Grenzen in den Neurowissenschaften

Einführung

Im neunzehnten Jahrhundert, ≈80 Jahre nach der Entdeckung von Laktat (La−) durch Scheele (Kompanje et al., 2007) stellte Louis Pasteur fest, dass fakultative Hefezellen unter aeroben als unter anaeroben Bedingungen stärker wuchsen, der Zuckerkonsum jedoch abnahm und die Fermentation zu Alkohol unter aeroben Bedingungen geringer war (Pasteur, 1861). Zuvor hatte Pasteur (1858) erkannt, dass einige Hefearten Zucker zu La fermentierten − unter anaeroben, aber nicht aeroben Bedingungen. Dieses Phänomen (sowohl für Alkohol als auch für La− Fermentation) wurde als Pasteur-Effekt bezeichnet (Barnett und Entian, 2005). Ein paralleles Phänomen wurde in Skelettmuskeln und ganzen Tieren entdeckt. Für Skelettmuskulatur Fletcher und Hopkins (1907) berichtet, dass La− in anaeroben Froschmuskeln in Ruhe aufgelaufen. Während der Stimulation stieg die La−Konzentration () im anaeroben Amphibienmuskel rasch an, verschwand jedoch, wenn sich diese ermüdeten Muskeln in einer sauerstoffreichen Umgebung (O2) erholen konnten. Anschließend zeigte Meyerhof schlüssig, dass Glykogen der Vorläufer von La− in isolierten Muskeln war, und der vollständige glykolytische Weg wurde in den frühen 1940er Jahren aufgeklärt (Meyerhof, 1942; Brooks und Gladden, 2003). Das traditionelle Dogma wurde auf diesem Rahmen und anderen Forschungen zur Hypoxie aufgebaut: Pyruvat ist das Endprodukt der Glykolyse unter aeroben Bedingungen und La- ist das Endprodukt, wenn O2 unzureichend ist. Schurr (2006) diskutierte dieses Dogma aus der Sicht des Hirnstoffwechsels.

Es ist allgemein anerkannt, dass intrazelluläre PO2-Werte von ≈0,5 Torr oder weniger zu einer O2-begrenzten oxidativen Phosphorylierung führen, einem Zustand, der als Dysoxie bezeichnet wird (Connett et al., 1990), mit anschließender La- Produktion und Akkumulation. Stainsby und Welch (1966) berichteten jedoch über La−Efflux von einem angeblich gut mit Sauerstoff angereicherten kontrahierenden Muskel. Anschließend beobachteten Jöbsis und Stainsby (1968) die La−Produktion und -freisetzung aus einem kontrahierenden Eckzahn-Skelettmuskel, während das NAD + / NADH-Redoxpaar stärker oxidiert wurde, ein Hinweis auf eine ausreichende O2-Versorgung. Mit einem anderen Ansatz, Myoglobin cryomicrospectroscopy, PO2 in Hund gracilis Muskelkontraktion bei progressiv schnelleren Raten zu bestimmen, Connett et al. (1986) fanden einen zunehmenden La− Efflux ohne Anzeichen von Dysoxie; Die niedrigsten PO2-Werte lagen im Allgemeinen in der Größenordnung von 2 Torr. In: Richardson et al. (1998) verwendeten die Protonenmagnetresonanzspektroskopie (MRS), um die Myoglobinsättigung (und damit das intrazelluläre PO2) beim Menschen während eines abgestuften Trainings zu bestimmen. In parallelen Experimenten mit der gleichen Art von Übung wurde der La- Efflux über arteriovenöse Konzentrationsunterschiede und den Blutfluss bestimmt. Sie fanden La-Efflux in Gegenwart von intrazellulären PO2-Spiegeln (~ 3 Torr), die die oxidative Phosphorylierung nicht einschränken sollten. Véga et al. (1998) berichteten auch, dass isoliertes, stimuliertes Nervengewebe unter aeroben Bedingungen Laktat freisetzt.

