乳酸的研究進(jìn)展

陳 為 ，韓宛娜，劉 鐸，金連海

（1.吉林醫(yī)藥學(xué)院低壓低氧與健康醫(yī)學(xué)研究中心，吉林 132013；2.延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院，延吉 133002）

1 乳酸與乳酸來源

1.1 乳酸生理

乳酸（2-羥基丙酸）分子式為C3H6O3，是一種羧酸，其分子中羧基α位碳原子為不對稱碳原子，有L-乳酸和D-乳酸兩種旋光異構(gòu)體，動物組織中幾乎只產(chǎn)生L-乳酸，而微生物可產(chǎn)生D-乳酸或DL-乳酸。乳酸是無氧氧化的終產(chǎn)物，在正常的生理狀態(tài)下人體每天的乳酸產(chǎn)量約為1.8 g/kg，其中肌肉占25%、皮膚占25%、腦占20%、紅細(xì)胞占20%、腸道占10%。血清乳酸濃度的正常范圍為0.5～1.7 mmol/L，劇烈運(yùn)動后約為15 mmol/L，在愈合的傷口組織中乳酸濃度可達(dá)到5～15 mmol/L，而在某些癌組織中可達(dá)到30 mmol/L。

1.2 乳酸來源

糖類是飲食的主要成分之一，其生理功能是為生命活動提供能量來源。日常飲食中糖類的主要來源是淀粉，淀粉經(jīng)消化分解為葡萄糖后在小腸被人體所吸收。經(jīng)吸收后，一部分葡萄糖在肝臟被儲存為肝糖原，其余部分則被傳遞到身體各處進(jìn)行供能。在人體細(xì)胞中，葡萄糖通過無氧氧化和有氧氧化兩種方式轉(zhuǎn)化為能量。在細(xì)胞質(zhì)中，1分子的葡萄糖可裂解為2分子的丙酮酸，這一過程稱為糖酵解，是葡萄糖分解供能的起始途徑。當(dāng)細(xì)胞利用氧或氧供應(yīng)不足時，在細(xì)胞質(zhì)中的丙酮酸被還原成乳酸并釋放少量能量，該過程為無氧氧化。無氧氧化的意義是在特殊生理或病理情況下為細(xì)胞迅速提供能量，例如機(jī)體缺氧、傷口愈合、癌細(xì)胞增殖等。而當(dāng)細(xì)胞利用氧或氧供應(yīng)充分時，丙酮酸進(jìn)入線粒體氧化脫羧形成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)被徹底氧化成二氧化碳和水并釋放大量能量，該過程為有氧氧化。

2 乳酸的發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典研究

2.1 乳酸的發(fā)現(xiàn)

1780年，瑞典化學(xué)家舍勒在酸奶中發(fā)現(xiàn)了一種新的酸，并將其并命為“acid of milk”。1808年，Berzelius在獵殺的雄鹿肌肉中發(fā)現(xiàn)了一種新的游離酸，并認(rèn)為這種游離酸和舍勒當(dāng)初發(fā)現(xiàn)的是一種酸。之后的研究表明，在雄鹿肌肉和酸奶中新發(fā)現(xiàn)的酸分別為乳酸的不同構(gòu)型，即L-乳酸和D-乳酸[1-2]。

1843年和1851年，Scherer先后兩次報(bào)道了在人死后的病理狀態(tài)下血液中存在乳酸[3]。之后，不同病理狀態(tài)下患者血液中存在乳酸的類似現(xiàn)象被不斷報(bào)道。同時期，也有研究者證實(shí)在不同狀態(tài)下肌肉中乳酸的存在和釋放，例如死亡有機(jī)體的肌肉組織、牛胎肌肉等。1861年，著名微生物學(xué)家巴斯德觀察到氧抑制酒精發(fā)酵的現(xiàn)象，即氧可以降低糖類的分解代謝，減少糖酵解產(chǎn)物積累，而后，研究人員在肌肉中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，但直到1926年被Warburg命名為“巴斯德效應(yīng)”[4]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)乳酸的數(shù)量隨著運(yùn)動量增加而增加，乳酸來源為糖原等[5]。由于受到方法和技術(shù)的限制，乳酸的研究在這一時期并未發(fā)生巨大的突破。

