xié)調(diào)交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)系統(tǒng)的控制作用？甚至于乳酸鹽是否在肌肉收縮過程中具有維護(hù)肌肉生理功能的作用？乳酸鹽作為信號(hào)傳遞化合物的假說源自對(duì)細(xì)胞和整體的調(diào)查分析與研究。已經(jīng)有大量研究證明，乳酸鹽具有進(jìn)出細(xì)胞甚至細(xì)胞器的能力和機(jī)制，其運(yùn)載體是一個(gè)MCT家族，從而形成一個(gè)多層次的穿梭系統(tǒng)。而且，乳酸鹽還可以在特異性乳酸脫氫酶(不同的異構(gòu)體)的催化下與丙酮酸互相轉(zhuǎn)化，從而形成一個(gè)具有高度適應(yīng)能力的代謝中間化合物系統(tǒng)。

5.1 乳酸鹽作為信號(hào)分子：氧化還原信號(hào)傳遞

當(dāng)乳酸鹽被氧化為丙酮酸時(shí)，就改變了細(xì)胞的氧化還原平衡，因此，在細(xì)胞的各空間中，乳酸鹽的產(chǎn)生和去除代表著一個(gè)重要的信號(hào)傳遞機(jī)制，因?yàn)檫@意味著該空間中氧化還原電勢的改變。乳酸鹽的替代也表明了高能化合物的下調(diào)。當(dāng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)脈乳酸鹽就會(huì)升高，這是因?yàn)樾呐K在用葡萄糖作“燃料”，增加了高能底物的使用。研究發(fā)現(xiàn)[55]，當(dāng)機(jī)體休息和運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈乳酸鹽升高4mmol/L，葡萄糖的氧化就按照化學(xué)計(jì)量減少其氧化和消耗。

在游離脂肪酸(FFA)的動(dòng)員方面，在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)中，酸中毒對(duì)脂類分解的抑制作用一直被認(rèn)定當(dāng)高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血中的乳酸鹽上升，而游離脂肪酸下降[56]。但是，最近，Liu Changlu等[57]的研究表明，乳酸鹽抑制脂肪細(xì)胞中的脂肪分解，這個(gè)過程是通過一個(gè)單獨(dú)的G-蛋白偶聯(lián)受體(GPR81)激活，從而作為乳酸鹽的傳感器，抑制脂肪酸分解。關(guān)于游離脂肪酸的氧化，已經(jīng)廣泛認(rèn)為：當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加時(shí)，動(dòng)脈乳酸鹽升高，F(xiàn)FA氧化因質(zhì)量作用(定律)和氧化還原控制而下降[58]。在肌肉收縮期間，酵解被加速，酵解產(chǎn)物乳酸鹽與丙酮酸的比例升高。在休息狀態(tài)，肌肉和靜脈中的[La－]/[Pyr－]流出差不多達(dá)到10，和中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)相比其比例高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[59]。由于一元酸可以控制底物進(jìn)入線粒體基質(zhì)，升高乙酰-CoA，因此控制丙二酰-CoA形成。丙二酰-CoA通過抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1(CPT-1)抑制活化的FFA進(jìn)入線粒體基質(zhì)。同樣，乙酰-CoA的積累下調(diào)β-酮硫解酶活性，終止并按比例限制線粒體的β-氧化途徑，該途徑對(duì)氧化還原和底物抑制敏感。

5.2 乳酸鹽對(duì)基因表達(dá)的作用

除通過氧化還原調(diào)節(jié)短期的代謝控制以外，乳酸鹽還具有對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的長期作用。已經(jīng)證明，耐力訓(xùn)練具有刺激線粒體生物合成的作用。也有研究表明耐力訓(xùn)練可以增強(qiáng)MCT1的表達(dá)，而且MCT1表達(dá)的這些變化與線粒體蛋白的水平有關(guān)。這些研究結(jié)果使我們不得不得出乳酸鹽對(duì)自身代謝具有信號(hào)傳遞作用的結(jié)論。一元酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白異構(gòu)體(如：MCT1)是一種液體轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因超家族。其中第一個(gè)成員被命名為MCT1，是在1994年被發(fā)現(xiàn)的[60]。 該家族中的前4個(gè)異構(gòu)體成員都是乳酸鹽、丙酮酸運(yùn)載體。當(dāng)然，MCT1 (SLC16A1)是最廣泛的一個(gè)成員，在多種細(xì)胞和組織中表達(dá)，從神經(jīng)元到紅細(xì)胞和精子[61]。而且，MCT1也在不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)域中表達(dá)。在肌肉中，包括胞漿、線粒體和過氧化物酶體[14]膜中都有表達(dá)。有科學(xué)家研究了M CT1 mRNA和蛋白水平及其與內(nèi)源性乳酸鹽對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明乳酸鹽的確可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)MCT1的表達(dá)[63]。有人用培養(yǎng)的L6細(xì)胞研究了乳酸鹽信號(hào)傳遞作用機(jī)制，追蹤它和反應(yīng)性氧(ROS)的關(guān)系，也有人研究了乳酸鹽在傷口愈合過程中升高的規(guī)律，結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了乳酸鹽對(duì)MCT1基因啟動(dòng)子的調(diào)控作用，同時(shí)表明對(duì)已知的ROS-應(yīng)答因子，如cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白 (CREB)、核因子-κB (NF-κB)、活化蛋白-1(AP-1)、刺激蛋白-1 (SP-1)和核因子網(wǎng)織紅細(xì)胞2 (NF-E2或Neff)都有調(diào)控作用。為了證實(shí)乳酸鹽是否作為ROS誘發(fā)因子，科學(xué)家測定了L16細(xì)胞在20mmol/L乳酸鹽存在時(shí)所產(chǎn)生的H2O2，結(jié)果表明，高葡萄糖和乳酸鹽的確都可以對(duì)應(yīng)性地增加過氧化氫的產(chǎn)生，也具有產(chǎn)生ROS的作用。在離體培養(yǎng)的肌細(xì)胞中，乳酸鹽也具有產(chǎn)生ROS的作用，而且，乳酸鹽還可以增加L6細(xì)胞的MCT1基因的表達(dá)，以及ROS-敏感性轉(zhuǎn)錄因子的活性，增加NF-κB DNA結(jié)合活性。同樣，還可以增加NF-E2 DNA結(jié)合活性[62]。但是沒有檢測到它對(duì)AP-1和SP-1的作用。因此，NF-κB和NF-E2的DNA結(jié)合主要是對(duì)氧化應(yīng)激所做出的應(yīng)答。