Diese Ergebnisse, zusammen mit anderen reichlich vorhandenen Indizien deuten darauf hin, dass Netto−La- Produktion und Efflux aus Zellen unter aeroben Bedingungen auftreten können (Gladden, 2004a, b). Tatsächlich schlug Brooks (2000) vor, dass „Laktat die ganze Zeit in vollständig sauerstoffhaltigen Zellen und Geweben produziert wurde.“ Schurr (2006) diskutierte diesen Vorschlag ausführlich und schlug vor, dass „die Glykolyse immer zu ihrem letzten Schritt, der LDH-Reaktion und der Bildung von Laktat“ im Gehirngewebe, aber höchstwahrscheinlich auch in vielen anderen Geweben, fortschreitet. Anschließend lieferten Schurr und Payne (2007) sowie Schurr und Gozal (2012) unterstützende experimentelle Beweise für dieses Postulat in Hippocampus-Hirnschnitten. Hier, Wir umarmen dieses Konzept, schlägt vor, dass auch in Abwesenheit von Netto−La− Akkumulation, und in Gegenwart von reichlich O2, La- ist das natürliche Endprodukt der Glykolyse. Wichtig ist, dass wir grundlegende biochemische Prinzipien verwenden, um dieses Konzept zu untermauern und den Cytosol-zu-Mitochondrien-Laktat-Shuttle wieder einzuführen.

Die LDH−Reaktion ist eine nahezu Gleichgewichtsreaktion

La− wird in der folgenden Reaktion gebildet, die durch das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH) katalysiert wird:

Die Gleichgewichtskonstante spricht stark für La− (1,62 × 1011 M-1) (Lambeth und Kushmerick, 2002), und die LDH-Aktivität ist im Verhältnis zu den mutmaßlichen regulatorischen Enzymen im glykolytischen Weg im Skelettmuskel (Connett und Sahlin, 2011), Leber, Niere, Herzmuskel, Milz und Fett (Shonk und Boxer, 1964), Gehirn (Iwangoff et al., 1980; In: Morland et al., 2007) und sowohl bösartige als auch gutartige Brusttumoren (Larner und Rutherford, 1978; Balinsky et al., 1984). Wichtig ist, dass die LDH-Aktivität auch im Vergleich zu den mutmaßlichen regulatorischen Enzymen der Pyruvatoxidation hoch ist; siehe Spriet et al. (2000) für Skelettmuskulatur, Morland et al. (2007) für Gehirn und Marie und Shinjo (2011) für Hirntumor. Während Messungen von Gewebe-La-zu-Pyruvat-Verhältnissen knapp sind, sind einige Beispielwerte ≈7: 1 für Leber (Liaw et al., 1985), ≈10-13:1 für den ruhenden Skelettmuskel (Sahlin et al., 1976; Liaw et al., 1985), und Werte so hoch wie 159:1 im Skelettmuskel unmittelbar nach erschöpfender dynamischer Belastung (Sahlin et al., 1976). Referenzwerte für das La-zu-Pyruvat-Verhältnis im Gehirn, unter Verwendung von Mikrodialysesonden, durchschnittlich 23:1 (Reinstrup et al., 2000; Sahuquillo et al., 2014). Typischerweise steigt das Verhältnis nach einer traumatischen Hirnverletzung an, auch ohne Ischämie oder niedriges Gewebe PO2 {≥ 25 (Sahuquillo et al., 2014); ≥40 (Vespa et al., 2005)}. Trotz Standardisierung der Techniken spiegeln Mikrodialysewerte nicht unbedingt reale Gewebekonzentrationen wider (Sahuquillo et al., 2014). Dennoch sind diese La- zu-Pyruvat-Mikrodialysewerte für das menschliche Gehirn nicht weit entfernt von Werten (≈13: 1), die an Rattenhirnhomogenaten erhalten wurden (Ponten et al., 1973). Insgesamt verstärkt das hohe Verhältnis zu selbst bei ausreichender O2-Versorgung die Rolle der LDH−Aktivität bei der Bestimmung des La- Erscheinungsbildes. Die hohe LDH-Aktivität und La – die Gleichgewichtskonstante der LDH−Reaktion sind Schlüsselelemente in der Annahme, dass La – das Hauptendprodukt der Glykolyse unter im wesentlichen allen metabolischen Bedingungen ist. Einfach ausgedrückt, jedes Mal, wenn die Glykolyse unabhängig von der lokalen Sauerstoffspannung wirksam ist, wird La− in den meisten Gewebetypen gebildet. Die Menge an La- produziert und tatsächlich akkumuliert (d. H. Erhöht ) kann jedoch durch Faktoren wie O2-Spannung, Stoffwechselrate, verfügbare mitochondriale Aktivität und andere Faktoren verändert werden.