2.2 乳酸的經(jīng)典研究

直到1907年，F(xiàn)letche和Hopkins的經(jīng)典研究使得肌肉與乳酸的研究有了標(biāo)志性的進(jìn)展[6]。研究證實(shí)新鮮的靜息肌肉含有較低的乳酸；乳酸在經(jīng)過訓(xùn)練、無氧的肌肉中增加；在肌肉刺激到疲勞過程中，乳酸積聚并升高到較高水平；當(dāng)疲勞的肌肉被置于富氧環(huán)境中乳酸消失。這一時期，在“巴斯德效應(yīng)”的研究背景下，Hill等通過肌肉熱力學(xué)研究以及Meyerhof所發(fā)現(xiàn)的肌肉中氧的消耗同乳酸代謝之間的固定關(guān)系為乳酸研究起到巨大的推進(jìn)作用，并于1922年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎[7]。1923年，Hill[8]提出氧債學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為運(yùn)動后氧債的產(chǎn)生源于乳酸的氧化，并將氧債的快、慢分別對應(yīng)于清除肌肉內(nèi)和肌肉外乳酸的階段。之后的10余年氧債學(xué)說得到進(jìn)一步研究和完善，氧債學(xué)說在生理學(xué)中被普遍視為指導(dǎo)性準(zhǔn)則[9]。1960-1970年初，Wasserman等[10]以氧債學(xué)說為理論依據(jù)提出無氧閾的概念，即肌肉收縮或運(yùn)動導(dǎo)致乳酸生成量激增是由于缺氧引起氧化磷酸化而被抑制。無氧閾的提出，較好地解釋了運(yùn)動過程中有氧代謝和無氧代謝供能理論的有機(jī)銜接，成為運(yùn)動做功過程的重要標(biāo)志物之一，對當(dāng)今運(yùn)動訓(xùn)練的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

3 乳酸研究的轉(zhuǎn)變

根據(jù)經(jīng)典乳酸研究理論認(rèn)為，在高強(qiáng)度運(yùn)動或嚴(yán)重疾病狀態(tài)（如膿毒癥和感染性休克）時乳酸生成過多是酸中毒的傳統(tǒng)解釋；而高水平的血清乳酸是肌肉疲勞的預(yù)測指標(biāo)，通常與組織缺氧和不良的臨床結(jié)果相關(guān)。近年來，不斷發(fā)現(xiàn)乳酸的多種生物學(xué)效應(yīng)，例如能量代謝底物、調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、參與蛋白修飾等，對乳酸是代謝廢物、是酸中毒的“罪魁禍?zhǔn)住碧岢隽速|(zhì)疑和挑戰(zhàn)。

3.1 乳酸穿梭理論

20世紀(jì)80年代初，研究者將同位素示蹤法應(yīng)用于糖代謝和乳酸代謝的研究，并發(fā)現(xiàn)了肌肉運(yùn)動產(chǎn)生的乳酸明顯被攝取并轉(zhuǎn)化成CO2的現(xiàn)象[11]。1985年，Brooks提出了乳酸穿梭假說[12-13]，認(rèn)為乳酸可以作為代謝底物，通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體從一種類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一種類型的細(xì)胞。乳酸穿梭是一種正?，F(xiàn)象，存在于各種細(xì)胞、組織和器官，包括肌肉、心臟和肝臟，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到精子、脂肪組織、大腦和肺，在癌組織中也有類似的代謝過程。而后，在此基礎(chǔ)上Brooks又于1998年提出“細(xì)胞內(nèi)乳酸穿梭”理論，該理論認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)由糖酵解或糖原分解生成的乳酸可以直接進(jìn)入到該細(xì)胞的線粒體中被氧化，而不需要在細(xì)胞溶質(zhì)中氧化為丙酮酸后再進(jìn)入線粒體，但細(xì)胞內(nèi)乳酸穿梭理論在學(xué)術(shù)界一直存在爭議。

3.2 乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與乳酸受體

單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體（monocarboxylate transporter，MCT）是一類將乳酸、丙酮酸、酮體以及短鏈脂肪酸等單羧酸類化合物快速轉(zhuǎn)運(yùn)通過細(xì)胞膜的蛋白家族。目前，已知MCT家族成員有14個，其中MCT1-4具有更好的轉(zhuǎn)運(yùn)特征，且已證實(shí)可介導(dǎo)乳酸、丙酮酸、乙酰乙酸和β-羥基丁酸酯的質(zhì)子連接運(yùn)輸。MCT1（SLC16A1）分布廣泛，參與乳酸的輸入。MCT4（SLC16A3）在高度糖酵解的細(xì)胞或組織中表達(dá)，例如白肌纖維、星形膠質(zhì)細(xì)胞、癌細(xì)胞和白細(xì)胞等，主要參與乳酸的輸出。同時，MCT2和MCT3與參與乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)，MCT2主要分布于睪丸、腦、腎、脾、胰等，而MCT3主要分布于視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、脈絡(luò)叢等[14]。

乳酸是孤兒G蛋白偶聯(lián)受體81的配體（GPR81），目前被命名為羥羧酸受體1（HCAR-1或HCA 1）。HCA1主要在脂肪組織中表達(dá)，其他組織和器官也有表達(dá)但較少，例如骨骼肌、肝臟、脾臟、腎臟和大腦等。除了分布于質(zhì)膜外，HCA1還存在于細(xì)胞內(nèi)的線粒體上。諸多研究表明，乳酸在炎癥和癌癥中發(fā)揮著重要的作用。HCA1介導(dǎo)的乳酸信號可能影響脂質(zhì)代謝、神經(jīng)元興奮性變化、細(xì)胞發(fā)育和存活以及炎癥調(diào)節(jié)。癌細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸也可作用于癌旁細(xì)胞的HCA1，包括癌間質(zhì)中的免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等，介導(dǎo)血管生成、免疫逃避和耐受等[15]。