由于細(xì)胞色素氧化酶(COX)是電子傳遞鏈的“終點(diǎn)站”，所以乳酸脫氫酶(LDH)和MCT1可能組成一個(gè)線粒體乳酸氧化復(fù)合物(LOX)，決定了20mmol/L乳酸鹽對(duì)COX和過氧化酶體增生因子活化受體-γ、共激活因子-1α (PGC1α)蛋白的水平，而PGC1α是控制線粒體生成的主要協(xié)調(diào)者。已經(jīng)有研究證明，乳酸鹽可以增加L6細(xì)胞COX mRNA及其蛋白表達(dá)的水平。可見，乳酸鹽可能作為線粒體增殖協(xié)同控制因子和PGC1α與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，控制線粒體的基因表達(dá)，包括COX、CREB、核呼吸因子 (NRF)-1和NRF-2。由于線粒體是運(yùn)動(dòng)生理的重要基礎(chǔ)，所以也有大量研究試圖測定乳酸鹽對(duì)線粒體MCT1、COX 和 LDH的作用，結(jié)果表明，線粒體的動(dòng)力學(xué)變化的確涉及到MCT1和LOX蛋白。相關(guān)的信號(hào)作用于4個(gè)GTPases (Mfn1、Mfn2、OPA1、Drp1)和Fis1[62]。

5.3 乳酸鹽的炎癥和抗炎癥作用

已知乳酸鹽可以誘導(dǎo)胰島素抗性，但是，其機(jī)制并未完全清楚。根據(jù)目前的研究，乳酸鹽可以增加LPS刺激的炎癥因子基因表達(dá)[63]，這些基因包括：細(xì)胞因子：GM-CSF (CSF2)、IL-6、TNF-α 和IL-1β；趨化因子如：MCP-1、CXCL10、IL-8。乳酸鹽可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞TLR4信號(hào)傳遞，這在脂肪細(xì)胞胰島素抗性中起重要作用。研究表明，乳酸鹽刺激MD-2，一種TLR4信號(hào)傳遞活化輔助受體、NF-κB轉(zhuǎn)錄活性和人類U937組織細(xì)胞(駐留的巨噬細(xì)胞)炎癥因子基因的表達(dá)，對(duì)單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞也有刺激其炎癥因子基因表達(dá)的作用。對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行深入研究表明，乳酸鹽誘發(fā)炎癥作用可以通過抗氧化處理消除，證明其關(guān)鍵是乳酸鹽誘發(fā)的反應(yīng)性氧激活了TLR4。α-氰基-4-羥基肉桂酸是一種典型的一元羧酸載體，它可以阻斷乳酸鹽誘發(fā)的炎癥因子基因的表達(dá)及其對(duì)NF-κB的激活作用，這說明乳酸鹽通過一元羧酸載體的運(yùn)轉(zhuǎn)是增強(qiáng)TLR4活性所必需的。但是，本實(shí)驗(yàn)室通過小鼠灌胃、腹腔注射和尾靜脈注射乳酸鹽后，測定其血清中的細(xì)胞因子的變化發(fā)現(xiàn)，3種條途徑血清中細(xì)胞因子IL-4 水平都明顯上升，尾靜脈注射組達(dá)到極顯著水平；IL-10在灌胃組顯著性升高，腹腔和尾靜脈注射組有極顯著性升高；對(duì)于TNF-α 3條途徑均有極顯著性升高；IL-1β水平在3條途徑都有極顯著性下降；3種給藥途徑與相應(yīng)的對(duì)照組相比，血清中細(xì)胞因子IL-6 水平都明顯上升，達(dá)到極顯著水平；而IFN-γ的水平只有腹腔注射組有極顯著性升高(P＜0.001)，灌胃和尾靜脈注射組中IFNγ都未檢出[4]。比較上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在IL-6、TNF-α的升高是一致的，而重要的炎癥細(xì)胞因子，IL-1β則是相反的，在本課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，重要的抗炎癥細(xì)胞因子IL-10也是顯著升高的，這顯然是因?yàn)镾amuvel等[63]的研究是用細(xì)胞培養(yǎng)作出的，而我們看到，乳酸鹽的作用是整體的，可以刺激炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生，同時(shí)也可以刺激抗炎癥細(xì)胞因子，如IL-10的合成與分泌，本課題組一直主張?bào)w內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)是有很大差異的。但是，無論如何，這些研究結(jié)果都證明了，乳酸鹽的確具有復(fù)雜的信號(hào)傳遞作用，尤其是TLRs在胃腸黏膜系統(tǒng)也分布著相應(yīng)的受體，顯然為乳酸鹽類發(fā)酵食品的信號(hào)傳遞作用奠定了分子和細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)。

5.4 乳酸鹽對(duì)NADH/ NAD＋的作用

本課題組在乳酸通量控制分析的研究中注意到，乳酸和丙酮酸的互換以及乳酸鹽在各個(gè)層次上的穿梭作用對(duì)NADH/NAD＋具有重要的調(diào)節(jié)作用，所以筆者認(rèn)為乳酸鹽實(shí)際上就是一個(gè)還原力庫。本課題組經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)表明，乳酸通量和NADH/NAD＋之間的確有非常緊密的相關(guān)性(尚未發(fā)表)。這就使我們不難看出，乳酸鹽作為信號(hào)分子，其主要信號(hào)傳遞功能可能正是通過對(duì)還原力的調(diào)節(jié)及其本身的穿梭作用來實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，NAD＋的活性一直被作為氧化還原酶的輔助因子，它作用于非常廣泛的蛋白質(zhì)，包括NAD＋依賴蛋白脫乙酰基酶、多聚合酶(ADP-核糖)和轉(zhuǎn)錄因子等發(fā)揮多種功能。通過這些作用，NAD＋提供了細(xì)胞氧化還原狀態(tài)和信號(hào)控制以及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)之間的直接聯(lián)系。最近的研究證明，特別是在代謝和內(nèi)分泌中，NAD＋依賴途徑可能對(duì)氧化代謝和壽命延長發(fā)揮了主要作用[64]。

