Hipótese do transporte de lactato - Lactate shuttle hypothesis
A hipótese da lançadeira de lactato descreve o movimento do lactato intracelularmente (dentro de uma célula) e intercelularmente (entre as células). A hipótese é baseada na observação de que o lactato é formado e utilizado continuamente em diversas células em condições anaeróbias e aeróbias . Além disso, o lactato produzido em locais com altas taxas de glicólise e glicogenólise pode ser transportado para locais adjacentes ou remotos, incluindo coração ou músculos esqueléticos, onde o lactato pode ser usado como um precursor gliconeogênico ou substrato para oxidação. A hipótese foi proposta pelo professor George Brooks, da Universidade da Califórnia em Berkeley.
Além de seu papel como fonte de combustível predominantemente nos músculos, coração, cérebro e fígado, a hipótese do transporte de lactato também relaciona o papel do lactato na sinalização redox, expressão gênica e controle lipolítico. Esses papéis adicionais do lactato deram origem ao termo 'lactormônio', pertencente ao papel do lactato como hormônio de sinalização.
Lactato e o ciclo Cori
Antes da formação da hipótese de transporte do lactato, o lactato há muito era considerado um subproduto resultante da quebra da glicose por meio da glicólise em tempos de metabolismo anaeróbio. Como meio de regenerar o NAD + oxidado , a lactato desidrogenase catalisa a conversão do piruvato em lactato no citosol, oxidando o NADH em NAD + , regenerando o substrato necessário para continuar a glicólise. O lactato é então transportado dos tecidos periféricos para o fígado por meio do Ciclo de Cori, onde é transformado em piruvato por meio da reação reversa usando lactato desidrogenase. Por essa lógica, o lactato era tradicionalmente considerado um subproduto metabólico tóxico que poderia causar fadiga e dores musculares durante os momentos de respiração anaeróbica. O lactato era essencialmente o pagamento pela “ dívida de oxigênio ” definida por Hill e Lupton como a “quantidade total de oxigênio usada, após a cessação do exercício na recuperação do mesmo”.
Papel célula-célula do transporte de lactato
Além do Cori Cycle, a hipótese da lançadeira do lactato propõe funções complementares do lactato em múltiplos tecidos. Ao contrário da crença de que o lactato é formado como resultado do metabolismo limitado por oxigênio, existem evidências substanciais que sugerem que o lactato é formado tanto em condições aeróbias quanto anaeróbicas, como resultado do suprimento de substrato e da dinâmica de equilíbrio.
Uso de tecido (cérebro, coração, músculos)
Durante o esforço físico ou exercício de intensidade moderada, o lactato liberado do músculo em atividade e de outros leitos de tecido é a principal fonte de combustível para o coração, saindo dos músculos através da proteína transportadora de monocarboxilato (TCM). Esta evidência é apoiada por um aumento da quantidade de proteínas de transporte MCT no coração e no músculo em proporção direta ao esforço, medido por meio da contração muscular.
Além disso, neurônios e astrócitos demonstraram expressar proteínas MCT, sugerindo que o transporte de lactato pode estar envolvido no metabolismo cerebral. Os astrócitos expressam MCT4, um transportador de baixa afinidade para o lactato (Km = 35mM), sugerindo que sua função é exportar o lactato produzido pela glicólise. Por outro lado, os neurônios expressam MCT2, um transportador de alta afinidade para o lactato (Km = 0,7 mM). Assim, é hipotetizado que os astrócitos produzem lactato que é então absorvido pelos neurônios adjacentes e oxidado como combustível.
Papel intracelular da lançadeira de lactato
A hipótese do transporte de lactato também explica o equilíbrio da produção de lactato no citosol, via glicólise ou glicogenólise , e a oxidação do lactato na mitocôndria (descrita a seguir).
Peroxissomos
Os transportadores MCT2 dentro da função do peroxissoma transportam o piruvato para o peroxissoma, onde é reduzido pelo LDH peroxissomal (pLDH) a lactato. Por sua vez, o NADH é convertido em NAD +, regenerando este componente necessário para a subsequente β-oxidação . O lactato é então expulso do peroxissoma via MCT2, onde é oxidado por LDH citoplasmático (cLDH) a piruvato, gerando NADH para uso de energia e completando o ciclo (veja a figura).