Schicksale von Pyruvat

Mögliche Schicksale von Pyruvat sind unten aufgeführt. Wir schlagen vor, dass keiner dieser Prozesse mit einer Geschwindigkeit abläuft, die der anfänglichen Umwandlung von Pyruvat in La- entspricht, wodurch sichergestellt wird, dass La− immer das Endprodukt der Glykolyse ist.

1. Efflux aus der Zelle hauptsächlich über Monocarboxylattransporter (MCTs). La- ist jedoch immer in einer höheren Konzentration als Pyruvat vorhanden und verlässt die Zellen schneller als Pyruvat.

2. Umwandlung in Alanin über die Alanin-Aminotransferase-Reaktion nahe dem Gleichgewicht, die eine Gleichgewichtskonstante von etwa 1 aufweist (Tiidus et al., 2012), so sollte die Alaninkonzentration die Pyruvatkonzentration annähern und die Umwandlung von Pyruvat in Alanin sollte die Umwandlung von Pyruvat in La− nicht beeinträchtigen.

3. Glukoneogene / glykoneogene Reaktionen. In glukoneogenen Geweben kann Pyruvat in einer durch Pyruvatcarboxylase katalysierten Reaktion in Oxalacetat umgewandelt werden (Pascoe und Gladden, 1996). In der Skelettmuskelglykoneogenese kann Pyruvat durch Katalyse durch Äpfelenzym (Pascoe und Gladden, 1996) in Malat umgewandelt werden oder eher durch Umkehrung der Pyruvatkinasereaktion (Donovan und Pagliassotti, 2000) in Phosphoenolpyruvat. Diese Reaktionen stellen eine „Umkehrung“ der Glykolyse dar und beginnen mit La−, dem natürlichen Endprodukt der Glykolyse. Im Gehirn ist Glykogen am häufigsten in Astrozyten und spärlich bis vernachlässigbar in Neuronen (Cataldo und Broadwell, 1986). Obwohl Pyruvatcarboxylase in kultivierten Astrogliazellen, Oligodendrozyten, Mikrogliazellen und Ependymozyten exprimiert wird (Murin et al., 2009) sind uns keine Informationen über die Fähigkeit einer dieser Zellen bekannt, Glykogen aus La−zu synthetisieren.

4. Transport durch die mitochondriale Innenmembran mit anschließender Umwandlung in Acetyl-CoA über die Pyruvatdehydrogenase (PDH) -Reaktion, gefolgt vom Eintritt in den Tricarbonsäurezyklus und Oxidation. Pyruvat kreuzt die innere Mitochondrienmembran über einfache Diffusion und erleichterte Diffusion; Die Transporter sind ein MCT (Hashimoto et al., 2006) und der mitochondriale Pyruvatträger (Divakaruni und Murphy, 2012). Für die fortlaufende Oxidation von Pyruvat ist der NADH-Shuttling in die Mitochondrienmatrix durch die Malat-Aspartat- und Glycerinphosphat-Shuttles ebenso wichtig wie der Pyruvattransport.