顯然，乳酸鹽通過和丙酮酸互換，及其在各個(gè)層次上的穿梭作用決定了不同細(xì)胞、細(xì)胞器、組織和器官NADH/NAD＋的動(dòng)態(tài)平衡，從而發(fā)揮眾多的生理功能和細(xì)胞信號(hào)傳遞作用：1)線粒體能量連接轉(zhuǎn)氨酶和NAD＋/NADH與NADP＋/NADPH氧化還原狀態(tài)的控制與調(diào)節(jié)。由于NAD＋和NADP＋氧化還原對(duì)之間是互相配合的，所以轉(zhuǎn)氨酶反應(yīng)的平衡常數(shù)需要N A D＋和NADP互相配合的氧化還原調(diào)節(jié)，也就是需要NAD＋/ NADH和NADP＋/NADPH的比例控制。有趣的是，轉(zhuǎn)氨酶催化這一反應(yīng)需要整合到線粒體膜上，和質(zhì)子泵活性偶聯(lián)在一起[65]。因此，轉(zhuǎn)氨酶和線粒體的能量產(chǎn)生，以及呼吸鏈的復(fù)合物VI聯(lián)系在一起。就像線粒體的F0F1-ATP酶 (復(fù)合物V)一樣，轉(zhuǎn)氨酶由質(zhì)子泵通過跨線粒體膜的質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)，并通過驅(qū)動(dòng)NADH＋NADP＋←→NAD＋+NADPH平衡來加以控制。轉(zhuǎn)氨酶和質(zhì)子泵的偶聯(lián)解釋了為什么線粒體NADP(H)-氧化還原狀態(tài)總是和線粒體的NAD(H)氧化還原狀態(tài)相適應(yīng)的原因(圖9)。2)線粒體和細(xì)胞漿之間的NAD(H)-氧化還原控制。線粒體和胞漿NAD(H)-氧化還原狀態(tài)是NAD＋的再生中多步驟反應(yīng)的最終結(jié)果，包括：糖原分解酶催化葡萄糖分解為丙酮酸；線粒體膜上的丙酮酸運(yùn)載體和丙酮酸脫氫酶復(fù)合物；檸檬酸循環(huán)；呼吸鏈；3)N AD＋作為信號(hào)分子。在動(dòng)物中有3個(gè)家族的酶由NAD(H)控制：包括：抗衰老酶(sirtuins，后來發(fā)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)組蛋白脫乙酰基酶家族)、ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶(包括PARPs和ADP (cADP)-核糖合成酶)。這些NAD(H)-依賴酶不僅具有重要的代謝調(diào)控作用，而且在能量代謝、細(xì)胞生存和老化，特別是表觀遺傳修飾中發(fā)揮重要作用。已經(jīng)有人提出：NAD(H)的消耗，主要是抗衰老酶的作用，可以用作依賴于NAD(H)的能量傳感器，并能夠用于引發(fā)適應(yīng)性應(yīng)答。4)動(dòng)物中消耗NAD＋的酶——Sirtuins。Sirtuins是一個(gè)NAD＋依賴蛋白脫乙?；讣易澹徒湍妇某聊畔⒄{(diào)控子-2(silent information regulator 2，Sir2)很相似。實(shí)際上，Sirtuins主要催化組蛋白的賴氨酸殘基乙?；揎椀哪娣磻?yīng)——脫乙?；磻?yīng)，但是，并不像以前發(fā)現(xiàn)的另一種組蛋白脫乙?；?，因?yàn)樗枰腘AD＋，釋放NAM、O-乙酰ADP核糖和脫去乙?；牡孜颷66]?？茖W(xué)家之所以對(duì)酵母菌的Sir2感興趣，主要是因?yàn)樗娃D(zhuǎn)錄沉默作用有關(guān)，而且這一作用與酵母菌的老化和衰老有關(guān)。1999年，Kaeberlein等[67]報(bào)道了增加Sir2的拷貝數(shù)可以嚴(yán)懲酵母菌壽命30%，而切除Sir2基因則具有縮短壽命50%的作用。脫乙?；富钚詫?duì)NAD＋的依賴性促使科學(xué)家提出假說認(rèn)為：Sir2可能作為一個(gè)代謝傳感器，具有按照細(xì)胞代謝狀態(tài)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力[68]。作為該假說的證據(jù)，已經(jīng)有一系列的研究表明，Sir2可能正是通過對(duì)卡值(能量)限制的關(guān)鍵性控制對(duì)壽命起作用[69-70]。在動(dòng)物中，有7個(gè)Sir2系列已經(jīng)得到研究，命名為：SIRT1～7，這些酶普遍表達(dá)，含有一個(gè)保守的催化中心，包含275個(gè)氨基酸殘基[71]。5) NAD＋依賴性Sirtuins信號(hào)傳遞所產(chǎn)生的生物學(xué)作用。在所有的哺乳動(dòng)物Sirtuins中，Sirt1是目前研究最多的一種。一般情況下，Sirt1在能量應(yīng)激的情況下被活化，例如禁食、訓(xùn)練、或低葡萄糖，與此同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的NAD＋水平也會(huì)增加[72-73]。雖然我們對(duì)哺乳動(dòng)物的Sirt1仍知之甚少，但是它和代謝平衡的緊密聯(lián)系是很清楚的。Sirt1依賴于NAD＋的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和組蛋白修飾作用也已經(jīng)得到了大量研究。

圖9 能量與轉(zhuǎn)氨酶和氧化還原狀態(tài)的連接[73]Fig.9 Linkage between energy and transhydrogenase or redox state[73]

圖9中復(fù)合物VI，主要是連接能量和轉(zhuǎn)氨酶催化的反應(yīng)： NADH＋NADP＋←→NAD＋＋NADPH。事實(shí)上，復(fù)合物VI 有跨線粒體膜的質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)。就像F1F0-ATP酶一樣驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)氨酶反應(yīng)。轉(zhuǎn)氨酶的反應(yīng)實(shí)際上是單向的(NADH＋NADP→NAD＋＋NADPH)。

6 乳酸鹽的保健作用與應(yīng)用

根據(jù)目前的研究成果，我們認(rèn)為乳酸菌的益生作用可能主要是乳酸鹽的作用，或者在某種程度上可以認(rèn)為：所有的現(xiàn)代多細(xì)胞高等動(dòng)物的祖先都是從乳酸菌進(jìn)化而來。乳酸鹽作為細(xì)胞內(nèi)外和細(xì)胞間代謝在氧化還原、質(zhì)子、合成與分解代謝以及能量平衡等方面的調(diào)節(jié)和關(guān)鍵作用，決定了它在多細(xì)胞生物中的中心地位。特別是乳酸鹽在細(xì)胞器、細(xì)胞內(nèi)外和循環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體和穿梭作用更使得它可能在多細(xì)胞生物的代謝、基因表達(dá)調(diào)控和整體生命活動(dòng)中處于核心地位。實(shí)際上，人們在長期的生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究中已經(jīng)廣泛注意到了乳酸鹽的各種有益作用，并對(duì)其進(jìn)行了多方面的開發(fā)應(yīng)用。

6.1 乳酸鹽對(duì)食品的保護(hù)作用

除乳酸鏈球菌素作為防腐劑以外，乳酸菌本身被用來抑制其他微生物污染和食品防腐已經(jīng)成為食品界熟知的事實(shí)。乳酸鹽本身的防腐作用也早已成為常識(shí)，乳酸鈉對(duì)很多肉制品，如烤肉、火腿、香腸、雞、鴨類產(chǎn)品和醬鹵制品等的防腐作用的利用由來已久。但是其防腐作用的分子機(jī)制直到最近才逐漸顯現(xiàn)出來。Mohan等[74]調(diào)查了糖酵解和三羧酸循環(huán)中幾種中間代謝物乳酸鹽、蘋果酸和丙酮酸對(duì)牛肉，特別是肌紅蛋白的氧化還原和護(hù)色防腐作用，證明乳酸對(duì)半腱肌和腰肌的護(hù)色保鮮作用最有效，表明這些代謝中間產(chǎn)物可以有效延長后僵期肌肉貨架期，保護(hù)顏色，有效減少肌紅蛋白氧化，增加肌紅蛋白的還原性和穩(wěn)定性。最近，Ramanathan等[75]利用乳酸鹽等代謝中間產(chǎn)物對(duì)牛肉最長肌的護(hù)色作用進(jìn)行了研究，結(jié)果證明，給腰方肌注射琥珀酸、丙酮酸和乳酸鹽可以提高肌肉的pH值，這3種化合物可以在貯存和高氧包裝期間增加牛排的色澤穩(wěn)定性。這些研究證明，乳酸鹽的確可以通過增強(qiáng)在失去血液循環(huán)和氧化呼吸能力的情況下發(fā)揮積累NADH，保護(hù)肌肉免受氧化退色的作用。