Mitocôndria
Embora a via de fermentação citosólica do lactato esteja bem estabelecida, uma nova característica da hipótese do transporte de lactato é a oxidação do lactato na mitocôndria. Baba e Sherma (1971) foram os primeiros a identificar a enzima lactato desidrogenase (LDH) na membrana interna mitocondrial e na matriz do músculo esquelético e cardíaco de ratos. Posteriormente, o LDH foi encontrado no fígado, rim e mitocôndria do coração de ratos. Também foi descoberto que o lactato pode ser oxidado tão rapidamente quanto o piruvato em mitocôndrias de fígado de rato. Como o lactato pode ser oxidado na mitocôndria (de volta ao piruvato para entrar no ciclo de Krebs, gerando NADH no processo), ou servir como um precursor gliconeogênico, o transporte de lactato intracelular foi proposto para responder pela maior parte da renovação do lactato no corpo humano (como evidenciado pelo ligeiro aumento na concentração de lactato arterial). Brooks et al. confirmaram isso em 1999, quando descobriram que a oxidação do lactato excedia a do piruvato em 10-40% no fígado, esqueleto e músculo cardíaco de ratos.
Em 1990, Roth e Brooks encontraram evidências para o transportador facilitado de lactato, proteína de transporte de monocarboxilato (MCT), nas vesículas de sarcolema do músculo esquelético de rato. Mais tarde, o MCT1 foi o primeiro membro da superfamília MCT a ser identificado. As primeiras quatro isoformas de MCT são responsáveis pelo transporte de piruvato / lactato. Verificou-se que o MCT1 é a isoforma predominante em muitos tecidos, incluindo músculo esquelético, neurônios, eritrócitos e esperma. No músculo esquelético, o MCT1 é encontrado nas membranas do sarcolema, peroxissomo e mitocôndria. Por causa da localização mitocondrial de MCT (para transportar lactato para a mitocôndria), LDH (para oxidar o lactato de volta a piruvato) e COX (citocromo c oxidase, o elemento terminal da cadeia de transporte de elétrons), Brooks et al. propuseram a possibilidade de um complexo de oxidação de lactato mitocondrial em 2006. Isso é corroborado pela observação de que a capacidade das células musculares de oxidar lactato estava relacionada à densidade da mitocôndria. Além disso, foi demonstrado que o treinamento aumenta os níveis de proteína MCT1 nas mitocôndrias do músculo esquelético, e isso correspondeu a um aumento na capacidade do músculo de limpar o lactato do corpo durante o exercício. A afinidade do MCT pelo piruvato é maior do que o lactato, no entanto, duas reações garantirão que o lactato estará presente em concentrações que são ordens de magnitude maiores do que o piruvato: primeiro, a constante de equilíbrio de LDH (3,6 x 104) favorece muito a formação de lactato . Em segundo lugar, a remoção imediata do piruvato da mitocôndria (seja através do ciclo de Krebs ou da gliconeogênese) garante que o piruvato não esteja presente em grandes concentrações dentro da célula.
A expressão da isoenzima LDH é dependente do tecido. Verificou-se que em ratos, o LDH-1 era a forma predominante nas mitocôndrias do miocárdio, mas o LDH-5 era predominante nas mitocôndrias do fígado. Suspeita-se que essa diferença na isoenzima se deva à via predominante que o lactato tomará - no fígado é mais provável que seja gliconeogênese, enquanto no miocárdio é mais provável que seja oxidação. Apesar dessas diferenças, acredita-se que o estado redox da mitocôndria dita a capacidade dos tecidos de oxidar o lactato, não a isoforma de LDH específica.
Lactato como molécula sinalizadora: 'lactormona'
Sinalização redox
Conforme ilustrado pela lançadeira peroxissômica intracelular de lactato descrita acima, a interconversão de lactato e piruvato entre os compartimentos celulares desempenha um papel fundamental no estado oxidativo da célula. Especificamente, a interconversão de NAD + e NADH entre compartimentos foi hipotetizada para ocorrer na mitocôndria. No entanto, faltam evidências para isso, pois tanto o lactato quanto o piruvato são rapidamente metabolizados dentro da mitocôndria. No entanto, a existência da lançadeira de lactato peroxissomal sugere que esta lançadeira redox pode existir para outras organelas.