3.3 Warburg效應(yīng)

1923年，研究人員在培養(yǎng)的腫瘤組織中發(fā)現(xiàn)了很高的糖酵解率，其特征是即使在氧氣存在的情況下也會增加葡萄糖攝取和過量產(chǎn)生乳酸（有氧糖酵解）[16]。1972年，腫瘤細(xì)胞的這種不受氧氣供應(yīng)影響的嗜糖產(chǎn)乳酸行為命名為Warburg效應(yīng)，并被認(rèn)為是惡性腫瘤的重要特征之一[17]。Warburg最初猜測腫瘤細(xì)胞的線粒體存在發(fā)育缺陷，從而導(dǎo)致有氧呼吸功能受損，依賴糖酵解功能。但隨后研究表明，大多數(shù)腫瘤細(xì)胞中線粒體功能并未受損。一直以來，有關(guān)Warburg效應(yīng)具體的分子通路未被明確。不少研究對這一現(xiàn)象有了深入的闡述，有研究認(rèn)為由于p53的突變使其失去與G6PD結(jié)合抑制的能力，細(xì)胞中利用葡萄糖的另一代謝途徑即磷酸戊糖途徑加速進(jìn)行，大量消耗葡萄糖，解釋了Warburg效應(yīng)[18]，近年來的研究發(fā)現(xiàn)PI3K信號通路參與Warburg效應(yīng)[19]。

3.4 乳酸與免疫調(diào)節(jié)

乳酸除了作為能量來源和生物合成途徑的中間代謝物的功能外，還在炎癥免疫中起著調(diào)節(jié)作用。研究表明，有氧糖酵解產(chǎn)生的乳酸在各種疾病條件下的局部環(huán)境中具有免疫抑制作用，包括膿毒癥、癌癥、慢性炎癥和自身免疫性疾病。局部組織環(huán)境中乳酸積聚是炎癥性疾病和癌癥的共同特征。在慢性炎癥性疾病局部組織中觀察到乳酸濃度升高有助于CD4+T細(xì)胞上調(diào)鈉偶聯(lián)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC5A12，導(dǎo)致CD4+T細(xì)胞滯留在炎癥組織中[20]。而腫瘤微環(huán)境中的乳酸通過將T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞重塑為免疫抑制表型（促腫瘤Tregs和M2樣腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞）幫助腫瘤逃脫免疫監(jiān)視[21]。

3.5 組蛋白的乳?；揎?/h3>

最新研究表明，乳酸參與蛋白翻譯后修飾，稱為乳?；揎梉22]。受細(xì)胞內(nèi)代謝物對組蛋白的廣泛?；饔脝l(fā)，乳酸可以作為組蛋白賴氨酸殘基表觀遺傳乳?；那绑w，從而刺激來自染色質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄。該研究在人類和小鼠細(xì)胞的核心組蛋白上鑒定出28個賴氨酸-乳?；稽c(diǎn)。在缺氧、IFN-γ加LPS或細(xì)菌激發(fā)刺激產(chǎn)生乳酸的巨噬細(xì)胞中，在其啟動子處累積的組蛋白乳酰化與M1表型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2表型基因表達(dá)相關(guān)。同時，還檢測了從小鼠黑色素瘤和肺癌中分離的巨噬細(xì)胞中的組蛋白乳酰化，并觀察到組蛋白乳酰化與修復(fù)性M2巨噬細(xì)胞的致癌作用呈正相關(guān)[23]。這些發(fā)現(xiàn)提示巨噬細(xì)胞中高水平的乳酸和組蛋白乳酰化可能有助于腫瘤的形成和發(fā)展。后續(xù)研究進(jìn)一步證實(shí)，蛋白的乳?；揎検侨樗岚l(fā)揮功能的重要方式，參與糖酵解相關(guān)細(xì)胞功能、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控、水稻谷粒發(fā)育等重要生命活動[24]。

4 結(jié)語

乳酸發(fā)現(xiàn)至今已有240余年的歷史，以乳酸為核心在化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、運(yùn)動醫(yī)學(xué)等方面開展了大量的研究，形成了影響深遠(yuǎn)的學(xué)說，逐漸使我們對乳酸的理解從代謝廢物拓展到檢測指標(biāo)，再到認(rèn)為乳酸是機(jī)體中重要的能量底物和調(diào)控因子。這一研究范式的轉(zhuǎn)變濃縮了科技的進(jìn)步和人類對生命認(rèn)知的不斷探索，相信隨著研究的深入，乳酸的神秘面紗將被我們一一揭開。