6.2 瓦氏效應(yīng)，營養(yǎng)與癌癥

按照瓦氏效應(yīng)，腫瘤組織和正常組織相比，對(duì)葡萄糖有更大的依賴性，癌細(xì)胞將葡萄糖通過戊糖途徑、三羧酸循環(huán)和有氧發(fā)酵生成乳酸為其不間斷的合成代謝提供NADH、中間代謝物和ATP，總體上表現(xiàn)出在有氧的情況下酵解生成大量乳酸鹽。為了達(dá)到這些目的，癌細(xì)胞必須顯著提高葡萄糖的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和乳酸生成與排出。與此同時(shí)，就需要相關(guān)活性調(diào)節(jié)和代謝途徑關(guān)鍵酶的過量表達(dá)[76]。顯然我們可以利用腫瘤細(xì)胞的這些特性和適合的靶標(biāo)來篩選抗癌藥物。早在1 8 8 5年，F(xiàn)reund[77]就觀察到癌癥病人可能會(huì)發(fā)展成自發(fā)的高血糖癥，所以人們一直致力于通過適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)來改變葡萄糖代謝治療癌癥。后來，在1924年，Krebsforsch等[78]總結(jié)了當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)：“富含碳水化合物的營養(yǎng)可以顯著刺激腫瘤的生長”。腫瘤的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是增加胰島素的抗性[79]和脂肪酸的氧化[80]。相反，腫瘤細(xì)胞常常缺少應(yīng)用脂肪酸或酮體 (乙酰乙酸、β-羥丁酸)作為碳(能)源的能力，甚至?xí)獾竭@些化合物的傷害[81]。因此促進(jìn)機(jī)體的脂肪酸代謝抑制葡萄糖代謝有可能抑制腫瘤的發(fā)展。低卡值/高脂肪(low carb /high fat，LCHF) 飲食以及嚴(yán)格限制碳水化合物生酮的營養(yǎng)符合這一目的。這里，酮體是由肝臟氧化脂肪酸的中間代謝產(chǎn)物。它可以在完全沒有碳水化合物的情況下替代葡萄糖作為健康組織，包括大腦的能源。早在20世紀(jì)20年代，生酮營養(yǎng)就被用來治療兒童癲癇[82]。最近，運(yùn)用酮體作為碳水化合物的營養(yǎng)食品已經(jīng)大量用于抗癲癇治療，沒有發(fā)現(xiàn)任何副作用[83-84]。1995年，兩個(gè)女性兒科晚期星形細(xì)胞瘤患者用基于中等長度脂肪鏈甘油三酯(MCT)作為脂肪營養(yǎng)的KD食品進(jìn)行了治療，兩個(gè)病人的腫瘤的葡萄糖吸收顯著減少，其中一人經(jīng)歷了12個(gè)月沒有進(jìn)一步發(fā)展，10年以后依然健在[85]。已經(jīng)有研究證明，減少卡值的KD食品可以顯著地縮小小鼠腦癌，還有報(bào)道說，一個(gè)女性惡性膠質(zhì)瘤患者也得到了很好的治療，但是伴隨著體質(zhì)量的明顯下降[86]。早就有研究表明酮體，β-羥丁酸可以在離體的條件下抑制一些腫瘤細(xì)胞的生長[87]。已經(jīng)有研究證明，β-羥丁酸和乙酰乙酸可以抑制結(jié)腸和乳腺癌細(xì)胞系[88]，以及神經(jīng)細(xì)胞瘤。最近的研究表明，KD食品可以顯著縮小腫瘤的體積，并增加小鼠前列腺癌癥模型生存期[89]。另外，富含ω-3脂肪酸的食品，即使不含酮體也已經(jīng)表明具有降低腫瘤生長和腫瘤細(xì)胞繁殖率的作用[90]。有人將無限制的酮體營養(yǎng)用ω-3脂肪酸進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)果有效拖延了模型小鼠的腫瘤生長[91]。最近，Schmidt等[92]進(jìn)行了部分志愿者的臨床研究，結(jié)果表明，KD的確適合于癌癥治療，也包括晚期癌癥病人，沒有任何副作用，有效改善了病情，改進(jìn)了生活質(zhì)量?？梢钥吹剑鶕?jù)癌細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的代謝特點(diǎn)，我們可以通過設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)食品來抑制和防止癌癥發(fā)生，也可以用于癌癥和腫瘤的輔助治療。也許在不遠(yuǎn)的將來就會(huì)證明可以通過乳酸鹽控制和治療癌癥。

6.3 乳酸鹽和體能，富含乳酸鹽的食品或能作為高能食品？

在大宗的發(fā)酵食品中，存在3種主要發(fā)酵成分：醋酸、乙醇和乳酸鹽。其中只有乳酸鹽是動(dòng)物的營養(yǎng)成分，而且是一種重要的中間代謝產(chǎn)物。乳酸鹽可以直接進(jìn)入代謝，經(jīng)丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)和氧化呼吸鏈，1個(gè)分子的乳酸最多可以產(chǎn)生18個(gè)分子的ATP。事實(shí)上，機(jī)體在休息、勞動(dòng)、鍛煉和劇烈運(yùn)動(dòng)中都會(huì)造成各部位對(duì)能量需求的變化，而線粒體的呼吸能力受氧氣供應(yīng)量的控制，在氧氣供應(yīng)不足或者合成代謝大于分解代謝時(shí)都需要不同的氧化呼吸水平。特別是在肌肉收縮時(shí)，需要大量的能量，這勢必造成局部能量供應(yīng)不足，需要大量的ATP補(bǔ)充，造成氧氣臨時(shí)短缺，只能通過糖酵解生成乳酸，通過底物磷酸化合成ATP來應(yīng)急。所生成的乳酸鹽可以通過循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)送到其他組織或器官進(jìn)行氧化?？梢娙樗猁}的穿梭和異地氧化能力與機(jī)體的運(yùn)動(dòng)生理密切相關(guān)。已經(jīng)有一系列運(yùn)動(dòng)和血乳酸鹽含量的研究，證明：短期劇烈運(yùn)動(dòng)(400m競賽)血乳酸會(huì)迅速提高，從進(jìn)氧量和耗能量的比值可以看出，此時(shí)機(jī)體的能量一部分來自糖酵解，在停止運(yùn)動(dòng)后，血乳酸將很快消失，機(jī)體不再通過糖酵解釋放能量，并已經(jīng)證明這些乳酸主要是通過肌肉、血液、心、腦、肝，特別是肌纖維重新氧化分解，只有少數(shù)按照Cori循環(huán)進(jìn)行糖異生作用，但是主要用以補(bǔ)充肌糖原，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，厭氧酵解的主要葡萄糖來自糖原分解，這樣可以最大程度地提供ATP。與劇烈運(yùn)動(dòng)不同，耐受性運(yùn)動(dòng)(如馬拉松比賽)則開始血乳酸會(huì)升高，短暫的時(shí)間(60s)之后血乳酸趨于穩(wěn)定，這說明此時(shí)機(jī)體可以通過乳酸鹽的穩(wěn)定穿梭從氧氣不足的地方循環(huán)到其他氧氣充足的地方氧化，機(jī)體的能量完全是靠氧化呼吸作用，并沒有明顯的酵解供能[93]。

