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顛覆教科書:不是葡萄糖!癌細胞主要以乳酸為食『不關運動和酸奶的事兒』


- 2018年1月01日13時53分
- 科學文摘 / 科學出版社

科學出版社長久以來,乳酸都被視作無氧條件下代謝產生的廢物。然而,一項發表於《自然》雜誌的論文提出了顛覆性的觀點:乳酸不僅是無氧條件下的代謝產物,更可能是人體最重要的能量載體。同時,它還是癌細胞最重要的直接營養來源。這項研究可能為癌症等疾病的研究打開新的思路。

撰文 | 施懌

編輯 | 吳非

顛覆教科書:不是葡萄糖!癌細胞主要以乳酸為食『不關運動和酸奶的事兒』圖片


碳水化合物、蛋白質和脂肪是人體最重要的三大營養素。我們日常攝入的食物中,這三大營養素經過消化系統的分解、吸收和轉化,在血液中分別以葡萄糖、胺基酸和酮體的形式存在,並被組織細胞進一步吸收、利用。

在有氧條件下,這三大營養素作為生命的燃料釋放出全部能量的化學反應被稱作三羧酸循環(TCA, tricarboxylic acid cycle)。這一化學反應不僅是有氧氧化的重要步驟,也是碳水化合物、蛋白質和脂肪代謝的樞紐。三大營養素經過一系列生物化學反應,最終以丙酮酸的形式進入三羧酸循環,最終產生能量和二氧化碳。

在無氧條件下,情況則有所不同。生物課本告訴我們,葡萄糖只能進行不完全的氧化,釋放一小部分能量而生成乳酸。而長久以來,乳酸也被看作葡萄糖不充分氧化的產物,血液中乳酸水平的升高通常意味著組織缺氧。在劇烈運動、人體組織缺氧的情況下,需氧代謝途徑被抑制,葡萄糖進行不充分的氧化分解生成乳酸,血液中的乳酸水平短暫升高;在人體組織嚴重缺氧的情況下,生成乳酸的代謝途徑變得更活躍,使血液中的乳酸進一步升高,這種升高通常標誌著細胞氧化過程的全面惡化,並與呼吸增強、虛弱、疲勞、恍惚甚至昏迷相關聯。

如今,一項最新研究向這一常識提出了挑戰:乳酸不僅僅是無氧條件下的代謝產物,它很可能在整個龐大的能量代謝體系中扮演了更重要的、我們還不甚了解的角色。

更重要的能量載體

一項發表在《自然》期刊上的最新研究發現,乳酸並不僅僅是缺氧情況下的代謝產物,它與葡萄糖、胺基酸和酮體一樣,是關鍵的能量載體,甚至比以往認為的這些主要供能物質更為重要。


來自羅格斯癌症研究所和普林斯頓大學的研究人員系統地檢測了小鼠血液循環中不同代謝中間物的水平,以衡量它們在能量供應中所占的比例。通過使用13C同位素標記法,他們跟蹤了包括乳酸、葡萄糖以及各種胺基酸在內的十多種含碳代謝中間物在血液循環中的流通量。根據以往的研究,流通量最大的含碳化合物應該是葡萄糖,但研究者發現乳酸居然以2.5倍於葡萄糖的血液流通量位居榜首,這一數據同時是丙酮酸、甘油(脂肪分解的產物之一)以及幾種胺基酸的5倍之多。他們認為,這主要是由於以往對血液中含碳化合物流通量的檢測常常局限於對血糖的檢測,而沒有發現乳酸所占比重之大。

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論文通訊作者Joshua Rabinowitz(左)與另一位作者Eileen White

據此結果,研究者們提出,乳酸可能是血液循環中最重要的含碳化合物。為了驗證這種假設,他們給小鼠分別提供了13C同位素標記的葡萄糖、谷氨醯胺或乳酸作為碳源。通過比較代謝產物中13C所占的比例和血液循環中13C所占的比例,研究人員可以跟蹤某一種碳源參與的生化反應。研究人員分別對正常餵食和禁食狀態下的小鼠進行了試驗。在禁食狀態下,除大腦以葡萄糖作為主要能源物質以外,其他組織細胞中參與三羧酸循環的葡萄糖幾乎為零,而乳酸和谷氨醯胺中13C的總量在三羧酸循環的含碳化合物中占了一半。進一步建模分析發現,禁食狀態下大多數葡萄糖通過轉化為乳酸的形式參與三羧酸循環。而在正常餵食的情況下,由於胰島素的存在,肌肉組織中參與三羧酸循環的葡萄糖增加到與乳酸同樣多,其他組織中葡萄糖依然以先轉化為乳酸再參與三羧酸循環的形式供能。這表明,乳酸才是三羧酸循環最主要的能量來源物質。

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圖中顯示了正常進食的小鼠中,三種碳源分別在各器官中參與三羧酸循環的比例。

隨後,研究人員通過基因工程讓三組小鼠分別患上兩種肺癌和一種胰腺癌。對患癌小鼠的研究發現,對於兩種肺癌,乳酸都是癌細胞三羧酸循環最重要的直接營養來源。而且在這三種癌症中,葡萄糖都很少作為直接的營養來源出現。

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改寫課本的發現

以往的生物化學知識告訴我們,肌肉組織在缺氧時產生乳酸,隨後這些乳酸進入血液循環,並在肝臟中通過糖異生作用轉變為葡萄糖。

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乳酸參與三羧酸循環的示意圖

但根據本研究的最新成果,研究者們發現乳酸可以作為組織內和組織間互相傳遞的重要能源物質。甚至葡萄糖進入三羧酸循環的主要方式都是先轉化為乳酸。這提示我們,乳酸很可能在生物體的整個能量代謝過程中發揮了更重要的作用。這為今後糖尿病及其他能量代謝相關疾病的研究提供了新的思路,臨床上可能也需要重新評估血乳酸水平檢測的意義。

這一結論對於癌症的研究也具有重要意義。我們在研究癌細胞對營養物質的利用方式時,主要是基於對癌細胞的實驗室體外培養。然而,根據這一結論,研究人員此前「餵」給癌細胞的營養物質(通常是葡萄糖),很可能並不是它們真正從血液中獲取的營養形式。因此,基於此開展的癌細胞代謝研究也與實際情況存在差異。「我們很驚訝地發現,通常被看作代謝廢物的乳酸,其實才是幾種極具攻擊性的癌症的主要營養來源。」論文作者在接受國外媒體採訪時談到。

論文作者表示,相較於在人造條件下培養癌細胞,了解它們在體內真正的代謝過程有助於我們找到癌細胞的弱點,從而最終找出攻克癌症的方法。

P.S. 本文所講的和運動無關,也不關酸奶的事兒!該運動運動,該喝酸奶喝酸奶!

論文連結:


參考連結:

本文授權轉載自「環球科學ScientificAmerican」: huanqiukexue),版權由原作者所有。

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癌症.基礎卷(中文翻譯版)

李桂源,向娟娟,武明花等譯

ISBN 9787030336958

(本期編輯:王芳)

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