Die ständige Anwesenheit von La− und seine Akkumulation während Perioden glykolytischer Stimulation ist ein Beweis dafür, dass die LDH-Reaktion gegenüber diesen alternativen Schicksalen von Pyruvat überwiegt.Abbildung 1 veranschaulicht ein Modell des intrazellulären Metabolismus, das wir das „Cytosol-zu-Mitochondrien-Laktat-Shuttle“ nennen; Sein Ursprung kann auf eine Überprüfung des La−Metabolismus durch Stainsby und Brooks (1990) zurückgeführt werden. Wegen der hohen LDH-Aktivität und einer Gleichgewichtskonstante weit in Richtung La− ist La- immer das vorherrschende Ergebnis der Glykolyse. Die Bildung von La− ist jedoch nicht gleichbedeutend mit La- Akkumulation und erhöht . Mitochondrien bilden eine Senke für Pyruvat und unter Bedingungen langsamer glykolytischer Aktivität mit reichlich O2, Oxidation in den meisten Zellen ist ausreichend, um die Produktion durch Glykolyse genau anzupassen; Der Transmembran−La-Fluss variiert zwischen langsamer Freisetzung und langsamer Aufnahme, wobei die Freisetzung die typischere Bedingung ist. Analog zur Kreatinkinase und dem Phosphokreatin-Shuttle hält LDH Pyruvat und La− im gesamten Zellzytosol im Gleichgewicht. In diesem Szenario ist La- die primäre Spezies, die in die Nachbarschaft des mitochondrialen Retikulums wandert, höchstwahrscheinlich in den Intermembranraum, in dem LDH an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran anhaftet (Hashimoto et al., 2006; Gladden, 2008). Hier wird La- für den Eintritt in die Mitochondrien in Pyruvat umgewandelt, wobei die relative „Senke“ für Pyruvat gegeben ist. Gleichzeitig wird NADH aus der Umkehrung der LDH-Reaktion regeneriert und sein Elektronenpaar wird durch die Malat-Aspartat- und Glycerinphosphat-Shuttles über die innere Mitochondrienmembran geschleudert. Ein wichtiger Unterschied zum Phosphokreatin-Shuttle besteht darin, dass zwei Schlüsselkomponenten, La− und Pyruvat, im Gegensatz zu Phosphokreatin die Plasmamembran passieren und die Zelle verlassen können.

Das Cytosol-zu-Mitochondrien−Paradigma postuliert, dass La− immer während der Glykolyse gebildet wird, auch wenn La- nicht akkumuliert und stabil ist. Wenn O2 so niedrig ist, dass die oxidative Phosphorylierung gehemmt wird, übersteigt die La−Produktion natürlich die Geschwindigkeit, mit der der oxidative Metabolismus Pyruvat und NADH verwenden kann, wodurch der La−Efflux ansteigt. Wenn die glykolytische Aktivität auch bei ausreichenden O2-Spiegeln ansteigt, wie bei Skelettmuskelkontraktionen mit mäßiger Intensität oder vielleicht bei aktivierten Astrozyten (Pellerin und Magistretti, 2011), wird die La−Produktion nicht durch Pyruvatoxidation ausgeglichen und steigt an, ebenso wie der Transport von La− aus der Zelle. Wenn die glykolytische Enzymaktivität erhöht wird und / oder die mitochondriale Funktion (oxidative Enzymaktivität) herunterreguliert wird, so dass die Glykolyse gegenüber der Oxidation begünstigt wird, wird es eine anhaltende Fehlanpassung zwischen der La−Produktion und der nachfolgenden Pyruvat− und NADH-Oxidation geben, was zu erhöhtem und La- Efflux führt. Diese letztere Situation wird bei „Warburg“ -Krebszellen (Semenza, 2008) und bei COPD-Patienten während des Ganzkörpertrainings in vivo beobachtet (Maltais et al., 1996).

Mit Ausdauertraining wird der Mitochondriengehalt der Skelettmuskulatur erhöht (Holloszy und Coyle, 1984), und es gibt jetzt eine größere Senke für Pyruvat. Erhöhte mitochondriale oxidative Aktivität erfordert niedrigere Stimulatoren (z. B. ADP) für eine bestimmte oxidative Phosphorylierungsrate; Diese gleichen Stimuli sind allosterische Stimulatoren von glykolytischen Schlüsselenzymen, so dass die Glykolyse reduziert wird. Wenn der La-Membrantransport gehemmt wird, insbesondere in Zellen, die bereits eine Fehlanpassung aufweisen, bei der die Glykolyse gegenüber dem oxidativen Metabolismus begünstigt wird, ist es wahrscheinlich, dass der zelluläre Anstieg potenziell schädliche Auswirkungen auf die Zelle hat (Le Floch et al., 2011). Ferner sollte eine starke Hemmung der gesamten LDH-Aktivität in glykolytischen Zellen das Gleichgewicht verhindern und dadurch La− Produktion, Akkumulation und Efflux reduzieren (Fantin et al., 2006). Der Effekt der Veränderung des LDH-Isozymmusters unabhängig von der Hemmung oder Reduktion der gesamten LDH-Aktivität ist jedoch noch nicht vollständig geklärt (Downer et al., 2006).