顯然，乳酸鹽的穿梭、循環(huán)和消化能力是機(jī)體運(yùn)動(dòng)能力的一個(gè)非常好的評(píng)估指標(biāo)，一個(gè)能夠很快將血乳酸散布和氧化的機(jī)體，肯定是一個(gè)充滿活力的機(jī)體，也是運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)員體能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。不僅如此，已經(jīng)有大量研究證明，即使在靜息狀態(tài)，也有一定的血乳酸通量存在，可見乳酸鹽循環(huán)作為機(jī)體能量和還原力的動(dòng)態(tài)平衡控制不可能停止運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)闄C(jī)體的各種不同的生理活動(dòng)不會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，血乳酸通量指標(biāo)可能是機(jī)體各種應(yīng)激能力的重要指標(biāo)[94]，也是機(jī)體年齡、健康狀況甚至癌癥病人存活期的重要指標(biāo)[95]。對(duì)于體力勞動(dòng)者，特別是運(yùn)動(dòng)員，其肌纖維和骨骼肌的發(fā)達(dá)程度與乳酸鹽的消化能力密切相關(guān)，勞動(dòng)和鍛煉可以增強(qiáng)機(jī)體乳酸鹽的穿梭和處理能力，因此可以增強(qiáng)其體能?？偨Y(jié)上述研究成果，筆者可以大膽提出：富含乳酸鹽的食品，可以作為重要的高能食品，食用富含乳酸鹽的食品不僅可以在短期內(nèi)直接氧化為機(jī)體提供大量能量，而且通過長期適量食用，還可以增強(qiáng)乳酸鹽的循環(huán)和處理能力，對(duì)于維護(hù)機(jī)體的生理機(jī)能，運(yùn)動(dòng)能力，延緩衰老，防癌、抗癌具有一定的保健作用。

7 展 望

對(duì)乳酸鹽的研究由來已久，但是過去一直把機(jī)體中乳酸鹽的產(chǎn)生作為疲勞，或者病態(tài)的象征。但是，近年來的研究已經(jīng)充分證明，乳酸代謝，特別是乳酸鹽穿梭和循環(huán)作用，不僅在多細(xì)胞動(dòng)物的生理生化、合成與分解代謝、能量、氧化還原平衡中具有關(guān)鍵性作用，也是機(jī)體生理機(jī)能，包括健康和疾病的重要標(biāo)志。正是乳酸鹽的穿梭和循環(huán)作用，溝通了整個(gè)機(jī)體的氧化還原代謝、合成與分解代謝、能量和呼吸協(xié)調(diào)、生理與生態(tài)平衡、發(fā)育與分化等生命活動(dòng)。當(dāng)機(jī)體乳酸鹽代謝、穿梭和循環(huán)異常時(shí)，恰恰反映了機(jī)體在整體協(xié)調(diào)上出了問題，是機(jī)體損傷和病變的結(jié)果而不是原因，所以腫瘤細(xì)胞和癌細(xì)胞往往表現(xiàn)出乳酸代謝和乳酸鹽穿梭與循環(huán)異常(如瓦氏效應(yīng))，通過相應(yīng)的研究，對(duì)于癌癥的預(yù)防和治療可能具有極其重要的意義。

乳酸菌是一系列可以產(chǎn)乳酸鹽的微生物，這些菌中之所以有不少都具有益生作用，可能正是由于其產(chǎn)乳酸鹽的作用。通過控制乳酸代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)、穿梭和循環(huán)進(jìn)行的腫瘤治療已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，特別是通過食品營養(yǎng)成分對(duì)乳酸代謝進(jìn)行控制，也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和志愿者的臨床實(shí)驗(yàn)中獲得了令人興奮的結(jié)果，無疑為我們在不傷害機(jī)體正常細(xì)胞的前提下攻克腫瘤和癌癥開辟了一條新途徑。今后，我們應(yīng)該加強(qiáng)相關(guān)的代謝組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝通量控制等方面的研究，在整體和“組學(xué)”的層面上揭示機(jī)體的生理、病理機(jī)制。特別是對(duì)乳酸代謝和生理作用的研究，應(yīng)該著重其整體調(diào)節(jié)和生理功能的系統(tǒng)研究，特別強(qiáng)調(diào)其體內(nèi)研究。盡量防止由離體培養(yǎng)的細(xì)胞，特別是癌細(xì)胞研究的局限性所帶來的錯(cuò)誤結(jié)果的干擾，因?yàn)殡x體培養(yǎng)割裂了細(xì)胞之間、器官和組織之間的能量、氧化還原、信號(hào)傳遞和生理生化活動(dòng)之間的聯(lián)系，乳酸鹽正是通過這些聯(lián)系起作用。

我們應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)營養(yǎng)和功能性食品對(duì)機(jī)體生理和生化代謝調(diào)節(jié)作用的研究，特別是對(duì)乳酸穿梭和循環(huán)作用的研究，為通過營養(yǎng)和功能性食品來控制和調(diào)節(jié)機(jī)體的生理、生化作用，從而為人類健康服務(wù)。我們還應(yīng)該加強(qiáng)胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)中代謝組學(xué)和機(jī)體代謝網(wǎng)絡(luò)的互作研究，這對(duì)揭示功能性食品發(fā)揮功能作用的分子機(jī)制具有重要意義。我們還應(yīng)該努力尋找更加科學(xué)合理的功能性食品的功能評(píng)價(jià)方法和科學(xué)指標(biāo)，從而科學(xué)地評(píng)價(jià)食品的功能作用，乳酸鹽，可能是一個(gè)理想的功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外，乳酸代謝和功能研究結(jié)果告訴我們：體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果是靠不住的！

[1]FUKUDA S, TOH H, HASE K, et al. Bifidobacteria can protect from enteropathogenic infection through production of acetate [J]. Nature, 2011, 469: 543-549.

[2]LIU Shanna, HAN Ye, ZHOU Zhijiang. Lactic acid bacteria in tradi-tional fermented Chinese foods[J]. Food Research International, 2011, 44(3): 643-651.

[3]LANGEVIN F, CROSSAN G P, ROSADO I V, et al. Fancd2 counteracts the toxic effects of naturally produced aldehydes in mice [J]. Nature, 2011, 475: 53-59.

