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Akt与肿瘤细胞的糖代谢(四): 细胞能量代谢
 
 
 
重庆医科大学附属第二医院     廖勇
 
 
    对于单细胞生物(如细菌),它们的代谢调控已经进化到不仅可以感知环境中的营养成分是否充足,而且可以汇聚环境中的碳、氮、自由能为合成一个新细胞提供必要的生物材料。而在营养匮乏时,单细胞生物会选择性停止生物材料的合成,转而通过对代谢过程的调控从有限的资源中获得最大的自由能来度过饥饿阶段。而对于多细胞生物,如哺乳动物细胞,大多数细胞都处在有稳定营养供应的环境中,哺乳动物细胞之所以可以阻止失去调控的细胞增殖的发生,是因为这些哺乳动物的细胞通常并不从环境中直接获得营养,除非是在生长因子刺激的情况下。而肿瘤细胞正是通过基因突变的方式克服了生长因子的依赖性,而从功能上改变了受体信号的传导通路,并获得了持续性的、不依赖生长因子受体信号通路的活化与对营养的持续性摄取和代谢,以保障细胞的存活并为细胞生长提供所需的能量 (2)。癌基因的突变对代谢调控改变的结果,是让肿瘤细胞获得达到甚至超过细胞生长与增值必须的营养成分,尤其是葡萄糖的摄取 (2)。为了让大家更好的了解肿瘤糖代谢调控的改变,这里我先简单复习一下正常细胞糖代谢的过程,糖,脂,蛋白质的相互转化,以及不同细胞状态下糖的三种代谢模式。
 
葡萄糖的摄取,利用及代谢转化——Akt与糖转运蛋白家族GLUTs
 
    来自食物的多糖(polysaccharide)通过肠道粘膜上皮细胞消化降解而产生单体的葡萄糖及半乳糖,到达肠道微绒毛的葡萄糖和半乳糖通过ATP-依赖的主动转运逆浓度梯度才能被吸收。进入血液的葡萄糖是不能自由进入生物膜的。这一过程与肾小管上皮葡萄糖与半乳糖的重吸收是一样的,都依赖一种跨膜的钠离子电化学梯度的驱动。而控制这个跨膜的钠离子梯度转运的膜蛋白就是钠-葡萄糖共转运蛋白,一个由12个跨膜区域形成的同源四聚体膜小孔。而促进被吸收进入血液的葡萄糖向细胞内转运的阀门开关又叫做葡萄糖转运蛋白(Gluts)(8,9)。这些葡萄糖转运蛋白与上面说的钠-葡萄糖跨膜转运蛋白是相似的,是由12个跨膜区域形成的同源五聚体而不是四聚体膜小孔。
 
    与心肌主要依赖脂肪酸提供能量来源不同,脑、肝与骨骼肌都主要依赖葡萄糖提供能量。而葡萄糖代谢中的关键限速步骤还是控制在摄取葡萄糖进入骨骼肌细胞和肝、脑组织细胞内的Gluts蛋白上。尽管有40-60%的氨基酸序列的同源性,然而在不同组织器官表达的Gluts蛋白却不相同。在红细胞膜表面主要表达Glut1,但Glut1也广泛分布在机体不同组织细胞膜上,包括骨骼肌,血管内皮细胞等。内皮细胞上高表达Glut1,还可以与脑细胞膜特异表达的Glut3一起参与维持大脑葡萄糖的内稳态调节。不过,在大脑,Glut3与葡萄糖的亲和力要高于Glut1。 Glut2主要表达在肝,小肠,肾脏及胰腺β细胞表面,也参与对葡萄糖吸收入血液的调节。Glut4主要表达在胰岛素敏感的组织细胞表面,如骨骼肌及脂肪细胞,从数量上来说,Glut4负责了机体大多部分葡萄糖向细胞内的转运工作。胰岛素和运动都可以促进骨骼肌和脂肪细胞内的Glut4向细胞膜上转位,从而使葡萄糖的摄取比静止状态增加大约20倍。运动和胰岛素是通过活化Akt进而促进Glut4的活化(磷酸化)与膜转位的,因此Akt通过对Glut4表达和膜转位的直接调控而成为胰岛素依赖性葡萄糖摄取入骨骼肌及脂肪细胞的关键分子 (3,8,9)。其重要性还得到了来自Akt2和Akt下游效应分子RSK(S6 kinase)基因敲除小鼠表型的验证,二者均表现为低胰岛素性糖耐受,RSK敲除小鼠还表现出胰岛细胞的萎缩(有关Akt信号道路对葡萄糖代谢调控的具体分子机制详见第4部分)。除了上面提到的四个主要Gluts外,还有在回肠主要表达的Glut5, Glut6是个假基因(pseudogene),Glut7则活跃在肝脏微粒体中。
在生理情况下,活化的Akt可以通过加速葡萄糖快速摄取和分解代谢与线粒体的氧化磷酸化而迅速增加细胞能量ATP产生 (3,8,9)。Akt对线粒体氧化磷酸化的调控主要是通过加速线粒体己糖激酶HK (mitochondria hexokinase,mtHK,包括HKI和HKII)与线粒体压力依赖性阴离子通道蛋白(VDAC)的结合而增强糖酵解与线粒体的氧化磷酸化的偶联。通过促进mtHK与线粒体的结合,Akt还促进了细胞的存活。关于Akt对葡萄糖酵解糖流量或潮量(glycolytic flux)的代谢调控可能有多种机制参与 (3,8,9)。首先,Akt可以通过增加Glut1,2,4等的表达,和通过调节Gluts向细胞膜的转位而促进葡萄糖的摄取。其次,增加的氧化磷酸化与糖酵解可能在动力学上偏向支持糖酵解糖流量的增加。第三,高度活化的Akt可以激活下游的mTORC1进而促进HIF-1a在常氧状态下的累积(不被VHL降解)而增加Glut1, HK (mtHK), 和乳酸脱氢酶(LDH)的富集。葡萄糖转运摄取的增加伴随氧化磷酸化的增加,导致G-6-P (Glucose-6-phosphate)在糖酵解和磷酸戊糖通路(PPP,pentose phosphate pathway)供应和被利用的增加,Akt通过对GSK3b磷酸化灭活而阻断糖原的合成和贮积。第四,Akt磷酸化并激活PFK2 (phosphofructokinase-2),导致PKF2产物果糖2,6二磷酸(fructose 2,6-bisphosphate)诱导的PKF1活化。来自线粒体三羧酸(tricarboxylic acid, TCA)循环产生的枸橼酸被转移到胞浆中,在ATP-枸橼酸降解酶(ATP-citrate lyase, ACS)作用下被用作产生乙酰辅酶A(CoA)的原料。而ACS也是直接受Akt磷酸化和活化的调控。因此,通过增加枸橼酸的利用,Akt还可以帮助增加TCA循环通量。最后,活化的Akt增加细胞ATP水平可以帮助维持低水平的AMPK (AMP--activated protein kinase)的活性,这又是完全活化Akt下游mTORC1所必需的(图2)(3,4)
 