Zukünftige Richtungen: Einfluss der LDH-Isoform und Anwendungen auf den Tumorstoffwechsel

Welchen Einfluss hat die LDH-Isoform und wie könnte dieses Wissen auf die Behandlung von Krankheiten mit verändertem Stoffwechsel wie Krebs angewendet werden?

Erstens ist LDH ein tetrameres Enzym, das aus zwei Proteinuntereinheiten besteht, die insgesamt etwa 135 kDa betragen (Cahn et al., 1962). Das Tetramer kann sich als fünf getrennte Isozyme zusammensetzen, indem es alle Kombinationen der M (Muskel) -Form (Produkt des Ldh-A-Gens) oder der H (Herz) -Form (Produkt des Ldh-B-Gens) bildet und produziert: M4 (= A4 = LDH5), M3H1 (= A3B1 = LDH4), M2H2 (= A2B2 = LDH3), M1H3 (= A1B3 = LDH2) und H4 (= B4 = LDH1). Ergebnisse aus Untersuchungen in vitro weisen auf unterschiedliche kinetische Eigenschaften hinsichtlich Substrataffinität und Inhibition dieser Isozyme hin. Die M-dominierten Isozyme haben 3,5-7 mal höhere Km-Werte für Pyruvat und La− als die H-dominierten Formen. Ferner werden die H4-Typen bei Konzentrationen über ~ 0,2 mM durch Pyruvat inhibiert, während die M4-Typen durch Pyruvatkonzentrationen von bis zu 5 mM nur wenig beeinflusst werden (Plagemann et al., 1960; Stambaugh und Post, 1966; Quistorff und Grunnet, 2011b). Das H4-Isozym wird durch über 20-40 mM gehemmt, während das M4-Isozym durch hoch weniger gehemmt wird (Stambaugh und Post, 1966). Diese Punkte wurden als Beweis für funktionelle Unterschiede im Zellstoffwechsel verschiedener Gewebe angeboten, wobei die Herzformen die Oxidation fördern, während die Muskelformen die Bildung von La− (Cahn et al., 1962). Die in der Natur gefundene LDH-Isozymverteilung passt zu diesen in vitro bestimmten Eigenschaften. Beispielsweise weisen schnell zuckende, glykolytische Typ-II-Skelettmuskelfasern einen größeren Anteil an M-Typ-LDH-Isozym auf, während langsam zuckende, oxidative Typ-I-Skelettmuskeln sowie Herzmuskel einen größeren Anteil an H-Typ-LDH-Isozym aufweisen (Van Hall, 2000). Kongruent verringert Ausdauertraining den Anteil des LDH-Isozyms vom M-Typ in den trainierten Muskeln (Van Hall, 2000). Im Gehirn weisen Astrozyten (von denen postuliert wird, dass sie einen höheren glykolytischen Metabolismus aufweisen) einen größeren Anteil des LDH-Isozyms vom M-Typ auf, während Neuronen (von denen behauptet wird, dass sie einen höheren oxidativen Metabolismus aufweisen) einen größeren Anteil des LDH-Isozyms vom H-Typ aufweisen (Schurr, 2006; Pellerin und Magistretti, 2011). In Tumoren weisen glykolytische Zellen vom „Warburg-Typ“ einen größeren Anteil an LDH-Isozym vom M-Typ auf, während oxidativere Krebszellen einen größeren Anteil an LDH-Isozym vom H-Typ aufweisen (Semenza, 2008). Die Indizien für LDH-Isozymverteilungsmuster stimmen also mit der wahrgenommenen Funktion der LDH-Isozyme überein, wie in vitro bestimmt.