[4]于立芹, 龐廣昌, 戴懿. 乳酸對(duì)主要發(fā)炎和抗炎細(xì)胞因子的影響[J].食品科學(xué), 2007, 28(12): 439-442.

[5]BROOKS G A. Cell-cell and intracellular lactate shuttles[J]. J Physiol, 2009, 587(23): 5591-5600.

[6]PHILP A, MACDONALD A L, WATT P W. Lactate: a signal coordinating cell and systemic function [J]. The Journal of Experimental Biology, 2005, 208: 4561-4575.

[7]BROOKS G A, BROWN M A, BUTZ C E, et al. Cardiac and skeletal muscle mitochondria have a monocarboxylate transporter MCT1[J]. J Appl Physiol, 1999, 87: 1713-1718.

[8]PAGLIARINI D J, CALVO S E, CHANG B, et al. A mitochondrial protein compendium elucidates complex I disease biology[J]. Cell, 2008, 134: 112-123.

[9]KLINE E S, BRANDT R B, LAUX J E, et al. Localization ofL-lactate dehydrogenase in mitochondria[J]. Arch Biochem Biophys, 1986, 246: 673-680.

[10]BRANDT R B, LAUX J E, SPAINHOU R, et al. Lactate dehydrogenase in mitochondria[J]. Arch Biochem Biophys, 1987, 259: 412-422.

[11]BROOKS G A, DUBOUCHAUD H, BROWN M, et al. Role of mitochondrial lactic dehydrogenase and lactate oxidation in the , intra-cellular lactate shuttle, [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 1129-1134.

[12]BROOKS G A. Lactate shuttles in nature[J]. Biochem Soc Trans, 2002, 30: 258-264.

[13]PASSARELLA S, de BARI L, VALENTI D, et al. Mitochondria andL-lactate metabolism[J]. FEBS Lett, 2008, 582: 3569-3576.

[14]MCCLELLAND G B, KHANNA S, GONZALEZ G, et al. Peroxisomal membrane monocarboxylate transporters: evidence for a redox shuttle system？[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2003, 203: 130-135.

[15]CHATHAM J C, des ROSIERS C, FORDER J R. Evidence of separate pathways for lactate uptake and release by the perfused rat heart[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2001, 281: 794-802.

[16]BROOKS G A. Lactate: glycolytic end pro,duct and oxid,ative substrate during sustained exercise in mammals: the lactate shuttle [M]//GILLES R. Circulation, respiration, and metabolism: current comparative approaches. Berli: Springer-Verlag, 1985: 208-218.

[17]BROOKS G A, DONOVAN C M. Effect of training on glucose kinetics during exercise[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 1983, 244: 505-512.

[18]MAZZEO R S, BROOKS G A, SCHOELLER D A, et al. Disposal of [1-13C]-lactate during rest and exercise[J]. J Appl Physiol, 1986, 60: 232-241.

[19]STANLEY W C, GERTZ E W, WISNESKI J A, et al. Lactate metabolism in exercising human skeletal muscle: evidence for lactate extraction during net lactate release[J]. J Appl Physiol, 1986, 60: 1116-1120.

[20]BERGMAN B C, WOLFEL E E, BUTTERFIELD G E, et al. Active muscle and whole body lactate kinetics after endurance training in men [J]. J Appl Physiol, 1999, 87: 1684-1696.

[21]GERTZ E W, WISNESKI J A, STANLEY W C, et al. Myocardial substrate utilization during exercise in humans. dual carbon-labelled carbohydrate isotope experiments[J]. J Clin Invest, 1988, 82: 2017-2025.

[22]GARCIA C K, GOLDSTEIN J L, PATHAK R K, et al. Molecular characterization of a membrane transporter for lactate, pyruvate, and other monocarboxylates: implications for the Cori cycle[J]. Cell, 1994, 76: 865-873.

[23]PRICE N T, JACKSON V N, HALESTRAP A P. Cloning and sequencing of four new mammalian monocarboxylate transporter (MCT) homologues confirms the existence of a transporter family with an ancient past[J]. Biochem J, 1998, 329: 321-328.

[24]DUBOUCHAUD H, BUTTERFIELD G E, WOLFEL E E, et al. Endurance training, expression and physiology of LDH, MCT1 and MCT4 in human skeletal muscle[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2000, 278: 571-579.

[25]GERTZ E W, WISNESKI J A, STANLEY W C, et al. Myocardial substrate utilization during exercise in humans. Dual carbon-labelled carbohydrate isotope experiments[J]. J Clin Invest, 1988, 82: 2017-2025.

[26]TRIMMER J K, SCHWARZ J M, CASAZZA G A, et al. Measurement of gluconeogenesis in exercising men by mass isotopomer distribution analysis[J]. J Appl Physiol, 2002, 93: 233-241.

[27]SHIMIZU H, WATANABE E, HIYAMA T Y, et al. Glial nax channels control lactate signaling to neurons for brain [Na+]sensing[J]. Neuron, 2007, 54: 59-72.

[28]LAM T K, GUTIERREZ-JUAREZ R, POCAI A, et al. Regulation of blood glucose by hypothalamic pyruvate metabolism[J]. Science, 2005, 309: 943-947.

[29]GORDON G R, CHOI H B, RUNGTA R L, et al. Brain metabolism dictates the polarity of astrocyte control over arterioles[J]. Nature, 2008, 456: 745-749.

[30]BARROS F L, DEITMER J W. Glucose and lactate supply to the synapse[J]. Brain Research Reviews, 2010, 63:149-159.

[31]DRINGEN R, GEBHARDT R, HAMPRECHT B. Glycogen in astrocytes: possible function as lactate supply for neighboring cells[J]. Brain Res, 1993, 623: 208-214.

[32]WALLS A B, HEIMBRGER C M, BOUMAN S D, et al. Robust glycogen shunt activity in astrocytes: effects of glutamatergic and adrenergic agents[J]. Neuroscience, 2009, 158: 284-292.

[33]CRUZ N F, BALL K K, DIENEL G A. Functional imaging of focal brain activation in conscious rats: impact of [(14)C]glucose metabolite spreading and release[J]. J Neurosci Res, 2007, 85: 3254-3266.

[34]ROUACH N, KOULAKOFF A, ABUDARA V, et al. Astroglial metabolic networks sustain hippocampal synaptic transmission[J]. Science, 2008, 322: 1551-1555.

[35]GANDHI G K, CRUZ N F, BALL K K, et al. Astrocytes are poised for lactate trafficking and release from activated brain and for supply of glucose to neurons[J]. J Neurochem, 2009, 111: 522-536.

[36]董佳康, 龐廣昌. 發(fā)酵乳中乳酸的多種生理功能[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(17): 480-486.

[37]BROOKS G A, MERCIER J. Balance of carbohydrate and lipid utilization during exercise: the , crossove, concept[J]. Appl Physiol, 1994, 76: 2253-2261.

[38]PHILP A, ADAM L, WATTI P W. Lactate: a signal coordinating cell and systemic function[J]. The Journal of Experimental Biology, 2008, 208: 4561-4575.