糖、脂、蛋白的转化
 
    葡萄糖可以支撑许多和细胞生长与增殖相关的代谢活动。生物合成所需三大类别的大分子—脂肪酸,氨基酸和核苷酸都需要依赖来自葡萄糖代谢产生的能量ATP和代谢中间产物,如枸橼酸和丙酮酸。糖酵解作为葡萄糖代谢的主要方式可以产生丙酮酸和乳酸。一部分丙酮酸进入线粒体被转化为乙酰CoA和通过在TCA循环中被氧化。用于脂肪酸合成的糖代谢中间产物枸橼酸便来自TCA循环。通过对TCA循环中的其它中间产物的转氨基作用,而产生了氨基酸,如谷氨酸和天冬氨酸。蛋白合成与核糖体的生物合成都需要氨基酸,核糖体正是由蛋白和核酸构成。核苷酸的生物合成需要许多代谢中间产物的参与,其中,甲基团来自于对叶酸的代谢。葡萄糖通过磷酸戊糖途径(PPP)而产生还原型NADPH和5-磷酸作为合成核苷酸的原料,或者进入酵解,酵解产生的ATP和NADH及其他中间产物将作为合成膜磷脂的底物。终产物丙酮酸则可转化为乳酸并产生NAD+;或进一步在线粒体被氧化;还可转氨为丙氨酸 (图3)。
 
葡萄糖代谢的三种模式

 
 
    在相同的环境条件下,来自细菌等单细胞生物与来自多细胞生物的哺乳动物细胞都有相似的代谢表型。在营养供给充沛的条件下,对数期生长的单细胞生物通常是通过发酵而产生小的有机分子,如乙醇;同样,在处于增殖时期的多细胞生物也主要是通过对葡萄糖的酵解代谢,而产生大量的乙醇,乳酸,或者其他有机酸如乙酸和丁酸等多碳化合物。而在饥饿或者营养匮乏的情况下,不论单细胞生物还是不处于增殖状态的哺乳动物细胞都是以氧化磷酸化代谢为主要的代谢模式。这些进化上的保守性机制说明氧化磷酸化对处于营养受限制的细胞是具有优势的,而非氧化代谢则对处于增殖的细胞具有优势性。因此,依据氧气供给的不同,细胞所处的状态也不同,至少存在以下三种不同的糖代谢模式(图4)(3)
 
氧化磷酸化代谢:在有氧或常氧压(normaxia)存在的条件下,对于非增殖细胞(包括处于未分化的组织细胞或暂时处于静止期的细胞),都首先通过糖酵解将葡萄糖代谢为丙酮酸(pyruvate), 然后在线粒体通过TCA循环将丙酮酸完全氧化为代谢终产物CO2和H2O, 从而使每一分子的葡萄糖可以净获得大约36分子的ATP。此即为葡萄糖的氧化磷酸化代谢。因为氧是最后阶段的最终电子接受者,因此要彻底完成这个过程,氧是必须的。
 
无氧糖酵解(Anaerobic Glycolysis):如果氧的供应不充分或细胞处于乏氧状态。细胞就会重新分配糖酵解产生的丙酮酸不进入线粒体的氧化磷酸化代谢过程,而直接产生乳酸,整个代谢过程都发生在胞浆,此即为葡萄糖代谢的第二种模式-无氧糖酵解。在无氧糖酵解中产生的乳酸可以允许糖酵解的继续,让NADH-NAD+再循环,但是每分子的葡萄糖分子只能产生2分子的ATP,因此其产量效率非常低。
 
有氧糖酵解(Aerobic Glycolysis):Warburg观察到肿瘤细胞倾向于将绝大部分的葡萄糖转变为乳酸,尽管有充足氧气供应,因此葡萄糖的这种代谢模式又叫做有氧糖酵解。这一糖代谢特征也同时发生在正常组织的增殖细胞。虽然肿瘤细胞与正常增殖细胞的线粒体还正常工作,有些氧化磷酸化的代谢过程也能继续进行,但通过有氧糖酵解产生的ATP低于通过氧化磷酸化产生的ATP。大约每分子葡萄糖通过有氧酵解只能产生大约4分子的ATP。在增殖细胞中,大约10%的葡萄糖是被引导到生物合成通路上。
 
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