Die oben zitierten Beweise haben zu dem Schluss geführt, dass das LDH−Isozymmuster ein ursächlicher Faktor im La-Metabolismus ist. Um die Rolle der LDH−Isozymverteilung als Koordinator des La-Metabolismus weiter aufzuklären, Summermatter et al. (2013) führten eine Untersuchung durch, um die Rolle des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor-γ-Coaktivators 1α (PGC-1α) als Regulator der LDH-Isozym-Subtyp-Expression zu testen. Es ist bekannt, dass PGC-1α für die Koordination des zellulären Energiestoffwechsels wichtig ist (Wu et al., 1999). Als Reaktion auf eine Vielzahl von Stimuli stimuliert PGC-1α die mitochondriale Biogenese, fördert den Übergang der Skelettmuskulatur zu einem oxidativeren Phänotyp und trägt zu einem veränderten Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel bei (Liang und Ward, 2006).

Summermatter et al. (2013) untersuchten muskelspezifische PGC-1α-transgene Mäuse sowie muskelspezifische PGC-1α-Knockout-Mäuse und fanden (1) niedrigeres Blut in den transgenen Tieren und höheres Blut in den Knockout-Tieren als Reaktion auf Ausdauertraining und (2) reduzierte Expression von M-Typ-LDH in den transgenen Tieren und reduzierte H-Typ-LDH in den Knockout-Tieren. Diese Autoren folgerten, wie ihr Titel behauptet, dass „Skelettmuskel PGC-1 α steuert Ganzkörper-La- Homöostase durch Östrogen-bezogene Rezeptor α-abhängige Aktivierung von LDH B und Unterdrückung von LDH A.“ Aus ihrer Sicht ist das LDH-Isozymmuster ein wichtiger Akteur im Ganzkörperstoffwechsel von La-.

Es gibt jedoch unterschätzte Ermahnungen bezüglich der LDH-Isozymfunktionen und ihrer potenziellen Rolle im Stoffwechsel. Zunächst wurden die oben genannten kinetischen Eigenschaften für LDH-Isoformen in vitro bei 20 oder 25 ° C bestimmt, und die Km-Werte für Pyruvat steigen mit der Temperatur an und verdoppeln sich bei 37 ° C im Vergleich zu 25 ° C (Latner et al., 1966; Quistorff und Grunnet, 2011b). Zuvor haben Newsholme und Leech (1983), Van Hall (2000), Newsholme (2004), Gladden (2008) sowie Quistorff und Grunnet (2011a) wichtige Fragen zur Rolle von LDH−Isozymprofilen bei der La- Produktion vs. -nutzung aufgeworfen und festgestellt, dass: (1) Enzyme die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion nicht ändern; (2) Die LDH-Reaktion ist nahezu ausgeglichen, wodurch allosterische Effekte minimiert werden; (3) Unterschiede in isozymfunktion in vivo sind möglicherweise wegen der höheren physiologischen Temperaturen und der Schwergängigkeit zu den Strukturen oder zu anderen Proteinen ziemlich klein; (4) die Konzentrationen von La− und Pyruvat, die für die LDH-Hemmung in vitro benötigt werden, sind viel höher als die höchsten in vivo beobachteten Konzentrationen; und (5) Die LDH-Hemmung in vitro kann auf Spuren der Enolform von Pyruvat zurückzuführen sein, die in vivo weniger wahrscheinlich vorhanden sind.