[39]CORBETT J, FALLOWFIELD J L, SALE C, et al. Relationship between plasma lactate concentration and fat oxidation[J]. Annu Congr Eur Coll Sports Sci, 2004, 107: 172.

[40]BERZELIUS J J, DJURKEMIEN. Stockholm: Marquard[M]. 1808.

[41]WESTERBLAD H, ALLEN D G, LANNERGREN J. Muscle fatigue: lactic acid or inorganic phosphate the major cause?[J]. News Physiol Sci, 2002, 17: 17-21.

[42]NIELSEN O B, de PAOLI F, OVERGAARD K. Protective effects of lactic acid on force production in rat skeletal muscle[J]. J Physiol, 2001, 536: 161-166.

[43]HOUTKOOPER R H, CANTO C, WANDERS R J, et al. The secret life of NAD+: an old metabolite controlling new metabolic signaling pathways[J]. Endocrine Reviews, 2010, 31(2): .194-223.

[44]WARBURG O, POSENER K, NEGELEIN E.ber den stoffwechsel der carcinomzelle[J]. Biochem Z, 1924, 152: 309.

[45]PASTEUR L. Experiments and novel views on the nature of fermentation [J]. Comp Rend Acad Sci, 1861, 89: 1260-1264.

[46]HANAHAN D, WEINBERG R A. Hallmarks of cancer: the next generation [J]. Cell, 2011, 144: 646-674.

[47]KAELIN W G Jr, THOMPSON C B. Clues from cell metabolism[J]. Nature, 2010, 465: 562-564.

[48]SAMUDIO I, FIEGL M, ANDREEFF M. Mitochondrial uncoupling and the warburg effect: molecular basis for the reprogramming of cancer cell metabolism [J]. Cancer Res, 2009, 69(6): 2163-2166.

[49]CHIANG Y, CHOU C Y, HSU K F, et al. EGF upregulates Na+/H+exchanger NHE1 by post-translational regulation that is important for cervical cancer cell invasiveness[J]. J Cell Physiol, 2008, 214: 810-819.

[50]de MILITO A, CANESE R, MARINO M L, et al. pH Dependent antitumor activity of proton pump inhibitors against human melanoma is mediated by inhibition of tumor acidity[J]. Int J Cancer, 2010, 127: 207-219.

[51]ZHANG X, LIN Y, GILLIES R J. Tumor pH and its measurement[J]. J Nucl Med, 2010, 51: 1167-1170.

[52]PROVENT P, BENITO M, HIBA B, et al. Serialin vivospectroscopic nuclear magnetic resonance imaging of lactate and extracellular pH in rat gliomas shows redistribution of protons away from sites of glycolysis[J]. Cancer Res, 2007, 67: 7638-7645.

[53]HALESTRAP A P, PRICE N T. The proton-linked monocarboxylate transporter (MCT) family: structure, function and regulation[J]. Biochem J, 1999, 343: 281-299.

[54]GRILLON E, FARION R, FABLET K. The spatial organization of proton and lactate transport in a rat brain tumor[J]. PLoS One, 2011, 6 (2):e17416, doi: 10.1371/journal.pone.0017416.

[55]MILLER B F, FATTOR J, JACOBS K A, et al. Lactate-glucose interaction in men during rest and exercising using lactate clamp procedure [J]. J Physiol, 2002, 544: 963-975.

[56]BROOKS G A. Mammalian fuel utilization during sustained exercise[J]. Comp Biochem Physiol, 1998, 120: 89-107.

[57]LIU Changlu, WU Jiejun, ZHU J, et al. Lactate inhibits lipolysis in fat cells through activation of an orphan G-protein-coupled receptor, GPR81 [J]. J Biol Chem, 2009, 284: 2811-2822.

[58]BROOKS G A. Lactate shuttles in nature[J]. Biochem Soc Trans, 2002, 30: 258-264.

[59]HENDERSON G C, HORNING M A, LEHMAN S L, et al. Pyruvate shuttling during rest and exercise in men before and after endurance training[J]. J Appl Physiol, 2004, 97: 317-325.

[60]GARCIA C K, GOLDSTEIN J L, PATHAK R K, et al. Molecular characterization of a membrane transporter for lactate, pyruvate, and other monocarboxylates: implications for the Cori cycle[J]. Cell, 1994, 76: 865-873.

[61]PRICE N T, JACKSON V N, HALESTRAP A P. Cloning and sequencing of four new mammalian monocarboxylate transporter (MCT) homologues confirms the existence of a transporter family with an ancient past[J]. Biochem J, 1998, 329: 321-328.

[62]HASHIMOTO T, HUSSIEN R, OOMMEN S, et al. Lactate sensitive transcription factor network in L6 myocytes: activation of MCT1 expression and mitochondrial biogenesis[J]. FASEB J, 2007, 21: 2602-2612.

[63]SAMUVEL D J, SUNDARARAJ K P, NAREIKA A, et al. Lactate boosts TLR4 signaling and NF-κB pathway-mediated gene transcription in macrophages via monocarboxylate transporters and MD-2 Upregulation[J]. The Journal of Immunology, 2009, 182: 2476-2484.

[64]HOUTKOOPER R H, CANTO C, WANDERS R J, et al. The secret life of NAD+: an old metabolite controlling new metabolic signaling pathways[J]. Endocrine Reviews, 2010, 31(2): 194-223.

[65]RYDSTROM J. Mitochondrial NADPH, transhydrogenase and disease [J]. Biochim Biophys Acta, 2006, 1757: 721-726.

[66]SAUVE A A, WOLBERGER C, SCHRAMM V L, et al. The biochemistry of sirtuins[J]. Annu Rev Biochem, 2006, 75: 435-465.

[67]KAEBERLEIN M, MCVEY M, GUARENTE L. The SIR2/3/4 complex and SIR2 alone promote longevity inSaccharomyces cerevisiaeby two different mechanisms[J]. Genes Dev 1999, 13: 2570-2580.

[68]GUARENTE L. Sir2 links chromatin silencing, metabolism, and aging [J]. Genes Dev, 2000, 14: 1021-1026.

[69]HOWITZ K T, BITTERMAN K J, COHEN H Y, et al. Small molecule activators of sirtuins extendSaccharomyces cerevisiaelifespan [J]. Nature, 2003, 425: 191-196.

[70]LIN S J, KAEBERLEIN M, ANDALIS A A, et al. Calorie restriction extendsSaccharomyces cerevisiaelifespan by increasing respiration[J]. Nature, 2002, 418: 344-348.

[71]ROGINA B, HELFAND S L. Sir2 mediates longevity in the fly through a pathway related to calorie restriction[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101: 15998-16003.

[72]RODGERS J T, LERIN C, HAAS W, et al. Nutrient control of glucose homeostasis through a complex of PGC-1α and SIRT1[J]. Nature, 2005, 434: 113-118.

