Цикл Кахилла: транспорт энергии и удаление аммиака из мышц.

Введение

Метаболический путь транспорта энергии в мышцы и выведения аммиака из них. Цикл Кахилла, также известный как цикл аланина или цикл глюкоза-аланина, весьма схож с циклом Кори в плане круговорота питательных веществ между скелетными мышцами и печенью. Когда мышцы расщепляют аминокислоты для получения энергии, образующийся азот трансминируется в пируват с образованием аланина. Этот процесс катализируется ферментом аланинтрансаминазой (ALT), который превращает L-глутамат и пируват в α-кетоглутарат и L-аланин. Образовавшийся L-аланин транспортируется в печень, где азот поступает в цикл мочевины, а пируват используется для синтеза глюкозы. Цикл Кахилла менее эффективен, чем цикл Кори, использующий лактат, поскольку побочным продуктом выработки энергии из аланина является образование мочевины. Выведение мочевины требует затрат энергии, а именно расщепления четырех "высокоэнергетических" фосфатных связей (3 молекулы АТФ гидролизуются до 2 молекул АДФ и 1 молекулы АМФ), что приводит к меньшему чистому выходу АТФ по сравнению с циклом Кори. Однако, в отличие от цикла Кори, NADH сохраняется, поскольку лактат не образуется. Это позволяет окислять его посредством цепи переноса электронов. Исследования показали клиническую значимость цикла Кахилла в разработке новых методов лечения заболеваний печени и рака.

Реакции

Поскольку скелетная мышца не способна использовать цикл мочевины для безопасного удаления ионов аммония, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной цепью, она должна избавляться от них другим способом. Для этого аммоний соединяется со свободным α-кетоглутаратом посредством трансаминационной реакции в клетке, образуя глутамат и α-кетокислоту. Аланинаминотрансфераза (ALT), также известная как глутамин-пируваттрансфераза (GPT), затем превращает глутамат обратно в α-кетоглутарат, на этот раз перенося аммоний на пируват, полученный в результате гликолиза, формируя свободный аланин. Аминокислота аланин действует как переносчик – она покидает клетку, попадает в кровоток и транспортируется к гепатоцитам в печени, где по сути весь этот процесс обращается вспять. Аланин подвергается трансаминационной реакции со свободным α-кетоглутаратом с образованием глутамата, который затем дезаминируется с образованием пирувата и, в конечном итоге, свободного иона аммония. Гепатоциты способны метаболизировать токсичный аммоний посредством цикла мочевины, тем самым безопасно избавляясь от него. Успешно избавившись от ионов аммония в мышечных клетках, цикл затем обеспечивает лишенные энергии клетки скелетных мышц глюкозой. Пируват, образованный в результате дезаминирования глутамата в гепатоцитах, подвергается глюконеогенезу с образованием глюкозы, которая затем может поступать в кровоток и транспортироваться в ткань скелетных мышц, обеспечивая ее необходимым источником энергии.

Функция

Цикл Кахилла в конечном счете служит для выведения токсичных ионов аммония из мышечной ткани, а также косвенно обеспечивает энергию, лишенную глюкозой, мышечной ткани. При длительном голодании скелетная мускулатура может разрушаться для использования в качестве источника энергии, дополняющего глюкозу, образующуюся при расщеплении гликогена. Распад аминокислот с разветвленной цепью дает углеродный скелет, используемый для энергетических целей, а также свободные ионы аммония. Однако его присутствие и физиологическое значение у наземных позвоночных, не являющихся млекопитающими, неясны. Например, хотя некоторые рыбы используют аланин в качестве переносчика азота, цикл вряд ли будет происходить из-за более медленной скорости обмена глюкозы и меньшего высвобождения аланина из работающей мышечной ткани. Цикл аланина также выполняет другие функции, такие как переработка углеродных скелетов в скелетных мышцах и печени. Печеночное митохондриальное окисление является ключевым процессом в метаболизме глюкозы и жирных кислот, включающим цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование для генерации АТФ. Понимание факторов, влияющих на печеночное митохондриальное окисление, представляет большой интерес из-за его роли в развитии таких заболеваний, как неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП), неалкогольный стеатогепатит (НАСГ) и сахарный диабет 2 типа. В настоящее время активно исследуется возможность использования регуляторной роли печеночного митохондриального окисления для разработки как таргетных, так и нетаргетных терапевтических средств для этих заболеваний. Гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК) является наиболее распространенной формой рака печени и третьей по распространенности причиной смерти от рака во всем мире. Поиск альтернативных вариантов лечения остается перспективной областью исследований, поскольку существующие методы лечения (хирургия, лучевая терапия, химиотерапия) обычно имеют серьезные побочные эффекты и/или низкую эффективность при ГЦК. Одной из общих характеристик многих новых альтернативных и/или дополнительных методов лечения является нацеленность на клеточный метаболизм раковых клеток из-за их общего гиперметаболического состояния, способствующего быстрому росту и пролиферации. Наряду с потреблением глюкозы значительно быстрее, чем здоровые клетки, раковые клетки в значительной степени полагаются на метаболизм аминокислот для удовлетворения своих высоких потребностей в питательных веществах. Исследователи, участвовавшие в этом исследовании, предположили, что экзогенный аланин, перерабатываемый через цикл глюкоза-аланина, может быть одним из альтернативных источников энергии для клеток ГЦК в среде с дефицитом питательных веществ, и что эту зависимость можно использовать для таргетной терапии. Для экспериментального подтверждения этого клетки ГЦК культивировали in vitro в среде с низким содержанием питательных веществ, а затем добавили аланин. Добавление аланина оказалось достаточным для стимуляции роста клеток ГЦК в этих условиях, явление, известное как метаболическое перепрограммирование. Затем они провели серию экспериментов по сверхэкспрессии и потере функции и определили, что именно глутамил-пируват-трансаминаза 1 (GPT1) является основным изомером GPT, участвующим в обороте аланина в клетках ГЦК, что согласуется с предыдущими данными о том, что GPT1 часто обнаруживается в печени. Далее они обработали метаболически перепрограммированные клетки ГЦК берберином, природным ингибитором GPT1; наблюдалось снижение производства АТФ и, как следствие, замедление роста раковых клеток, снабженных аланином. Их исследование показало, что компоненты цикла глюкоза-аланина, особенно GPT1, могут быть хорошей мишенью для альтернативной терапии ГЦК, и что берберин, как растительный селективный ингибитор GPT1, имеет потенциал для использования в одном из этих новых лекарств. Концепция аланина как альтернативного топлива для раковых клеток была аналогично продемонстрирована в других исследованиях, проведенных на клетках рака поджелудочной железы.

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.