Expressão genetica
O aumento dos níveis intracelulares de lactato pode atuar como um hormônio de sinalização, induzindo mudanças na expressão gênica que aumentam a regulação dos genes envolvidos na remoção do lactato. Esses genes incluem MCT1, citocromo c oxidase (COX) e outras enzimas envolvidas no complexo de oxidação do lactato. Além disso, o lactato aumentará os níveis de coativador gama 1-alfa do receptor ativado pelo proliferador de peroxissoma (PGC1-α), sugerindo que o lactato estimula a biogênese mitocondrial.
Controle de lipólise
Além do papel da lançadeira de lactato no fornecimento de substrato NAD + para a β-oxidação nos peroxissomos, a lançadeira também regula a mobilização de FFA, controlando os níveis de lactato no plasma. Pesquisas demonstraram que o lactato atua inibindo a lipólise em células de gordura por meio da ativação de um receptor órfão de proteína G ( GPR81 ) que atua como um sensor de lactato, inibindo a lipólise em resposta ao lactato.
Papel do lactato durante o exercício
Conforme encontrado por Brooks, et al., Enquanto o lactato é eliminado principalmente por meio da oxidação e apenas uma pequena fração apóia a gliconeogênese , o lactato é o principal precursor gliconeogênico durante o exercício sustentado.
Brooks demonstrou em seus estudos anteriores que pouca diferença nas taxas de produção de lactato foi observada em indivíduos treinados e não treinados com saídas de potência equivalentes. O que foi visto, no entanto, foram taxas de eliminação de lactato mais eficientes nos indivíduos treinados, sugerindo uma regulação positiva da proteína MCT.
O uso local de lactato depende do esforço do exercício. Durante o repouso, aproximadamente 50% da eliminação do lactato ocorre através da oxidação do lactato, enquanto no tempo de exercícios extenuantes (50-75% VO2 max) aproximadamente 75-80% do lactato é usado pela célula ativa, indicando o papel do lactato como um dos principais contribuintes para conversão de energia durante o esforço de exercício aumentado.
Significado clínico
Os tumores altamente malignos dependem fortemente da glicólise anaeróbica (metabolismo da glicose em ácido lático, mesmo sob amplo oxigênio tecidual; efeito Warburg ) e, portanto, precisam de efluxo de ácido lático via MCTs para o microambiente tumoral para manter um fluxo glicolítico robusto e prevenir o tumor de ser "picado até a morte". Os MCTs foram direcionados com sucesso em estudos pré-clínicos usando RNAi e um inibidor de molécula pequena ácido alfa-ciano-4-hidroxicinâmico (ACCA; CHC) para mostrar que a inibição do efluxo de ácido lático é uma estratégia terapêutica muito eficaz contra tumores malignos altamente glicolíticos .
Em alguns tipos de tumor, o crescimento e o metabolismo dependem da troca de lactato entre as células glicolíticas e de respiração rápida. Isso é de particular importância durante o desenvolvimento de células tumorais, quando as células frequentemente sofrem metabolismo anaeróbico, conforme descrito pelo efeito Warburg. Outras células do mesmo tumor podem ter acesso ou recrutar fontes de oxigênio (via angiogênese ), permitindo que sofra oxidação aeróbia. O transporte de lactato pode ocorrer quando as células hipóxicas metabolizam glicose anaerobicamente e transportam o lactato via MCT para as células adjacentes capazes de usar o lactato como substrato para a oxidação. A investigação sobre como a troca de lactato mediada por MCT em células tumorais alvo pode ser inibida, privando as células de fontes de energia essenciais, pode levar a novos quimioterápicos promissores.
Além disso, o lactato demonstrou ser um fator chave na angiogênese tumoral. O lactato promove a angiogênese ao regular positivamente o HIF-1 nas células endoteliais. Assim, um alvo promissor da terapia do câncer é a inibição da exportação de lactato, por meio de bloqueadores de MCT-1, privando os tumores em desenvolvimento de uma fonte de oxigênio.