В предыдущих статьях мы установили, что:
Энергетический обмен в большинстве организмов протекает в две основные фазы: гликолиз окисляет глюкозу до пирувата (пировиноградной кислоты) в анаэробном процессе. Пируват может окисляться до CO2 в процессе дыхания, в котором молекулярный кислород (O2) является конечным окислителем.
Примечание: название кислоты органических кислот, например, пировиноградная кислота, используется взаимозаменяемо с названием ее соли-пируват. В биохимии мы в основном изучаем вещи при нейтральном рН, где пиретиновая кислота существует почти полностью в форме пирувата.
Эффект Варбурга обеспечивает главный фокус: многие клетки, которые в своем нормальном состоянии имеют высокий аэробный метаболизм, переключаются на гликолиз в раковом состоянии, даже если кислород доступен. Эту активность в присутствии кислорода иногда называют "аэробным гликолизом", хотя сам гликолиз все еще является анаэробным.
Окислителем, превращающим глюкозу в пируват при гликолизе, является кофактор NAD+, который сам восстанавливается до NADH. Аэробные клетки помещают NADH в дыхание, где он повторно окисляется обратно до NAD+, позволяя еще один раунд гликолиза. Клетки, которые получают энергию только от гликолиза, перерабатывают НАДН путем восстановления пирувата до лактата (молочной кислоты). Вот что обнаружил Варбург: раковые клетки имеют более высокое отношение молочной кислоты к CO2, чем нормальные клетки. Забегая вперед, можно сказать, что это хороший шаг, на котором следует искать контрольную точку для эффекта Варбурга — связи между аэробными и анаэробными процессами.
Клетки, осуществляющие дыхание, превращают пируват в ацетил-КоА. Ацетил-КоА является субстратом для дыхания и окисляется до CO2. Помимо пирувата из гликолиза, метаболизм обеспечивает другие источники ацетил-КоА, самыми крупными из которых являются жирные кислоты из жира.
Ацетил-КоА может подаваться в периферические ткани печенью. Для этого печень образует кетоновые тела, бета-гидроксибутират и ацетоацетат. Кетоновые тела переносятся в крови к другим тканям, где они снова расщепляются, чтобы поставлять ацетил-КоА. Сама печень не использует кетоновые тела, потому что у нее есть свой собственный ацетил-КоА
Идея: эффект Варбурга представляет собой разрыв между анаэробным метаболизмом и дыханием — то есть о связи между пируватом и ацетил-КоА. В обход связи, обеспечивающей ацетил-КоА, кетоновые тела представляют собой способ рассечения процесса и, возможно, предлагают некоторую помощь.
ПОДРОБНЕЕ ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ МЕТАБОЛИЗМЕ.
Из-за необходимости поддерживать контроль и избегать высоких температур, которые могут потребоваться для больших химических изменений, биохимические процессы обычно протекают во многих небольших стадиях. Дыхание состоит из двух основных компонентов. Первый-это так называемый цикл Кребса, или цикл трикарбоновой кислоты (ТКА), в котором ацетил-КоА окисляется до CO2 редокс-коферментами, главным из которых, опять же, является NAD+. Продукт, NADH, наряду с NADH из других процессов, таких как гликолиз, направляется во второй процесс, называемый цепью переноса электронов, процесс, смутно аналогичный электрической проводимости, но в конце цепи, наконец, молекулярный кислород восстанавливается до воды.
МИТОХОНДРИЯ
Функциональные фазы метаболизма разделены в пространстве так же, как и активность. Таблеткообразная структура, митохондрия, является местом окислительной обработки. Две мембраны окружают внутреннее пространство, которое называется матрицей. Внешняя мембрана является барьером для определенных веществ, но именно внутренняя митохондриальная мембрана содержит механизм для метаболической обработки. Внутренняя мембрана имеет высокую структуру с обширными инвагинациями, называемыми кристами. Ферменты и белки, которые осуществляют окончательное окисление и генерацию АТФ, встроены во внутреннюю мембрану.
Важность этой клеточной структуры и видимые морфологические изменения, сопровождающие раковое состояние, побудили нас искать обширные нарушения в митохондриях для понимания рака. В то время как есть некоторые виды рака с явно нарушенными митохондриями, органелла обычно не разрушается, и на самом деле многие виды рака имеют хорошо функционирующие митохондрии. Мы должны искать более тонкие изменения. На самом деле, многое может пойти не так. Вот один из них: поступление пирувата в митохондрии нарушается в большинстве случаев рака.
Пируват поступает в митохондрию через транспортер белка MPC, который состоит из двух субъединиц, называемых MPC1 и MPC2. Сразу же возникает опасность возникновения неприятностей. Оказывается, что обе субъединицы необходимы для нормального окислительного метаболизма, и большинство раковых заболеваний показывают пониженную экспрессию или отсутствие одного или обоих этих носителей. Чаще всего это MPC1. Идентификация генов, контролирующих комплекс MPC, позволила проверить, что произойдет, если вы сможете заставить ген повторно экспрессировать MPC, и будет ли это полезно. Джон Шелл и др. были способны модифицировать раковые клетки, растущие в культуре, чтобы повторно экспрессировать как MPC1, так и MPC2. Модифицированные клетки показали снижение зависимости от гликолиза и увеличение поглощения пирувата в митохондрии по сравнению с контрольными опухолями. Кроме того, при получении ксенотрансплантатов (от других животных) у мышей эти трансплантаты с реэкспрессированными MPC1 и MPC2 уменьшались в размерах по сравнению с контрольной опухолью (Рис.4).
Так, некоторые виды рака демонстрируют дефект в способности получать пируват в митохондрии. Это имеет отношение к возможной молекулярной основе эффекта Варбурга-то есть к связи между гликолизом и дыханием. Оказывается, что это, вероятно, только часть картины. Обработка пирувата, поступающего в митохондрии, - это то, где происходит большая часть действия. Чтобы понять это, мы сделаем небольшое отступление от темы ферментов.
ПРЕДЫСТОРИЯ ФЕРМЕНТОВ.
Все биохимические реакции контролируются ферментами, которые являются белками, выполняющими роль катализаторов. Катализатор увеличивает скорость химической реакции и обеспечивает контроль. Для обратимых реакций фермент будет катализировать реакцию в обоих направлениях. Это позволяет быстрее достичь равновесия.
Названия ферментов примерно говорят вам, какая реакция катализируется (хотя есть много старых традиционных названий, которые не всегда информативны).
Например:
Алкогольдегидрогеназа: этанол + NAD+ ➛ NADH + ацетальдегид.
Альдегиддегидрогеназа: ацетальдегид + NAD+ ➛ NADH + уксусная кислота.
Дегидрогеназы пирувата: пируват + коэнзим а + NAD+ ➛ NADH + ацетил-КоА + СО2.
Лактатдегидрогеназа: пируват + NADH ➛ NAD+ + лактат.
КИНАЗЫ И ФОСФАТАЗЫ.
Большая часть метаболизма зависит от регуляции ферментов путем химической модификации. Подавляющее значение имеют фосфорилирование и дефосфорилирование — т. е. перенос и удаление фосфатных единиц. Источником фосфатов, переносимых на субстраты, является АТФ, и большинство ферментов, выполняющих эту функцию, называются киназами. Ферменты, которые отменяют действие киназ, катализирующих распад (гидролиз) фосфорилированных соединений, называются фосфатазами. Если субстрат представляет собой белок, то ферменты обычно называют протеинкиназами и протеинфосфатазами, если не указан конкретный белок. Тирозинкиназы - это протеинкиназы, которые специфически модифицируют остаток тирозина в белке (не свободный тирозин).
Современная клеточная биология - это спектр сотен киназ и фосфатаз, которые поддерживают клетку в определенном функциональном состоянии. Термин "Кином" иногда используется для описания этого массива ферментов и субстратов.
ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗА: МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ ГИБДДЕШНИК.
Пируватдегидрогеназа (PDH) представляет собой ключевую контрольную точку в энергетическом метаболизме. Непосредственная связь между гликолизом и дыханием, PDH катализирует превращение пирувата в ацетил-КоА, субстрат для цикла TCA.
Общее окисление пирувата до ацетил-КоА происходит так, как описано выше, но на самом деле реакция протекает в три стадии, включающие три различных фермента. Структура PDH отражает сложную природу химии — существует множество копий каждого из ферментов, и PDH иногда называют пируватдегидрогеназным комплексом (PDC). Три фермента осуществляют компоненты реакции: 1) окислительное декарбоксилирование с присоединением к коферменту липоевой кислоты, 2) перенос кофермента А, высвобождающего восстановленную липоевую кислоту, и повторное окисление липоевой кислоты флавином и NAD+.
Если глюкозы мало, то пируват будет обеспечиваться метаболизмом белка и превращением аминокислот в пируват или другие субстраты для глюконеогенеза. В этих условиях большая часть ацетил-коэнзима А поступает в митохондрии из жира, поэтому именно в этой точке происходит обмен жиров и углеводов. Здесь мы рассматриваем место регулирования для кетогенных диет. Чтобы понять PDH, мы должны задать вопрос: на низкоуглеводной или кетогенной диете, откуда митохондрия узнает, когда надо превратить пируват в глюкозу, а не ацетил-коэнзим А, и уткуда она знает, как использовать поступающий жир для аэробного метаболизма?
Ацетил-коэнзим А, продукт реакции PDH, регулирует свое собственное производство. Сильная отрицательная обратная связь удерживает клетку от превращения пирувата в ацетил-КоА, если 1) уже много ацетил-КоА, поступающего из жирового обмена, и 2) нет никакого пищевого углевода, поступающего в организм, и пируват должен использоваться для обеспечения глюкозы (глюконеогенеза). Таким образом, PDH является точкой ветвления метаболизма и разумным местом для поиска того, как все может пойти наперекосяк в онкогенном состоянии.
ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗА ПРИ РАКЕ.
Некоторые виды рака, по сути, были связаны с ингибированием регуляции PDH. T. McFate et al. выявлено ингибирование PDH при плоскоклеточном раке головы и шеи человека (раке клеток слизистой оболочки внутренних органов). Фактическим дефектом была чрезмерная экспрессия фермента, регулирующего активность PDH. Мы видели, что PDH воспринимает количество ацетил-КоА в митохондриях, и с дальнейшим возрастанием, активность PDH снижается. Однако существует и другой уровень регулирования. PDH-это фермент, который ингибируется при модификации фосфорилированием. Фермент, катализирующий фосфорилирование, пируватдегидрогеназа киназа-1 (PDK-1), включается многими вещами, включая ацетил-КоА, АТФ иNADH (все сигналы уже активного окислительного метаболизма). Таким образом, ацетил-КоА не только непосредственно ингибирует PDH, но и включает фермент, который будет ингибировать PDH фосфорилированием.
Когда избыточная экспрессия PDK-1 в карциноме была сбита, рост опухоли и инвазивность были ингибированы. Этот пример интересен с точки зрения метаболического подхода к раку. Оказывается, белок, известный как HIF-1 (гипоксия-индуцируемый фактор), регулирует PDK-1 и HIF-1, а затем регулируется гликолитическими промежуточными продуктами, включая лактат и пируват. Это представляет собой петлю положительной обратной связи, где ингибирование PDH ацетил-КоА и PDK-1 предотвращает использование пирувата в аэробном метаболизме, а сам пируват усугубляет проблему дальнейшим ингибированием.
ОНКОГЕНА SRC В КАЧЕСТВЕ ИНГИБИТОРА PDK.
Вирус саркомы Рауса был обнаружен за много лет до эффекта Варбурга. Пейтон Роус показал, что возбудителем саркомы был вирус, хотя потребовалось много лет, чтобы вирусный эффект был принят. Ключевым геном был назначен src и он стал первым обнаруженным онкогеном. Этот ген, закодированн на тирозин киназы. В 2016 году Y. Jin et al. было показано, что одной из мишеней этой киназы был остаток тирозина на PDH. Установлено, что Src-киназа увеличивает продукцию АФК (активных форм кислорода). Эти активные формы кислорода сами способны активировать Src, производя отрицательный контур обратной связи, который в дальнейшем будет ингибировать PDH. На рис. 7 показана сводка основных контрольных точек активности PDH.
ВЫВОД.
Метаболический подход к раку ставит вопрос о том, как возникает эффект Варбурга, как нарушается нормальная связь между гликолизом и дыханием. Рассматривая одного вероятного кандидата, PDH, регулятор потока пирувата в окислительный метаболизм, показывает несколько различных видов дефектов. Различные виды рака показывают нарушение поглощения пирувата в митохондрии и снижение активности PDH путем прямого фосфорилирования или чрезмерной экспрессии PDK-1. Остается выяснить, какие из них обеспечивают контроль, как они взаимодействуют и могут ли быть направлены на терапию.