Obwohl Summermatter et al. (2013) geben mit Überzeugung an, dass das LDH−Isoformmuster ein Hauptfaktor für den La-Stoffwechsel des gesamten Körpers ist. Sie ignorierten die Tatsache, dass PGC-1 α-transgene Mäuse eine erhöhte mitochondriale Proliferation und oxidative Phosphorylierungsenzyme aufweisen, während PGC-1α-Knockout-Mäuse eine signifikante Reduktion der Cytochromoxidase- und Citratsynthase-Aktivitäten aufweisen (Arany et al., 2005). Unserer Meinung nach, Diese Veränderungen der Mitochondrienfunktion, die zuvor festgestellte hohe Gesamt-LDH-Aktivität unabhängig vom Isozymmuster, und die nahezu Gleichgewichtsnatur dieser Reaktion machen die Schlussfolgerungen von Summermatter et al. (2013) unhaltbar. Daher schließen wir, dass die genauen physiologischen und biochemischen Rollen von LDH-Isozymen in vivo noch nicht endgültig geklärt sind.Im Hinblick auf den Tumorstoffwechsel ist das Verständnis, dass La− das Endprodukt der Glykolyse ist, von größter Bedeutung für die Entwicklung von Interventionen gegen Krebs. Kurz gesagt, Experimente von Cori und Cori (1925) und von Warburg et al. (1927) zeigten, dass Tumore eifrig Glukose zu konsumieren und La-zu produzieren schienen. Nachfolgendes Dogma im Tumorstoffwechsel hat festgestellt, dass Tumore einen „Warburg-Effekt“ aufweisen, der La− produziert und exportiert. Wir wissen jedoch jetzt, dass nicht nur verschiedene Tumortypen La− unterschiedlich handhaben (einige sind Nettoproduzenten; einige sind Nettoverbraucher), sondern auch innerhalb eines einzelnen Tumors kann es zu einem Pendeln zwischen verschiedenen Zelltypen kommen; ein La−Shuttle von Zelle zu Zelle (Semenza, 2008). Viele Krebszellen sind schlechte Konsumenten von Laktat (Sonveaux et al., 2008) Spekulationen auslösen, dass eine la – geschützte Hypoglykämie therapeutisch sein könnte (Nijsten und van Dam, 2009). Im Gegensatz dazu verwenden einige Tumoren eifrig La- als Brennstoff und reagieren auf zusätzliche La- mit erhöhter Proliferation und Vaskularität, wahrscheinlich ein direktes Ergebnis der Hochregulierung des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) und des Hypoxie-induzierbaren Faktors 1α (HIF-1α). In einer aktuellen Studie an einem Tiermodell eines Sarkoms, Goodwin et al. (2014) berichteten, dass La− trieb Sarkomagenese in Abwesenheit von Hypoxie. Erstaunlicherweise bleibt unser Verständnis des La−Metabolismus bei Krebs fast 90 Jahre nach Warburgs ersten Studien ungeklärt.

Schlussfolgerungen

Unser Verständnis der La−Formation hat sich seit ihrer Entdeckung drastisch verändert. Traditionell wurde angenommen, dass Pyruvat das Endprodukt der Glykolyse ist, wenn O2 vorhanden ist, und La− das Endprodukt in Zeiten von Dysoxie. Im späten zwanzigsten und frühen einundzwanzigsten Jahrhundert wurde entdeckt, dass O2 unter den meisten zellulären Bedingungen nicht auf oxidative Phosphorylierung beschränkt ist und La− tatsächlich produziert wird, selbst wenn die Geschwindigkeit der O2-Abgabe an Mitochondrien nicht begrenzt ist. Weitere Überlegungen über die Aktivität des LDH−Enzyms und die Gleichgewichtskonstante seiner Reaktion fördern die Annahme, dass La- das primäre Endprodukt der Glykolyse unter den meisten, wenn nicht allen Stoffwechselbedingungen in den meisten Zellen ist. Die Rolle der verschiedenen LDH-Isozyme im Stoffwechsel ist nicht so klar ersichtlich, wie die meisten Forscher vermuten, und wir schließen daraus, dass ihre genaue Funktion unentdeckt bleibt. Ob wir mit dem hier beschriebenen Cytosol-zu-Mitochondrien-Lactat-Shuttle und der unsicheren Rolle der LDH-Isoformen richtig liegen oder nicht, wird unter Bedingungen in vivo schwer zu bewerten sein. Ein Ansatz ist die Modellierung in Silico. Das Verständnis der genauen Mechanismen der Glykolyse und des La−Metabolismus wird nicht nur unser Verständnis des Metabolismus in gesunden Geweben vertiefen, sondern auch Einblicke in erkrankte oder verletzte Gewebe geben, wobei die offensichtlichsten Anwendungen der gestörte Kohlenhydratstoffwechsel in Krebszellen sind (Vander Heiden et al., 2009) und zerebraler Stoffwechsel nach traumatischer Hirnverletzung (Brooks und Martin, 2014).

Erklärung zum Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.