[73]CANTO C, GERHART-HINES Z, FEIGE J N, et al. AMPK regulates energy expenditure by modulating NAD+metabolism and SIRT1 activity [J]. Nature, 2009, 458: 1056-1060.

[74]MOHAN A, HUNT M C, BARSTOW T J, et al. Effects of malate, lactate, and pyruvate on myoglobin redox stability in homogenates of three bovine muscles[J]. Meat Science, 2010, 86: 304-310.

[75]RAMANATHAN R, MANCINI R A, DADY G A. Effects of pyruvate, succinate, and lactate enhancement on beef longissimus raw color[J]. Meat Science, 2011, 88: 424-428.

[76]DEBERARDINIS R J, SAYED N, DITSWORTH D. Thompson CB: brick by brick: metabolism and tumor cell growth[J]. Curr Opin Genet Dev, 2008, 18: 54-61...

[77]FREUND E. Zur diagnose des carzinoms. vorlufige mittheilung[J]. Wien Med Bl, 1885, 8: 267.

[78]K.R.EBSFORSCH Z. Versuche zur frage der bedeutung der kohlenhydrate f ur das wachstum des rattencarzinoms[J]. J Cancer Res and Clin Oncol, 1924, 21: 288-293.

[79]MARKS P A, BISHOP J S. The glucose metabolism of patients with malignant disease and of normal subjects as studied by means of an intravenous glucose tolerance test[J]. J Clin Invest, 1957, 36: 254-264.

[80]ZUIJDGEEST-VAN LEEUWEN S D Z, van den BERG J W, WATTIMENA J L, et al. Dagnelie PC: lipolysis and lipid oxidation in weight-losing cancer patients and healthy subjects[J]. Metabolism, 2000, 49: 931-936.

[81]SKINNER R, TRUJILLO A, MA Xiaojie, et al. Ketone bodies inhibit the viability of human neuroblastoma cells[J]. J Pediatr Surg, 2009, 44: 212-216.

[82]WILDER R M. The effect of ketonemia on the course of epilepsy[J]. Mayo Clin Bulletin, 1921, 2: 307-308.

[83]NEAL E G, CHAFFE H, SCHWARTZ R H, et al. The ketogenic diet for the treatment of childhood epilepsy: a randomised controlled trial[J]. Lancet Neurol, 2008, 7: 500-506.

[84]WIZNITZER M. From observations to trials: the ketogenic diet and epilepsy[J]. Lancet Neurol, 2008, 7: 471-472.

[85]NEBELING L C, MIRALDI F, SHURIN S B, et al. Effects of a ketogenic diet on tumor metabolism and nutritional status in pediatric oncology patients: two case reports[J]. J Am Coll Nutr, 1995, 14: 202-208.

[86]ZUCCOLI G, MARCELLO N, PISANELLO A, et al. Metabolic management of glioblastoma multiforme using standard therapy together with a restricted ketogenic diet: case report[J]. Nutr Metab (Lond), 2010, 7: 33. doi: 10.1186/1743-7075-7-33.

[87]MAGEE B A, POTEZNY N, ROFE A M, et al. The inhibition of malignant cell growth by ketone bodies[J]. Aust J Exp Biol Med Sci, 1979, 57: 529-539.

[88]FINE E J, MILLER A, QUADROS E V, et al. Acetoacetate reduces growth and ATP concentration in cancer cell lines which overexpress uncoupling protein 2[J]. Cancer Cell Int, 2009, 29:14. 2009, 9:14?doi: 10.1186/1475-2867-9-14.

[89]FREEDLAND S J, MAVROPOULOS J, WANG A, et al. Carbohydrate restriction, prostate cancer growth, and the insulin-like growth factor axis[J]. Prostate, 2008, 68: 11-19.

[90]HARDMAN W E, Dietary canola oil suppressed growth of implanted MDAMB 231 human breast tumors in nude mice[J]. Nutr Cancer, 2007, 57: 177-183.

[91]OTTO C, KAEMMERER U, ILLERT B, et al. Growth of human gastric cancer cells in nude mice is delayed by a ketogenic diet supplemented with omega-3 fatty acids and medium-chain triglycerides[J]. BMC Cancer BMC Cancer, 2011, 11: 315 doi:10.1186/1471-2407-11-315.

[92]SCHMIDT M, PFETZER N, SCHWAB M. Effects of a ketogenic diet on the quality of life in 16 patients with advanced cancer: a pilot trial [J]. Nutrition & Metabolism, 2011, 8: 54-67.

[93]ENDPRODUKT L A, BRENNSTOFF. Lactate as an end-product and fuel[J]. Deutsche Zeitschrift f..r Sportmedizin, 2010, 61(5):112-116.

[94]LIMONCIEL A, ASCHAUER L, WILMES A, et al. Lactate is an ideal non-invasive marker for evaluating temporal alterations in cell stress and toxicity in repeat dose testing regimes[J]. Toxicol In Vitro, 2011, 25(8): 1855-1862.

[95]GREEN J P, BERGER T, GARG N, et al. Serum lactate is a better predictor of short-term mortality when stratified by C-reactive protein in adult emergency department patients hospitalized for a suspected infection [J]. Annals of Emergency Medicine, 2011, 57(3): 291-295.

Metabolism of Lactate and Its Critical Role in Health

PANG Guang-chang，CHEN Qing-sen，HU Zhi-he
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

Abatract ：The reason why lactic acid bacteria and its fermented food are helpful for health in most situations may be due to the production of lactate. The metabolic role of lactate has gained extensive attentions from physiologists and biochemists. However, during the first half of the last century, lactate has been designated as a waste product, especially for the controversial role in muscle fatigue. Currently, more and more publications are exploring and unveiling the critical roles of lactate in multicellular organisms. Lactate has been described as modulation enzymes with catalytic properties to affect hormonal release and responsiveness, and control body homeostasis. Moreover, these properties are directly related to the genesis and sustainability of pathological conditions such as diabetes and cancer. Lactate should not be regarded simply as an anaerobic metabolite, but should be considered as a regulatory molecule that modulates the integration of metabolism. Although lactate is not a redox product, it is an important intermediate metabolite for glycolysis, biological oxidation and biosynthesis. Lactate is produced in the cytosol by the fermentative branch of glycolytic pathway through the reduction of pyruvate with the concomitant oxidation of NADH to NAD+, a reaction catalyzed by lactate dehydrogenase (LDH). Therefore, lactate plays key roles in maintaining the dynamic equilibrium of NADH/NAD+, pH, ATP and biological oxidation/biosynthesis. Due to its multiple bioactivities, lactate is widely used in fermented and functional food, meat quality and color protection, and cancer prevention and resistance so that it is an ideal marker for evaluating physiological alteration, stress and pathology.

lactate；metabolism；functional food；NADH/NAD+；adenosine-triphosphate (ATP)；biological oxidation

R151.41

A

1002-6630(2012)01-0001-15

2011-10-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30871951)

龐廣昌(1956—)，男，教授，博士，主要從事食品生物技術(shù)和免疫信號(hào)通路研究。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn