Бұлшық еттердегі энергия тасымалы және аммиакты шығару метаболикалық жолы

Кіріспе

Бұлшық еттерге энергияны тасымалдау және аммиакты бұлшық еттерден шығару үшін метаболистік жол – Кахилл циклі, сондай-ақ аланин циклі немесе глюкоза-аланин циклі деп аталады. Ол скелеттік бұлшық еті мен бауыр арасындағы қоректік заттардың айналымында Кори циклына өте ұқсас. Бұлшықеттер энергия қажеттілігі үшін аминқышқылдарын ыдыратқанда, пайда болатын азот пируватқа трансаминацияланып, аланинге айналады. Бұл процесті L-глутамат пен пируватты α-кетоглутарат пен L-аланинге түрлендіретін аланин трансаминаза (ALT) ферменті катализдейді. Соның нәтижесінде пайда болған L-аланин бауырға тасымалданады, онда азот мочевина цикліне қосылады, ал пируват глюкоза синтезіне қолданылады. Кахилл циклы лактатты пайдаланатын Кори циклына қарағанда аз өнімді, себебі аланиннен энергия өндірудің қосалқы өнімі – мочевинаның түзілуі. Мочевинаны шығару энергияға тәуелді, төрт "жоғары энергиялы" фосфат байланысын қажет етеді (3 АТФ 2 АДФ және 1 АМФ-қа гидролизденеді), сондықтан таза АТФ мөлшері Кори циклындағыдан кем. Дегенмен, Кори циклынан айырмашылығы, NADH сақталады, өйткені лактат түзілмейді. Бұл оның электрондық тасымалдау тізбегі арқылы тотығуына мүмкіндік береді. Зерттеулер Кахилл циклінің бауырмен байланысты аурулар мен қатерлі ісіктерді емдеудің жаңа әдістерін әзірлеуде маңызды екенін көрсетті.

Реакциялар

Скелет бұлшықеттері тармақты тізбектегі аминқышқылдарының ыдырауынан пайда болатын аммоний иондарын қауіпсіз түрде жою үшін урея циклін пайдалана алмайтындықтан, оны басқа жолмен шығару керек. Осы үшін аммоний жасуша ішіндегі трансаминация реакциясы арқылы бос α-кетоглутаратпен бірігіп, глутамат пен α-кетоқышқыл түзеді. Аланин аминотрансминазасы (АЛТ), сондай-ақ Глутамикалық пируват трансаминазасы (ГПТ) деп те аталады, кейін глутаматты α-кетоглутаратқа қайта айналдырады, осы жолы аммонийды гликолиз нәтижесінде пайда болған пируватқа көшіріп, бос аланин құрайды. Аланин аминқышқылы тасымалдаушы рөл атқарады – ол жасушадан шығып, қан ағынына өтеді және бауырдағы гепатоциттерге жетеді, онда бұл процестің бәрі кері жүреді. Аланин бос α-кетоглутаратпен трансаминация реакциясына түсіп, глутамат түзеді, содан кейін пируват пен, әрі қарай, бос аммоний ионын құру үшін деаминацияланады. Гепатоциттер урея циклы арқылы уытты аммонийді метаболизмдей алады, осылайша оны қауіпсіз түрде шығарады. Бұлшықет жасушаларынан аммоний ионын сәтті шығарып, цикл энергия тапшылығын сезініп жүрген скелеттік бұлшықет жасушаларын глюкозамен қамтамасыз етеді. Гепатоциттердегі глутаматтың деаминациялануынан пайда болған пируват глюконеогенез процесінен өтіп, глюкоза түзеді, ол кейін қан ағынына өтіп, скелеттік бұлшықет тініне жеткізіледі, осылайша оған қажетті энергия көзін ұсынады.

Функция

Кейхилл циклі бұлшықет тінін уытты аммоний ионынан тазартады, сондай-ақ энергия жетіспейтін бұлшықет тініне глюкозаны жанама түрде жеткізеді. Ұзақ аштық кезінде қаңқа бұлшық еттері гликогеннің ыдырауынан түзілген глюкозаны толықтыру үшін энергия көзі ретінде қолданылуы мүмкін. Бұтақты тізбекті аминқышқылдарының ыдырауы энергия мақсатында қолданылатын көміртек қаңқасын, сондай-ақ еркін аммоний иондарын береді. Дегенмен, оның сүтқоректі емес құрлықтағы омыртқалы жануарлардағы болуы және физиологиялық маңызы әлі анық емес. Мысалы, кейбір балықтар аланинді азот тасымалдаушы ретінде пайдаланса да, глюкоза айналымының баяудығы және жаттығу кезінде бұлшықет тінінен аланиннің аз бөлінуіне байланысты цикл жүрмейді. Аланин циклі басқа да мақсаттарға қызмет етеді, мысалы, қаңқа бұлшық еттері мен бауырдағы көміртек қаңқаларын қайта өңдеу. Бауырдың митохондриялық тотығуы – глюкоза және май қышқылдарының метаболизміне қатысатын маңызды процесс, ол АТФ өндіру үшін лимон қышқылы циклі мен тотығу фосфорлануын қамтиды. Бауырдың митохондриялық тотығуына әсер ететін факторларды түсіну, алкогольсіз майлы бауыр ауруы (NAFLD), алкогольсіз стеатогепатит (NASH) және 2-типті қант диабеті сияқты ауруларды емдеудегі рөліне байланысты үлкен қызығушылық тудырады. Қазіргі зерттеулердің бағыты осындай ауруларға арналған мақсатты және мақсатсыз терапиялық препараттарды жасау үшін бауырдың митохондриялық тотығуының реттеуші рөлін пайдалануға бағытталған. ГКК – бауыр қатерлі ісігінің ең көп таралған түрі және бүкіл әлемде қатерлі ісіктерден болатын өлімнің үшінші себебі. Жаңа емдеу әдістерін іздеу маңызды зерттеу саласы болып табылады, өйткені қазіргі терапиялық әдістер (хирургия, сәулелік терапия, химиотерапия) көбінесе ауыр жанама әсерлерге және/немесе ГКК кезінде тиімділіктің төмендігіне әкеледі. Көптеген жаңа баламалы және/немесе қосымша емдеулердің ортақ ерекшелігі – қатерлі ісік жасушаларының жасушалық метаболизмін нысанаға алу, олардың тез өсуі мен көбеюіне жағдай жасайтын гиперметаболикалық күйіне байланысты. Қатерлі ісік жасушалары сау жасушаларға қарағанда глюкозаны әлдеқайда жылдам тұтынады, сонымен қатар, олардың қоректік қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін аминқышқылдарының метаболизміне көп сүйенеді. Осы зерттеуге қатысқан зерттеушілер глюкоза-аланин циклы арқылы өңделген экзогенді аланинді ГКК жасушалары үшін қоректік заттар жетіспейтін жағдайда энергияның баламалы көзі деп болжады және бұл тәуелділікті мақсатты терапия үшін пайдалануға болады. Бұл эксперименттік тұрғыдан дәлелдеу үшін ГКК жасушалары in vitro жағдайында қоректік заттар жетіспейтін ортада өсіріліп, содан кейін аланинмен қамтамасыз етілді. Аланинмен толықтыру осы жағдайларда ГКК жасушаларының өсуін ынталандырды, бұл метаболикалық қайта бағдарламалау деп аталады. Содан кейін олар экспрессиялық және функциялық жоғалу эксперименттері сериясын жүргізіп, GPT1 аланин айналымына қатысатын GPT изомері екенін анықтады, бұл бауырда GPT1 жиі кездесетіні туралы бұрынғы мәліметтермен сәйкес келеді. Олар метаболикалық қайта бағдарламаланған ГКК жасушаларын GPT1-дің табиғи ингибиторы – берберинмен емдеді, нәтижесінде АТФ өндірісі және аланинмен қамтамасыз етілген қатерлі ісік жасушаларының өсуі тежелді. Зерттеу нәтижелері глюкоза-аланин циклының компоненттері, әсіресе GPT1, ГКК-ның баламалы терапиясы үшін перспективті нысана бола алатынын және берберин, өсімдіктерден алынған селективті GPT1 ингибиторы ретінде, осындай жаңа дәрілердің бірі ретінде қолдануға болатынын көрсетті. Аланиннің қатерлі ісік жасушалары үшін баламалы отын ретінде қолданылуы панкреастық қатерлі ісік жасушаларында жүргізілген басқа да зерттеулерде де көрсетілген.

The Cahill cycle ultimately serves as a method of ridding the muscle tissue of the toxic ammonium ion, as well as indirectly providing glucose to energy deprived muscle tissue. Under long periods of fasting, skeletal muscle can be degraded for use as an energy source to supplement the glucose being produced from the breakdown of glycogen. The breakdown of branch chain amino acids yields a carbon skeleton utilized for energy purposes, as well as free ammonium ions. However, its presence and physiological significance in non mammalian land vertebrates is unclear. For example although some fish use alanine as a nitrogen carrier, the cycle is unlikely to take place due to a slower glucose turnover rate and lower release of alanine from exercising muscle tissue. The alanine cycle also serves other purposes, such as the recycling of carbon skeletons in skeletal muscle and the liver, Hepatic mitochondrial oxidation is a key process in the metabolism of glucose and fatty acids, involving the Citric Acid Cycle and oxidative phosphorylation, for the generation of ATP. Understanding the factors that influence hepatic mitochondrial oxidation are of great interest due to its function in mediating diseases such as Non Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD), Non Alcoholic steatohepatitis (NASH), and Type 2 Diabetes. A current active area of research is attempting to exploit the regulatory role of hepatic mitochondrial oxidation for the purpose of developing both targeted and non targeted therapeutics for such diseases. HCC is the most common form of liver cancer and the third most common cause of cancer related deaths worldwide. The search for alternative treatment options remains a lucrative area of research as current available therapeutics (surgery, radiotherapy, chemotherapy) generally have severe side effects and/or low success rates with HCC. One common characteristic of many novel alternative and/or supplementary treatments is the targeting of cellular metabolism of cancer cells, due to their general hyper metabolic state which favors rapid growth and proliferation. In conjunction with consuming glucose at a much more rapid rate than healthy cells, cancers cells heavily rely on amino acid metabolism to satisfy their avid nutritional needs. The researchers involved in this study speculated exogenous alanine, processed via the glucose alanine cycle, to be one of the alternative energy sources for HCC cells in a nutrient deficient environment and that this dependency can be harnessed for targeted therapy. To demonstrate this experimentally, HCC cells were cultured in vitro in a nutrient poor media and then supplied with alanine. The alanine supplication was enough to promote HCC cell growth under those conditions a phenomenon called metabolic reprogramming. Next, they performed a series of over expression and loss of function experiments and determined that specifically Glutamic Pyruvate Transaminase 1 (GPT1) is the GPT isomer primarily involved in alanine turnover in HCC cells, consistent with previous findings that GPT1 tends to be found in the liver. They proceeded by treating the metabolically reprogrammed HCC cells with Berberine, a naturally occurring inhibitor of GPT1; the observed affect was to curb ATP production and subsequently the growth of the alanine supplied cancer cells. Their study demonstrated that components of the glucose alanine cycle, particularly GPT1, may be a good choice as a target for alternative HCC therapies and that Berberine, as a plant derived selective GPT1 inhibitor, has potential for use in one of these novel medicines. The concept of alanine as an alternative fuel for cancer cells was similarly demonstrated in other studies performed on pancreatic cancer cells.