乳酸鹽代謝及其在健康中的關鍵作用

龐廣昌，陳慶森，胡志和

(天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134)

乳酸鹽代謝及其在健康中的關鍵作用

龐廣昌，陳慶森，胡志和

(天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134)

為什么乳酸菌及其發酵食品往往有利于健康？或許這正是由于其產乳酸鹽的作用。乳酸鹽代謝已經得到了生理和生物化學家的廣泛關注。然而，20世紀的前葉，乳酸鹽還一直被作為廢物，特別是作為肌肉疲勞的罪魁禍首。但是最近，越來越多的研究結果證明，乳酸鹽在多細胞有機體中發揮了關鍵性作用。已經證明乳酸有多種生理功能，可以作用于機體的激素釋放、調節多種酶活性，控制機體代謝平衡。此外，這些特性還直接關系到病理作用的發生和發展，如糖尿病和癌癥。乳酸鹽不能簡單地認為是一種厭氧發酵產物，其實更應該把它作為一個調節分子，可以調節和整合多條代謝途徑。雖然乳酸鹽本身并不是一種具氧化還原作用的化合物，但是，它作為一種重要的中間代謝產物參與了糖酵解、生物氧化和生物合成。乳酸鹽在胞漿中由糖酵解途徑合成，通過和丙酮酸之間的互相轉化與NADH/NAD＋偶聯，由乳酸脫氫酶催化。所以乳酸鹽在NADH/NAD＋、pH值、ATP、生物氧化與合成的動態平衡中發揮著重要作用。也正是因為這些生物活性，乳酸鹽已經被廣泛應用于發酵和功能性食品生產、肉類食品質量保護和護色、防癌、抗癌；同時，乳酸鹽還是生理變化、應激和病理評估的理想標志物。

乳酸鹽；代謝；功能性食品；NADH/NAD＋；三磷酸腺苷(ATP)；生物氧化

乳酸菌及其發酵制品在國內外都具有非常古老的應用歷史，作為益生菌和功能性食品也一直在腸道微生態制劑和發酵食品中占有重要席位。盡管乳酸菌中，像瑞士乳桿菌、雙歧桿菌等的生物功能和腸道微生態作用已經得到了大量研究，并已經開發出像酸奶、益生菌制劑及其發酵產物——乳酸菌素等，但是，其多種保健功能的分子機制直到最近才獲得了重大突破。Fukuda等[1]系統研究了雙歧桿菌在腸道中發揮對有害菌的頡抗作用機制。他們將小鼠和某些雙歧桿菌菌株聯合，并用致命性的腸出血性大腸桿菌Escherichia coliO157:H7進行感染，結果證明，當給無菌鼠喂養E.coliO157時，它們將在7d內死亡，但是，如果在接種E.coliO157的7d之前接種Bifidobacterium longumsubsp.LongumJCM 1217T (BL)該鼠就可以免于死亡。相比之下，另一株雙歧桿菌菌株，Bifidobacterium adolescentisJCM1275T (BA)則不能對E.coliO157所誘導的死亡提供保護，盡管條件都是一樣的。研究結果還表明是BL，而不是BA，促進了實驗鼠腸上皮細胞阻止E.coliO157分泌的毒素Stx2進入血液。他們還利用代謝組學方法研究了BL提供保護的分子機制，證明一個編碼ATP-結合-框糖類受體存在于某些雙歧桿菌中，對E.coliO157:H7誘導的死亡產生了保護作用。他們進一步分析保護機制發現：其實正是(至少主要是)雙歧桿菌分泌的乙酸——種普通的短鏈脂肪酸抑制了E.coliO157:H7所分泌的志賀毒素(Shiga toxin)! 乙酸通過腸上皮細胞介導的防御系統對機體提供了保護。從這一結果可以看出，腸道致病菌主要是通過分泌毒素誘發機體的過度炎癥反應，或者破壞胃腸黏膜系統產生致病作用，而益生菌則可能通過分泌小分子配體，通過胃腸黏膜信號系統抑制機體過度的炎癥或者調節機體免疫應答發揮保護作用。可見，我們應該注重研究腸道微生物和食品代謝組學及其于胃腸黏膜受體之間的互作，才能真正搞清楚功能性食品的保健作用機理。

在眾多的發酵食品中，傳統的乳酸發酵食品占有重要一席[2]。根據目前的研究，發酵食品按其發酵產物劃分，可以主要分為：乳酸類、乙醇類和乙酸類。其中乙酸類發酵食品以及短鏈脂肪酸類發酵食品已經證明雖然其不能為機體作為碳源(營養)，但是其抗炎癥作用已經得到了證實，其他保健作用也有很多報道。相反，已經有大量報道證明乙醇類食品中乙醇具有明顯的毒副作用。最近，Langevin等[3]研究了乙醛對DNA的損傷作用和對機體的毒性，并同時證明很多致命性的疾病，如肝病、骨髓癌等正是由乙醛所導致的。需要注意的是：由于很多人缺少乙醛脫氫酶，食用含乙醇的食品以后，不能通過肝臟解毒將其變成沒有毒性的乙酸，而是變成乙醛，對機體造成傷害，如癌癥、骨髓障礙、發育缺陷和致命性酒精綜合征。此前，已有大量研究證明乙醇不僅可以誘發炎癥，還通過干擾一碳代謝，對表觀遺傳性狀產生復雜的損傷作用。所以，我們一直認為，乳酸菌的作用，在很大程度上是由于其所產乳酸鹽的作用，本課題組曾經對口服乳酸后機體所產生的細胞因子變化情況進行了系統研究，證明乳酸的確可以刺激機體(血清中)產生IL-6、IFN-γ、TNF-α、IL-10、IL-4等細胞因子的顯著性變化[4]。事實上，在發酵食品中，只有乳酸發酵產物本身就可以作為機體的重要營養成分，而且已經有大量研究證明：乳酸鹽在機體代謝，特別是機體的氧化還原、pH值平衡和能量代謝中具有關鍵性作用，并有越來越多的研究結果證明，癌癥也正是由于乳酸代謝失調所造成的。本文將對乳酸鹽的重要生理作用進行綜述，并提出觀點和展望。

1 乳酸鹽的穿梭作用

在多細胞生物中，特別是在動物中，組織和器官都需要相互之間的協調并發揮各自不同的功能。一旦這些協調作用失控就會導致疾病。由于每種組織和器官都處于不同的氧氣和營養供應狀態，因此，其呼吸和中心代謝途徑就必將處于不同的氧化還原、pH值和能量狀態。多細胞生物，特別是高等動物必須通過一個循環系統來溝通各個不同的組織和器官之間的氧化還原、pH值和能量平衡。大量研究表明，其中心環節和中間代謝物正是乳酸鹽，乳酸鹽的穿梭作用構成了細胞器之間，細胞之間，組織和器官之間的氧化還原、能量和pH值的協調與平衡[5]，一旦失控就會導致疾病，例如糖尿病和癌癥。

當一個人在運動中耗盡全力時，經常會釋放大量乳酸鹽，這已經是公認的事實。但是高強度運動產生乳酸鹽到底是機體的一種保護性機制，還是一種病理機制已經成為目前研究的熱門課題。這里我們需要更正一個概念：在生理pH值條件下，乳酸(lactic acid)幾乎全部解離為乳酸鹽(lactate)和氫離子，這也正是在英文文獻中使用乳酸鹽而不是用乳酸的主要原因[6]，所以本文主要使用乳酸鹽一詞。

1.1 乳酸鹽在細胞器之間的穿梭作用

線粒體是氧化磷酸化的細胞器，從糖酵解所產生的丙酮酸或者乳酸鹽需要在這里脫羧(生成CO2)并將氫質子的電子經呼吸鏈交給氧生成水，從而保持細胞的中性或弱堿性環境。可見，線粒體要氧化乳酸鹽，就需要乳酸脫氫酶(LDH)及一元酸的運載體(MCT)，果然，這兩種蛋白質已經被鑒定出來[7-8]。已經證明這兩種酶存在于大鼠的心臟和骨骼肌線粒體的內膜和基質中，從而證明了線粒體和胞漿之間的確存在著乳酸鹽的穿梭作用，但是其生物化學意義尚沒有得到完美的解釋。Kline等[9]和Brandt等[10]則進一步證明了乳酸鹽穿梭作用在大鼠肝、腎和心臟線粒體中的存在。而且用分離的肝臟線粒體可以和丙酮酸一樣快速氧化乳酸，所以他們認為在線粒體和胞漿之間的確存在乳酸鹽穿梭。之后不久，肌肉中分離的線粒體對乳酸的氧化能力也得到了證實[11]。近年來大量研究證明了線粒體內乳酸脫氫酶的存在[8]。而且已經將負責線粒體轉運乳酸鹽和丙酮酸的載體定名為MCT1。由于質子及其濃度梯度是乳酸鹽擴散和易化轉運流通所必需的，所以通過氧化除去乳酸鹽是通過氧化和糖異生作用，活躍的線粒體呼吸是乳酸鹽穿梭所必需的[12]。乳酸鹽在糖異生中的作用也已經得到了證實[13]。

除線粒體和胞漿之間的乳酸鹽穿梭之外，似乎還存在其他細胞內的穿梭作用，例如，在胞漿和過氧化物酶體之間存在著一個NADH再氧化系統，它是β-氧化所必需的。從邏輯關系上來看，乳酸鹽顯然具有氧化還原平衡調節作用，乳酸鹽和丙酮酸的跨過氧化物酶體膜的交換就成為必然[14]。應用質子和核磁共振技術(13CNMR)的研究支持體內的確存在著細胞間和細胞內細胞器之間的乳酸鹽穿梭，并表明，在胎兒和嬰幼兒細胞間和細胞內乳酸鹽交流和代謝中發揮重要作用[15]。跟蹤丙酮酸的研究表明，在進入循環后，迅速轉變為乳酸鹽，可能是通過紅細胞的MCT1吸收，并通過LDH進行乳酸鹽和丙酮酸之間的轉換。

1.2 乳酸鹽在細胞間的穿梭作用

乳酸鹽穿梭的概念是由Brooks提出來的[16]，它主要是運用同位素示蹤技術所發現的，后來又結合其他技術，特別是核磁共振技術，對乳酸鹽、葡萄糖和丙酮酸的流通進行了大量研究。對細胞間的乳酸鹽穿梭作用主要有以下幾個方面。

實驗大鼠運動期間的血乳酸鹽動力學。早在1983年，就有科學家利用14C研究了葡萄糖在小鼠靜息和運動狀態中乳糖的互相轉化關系。觀察到乳酸鹽總是產生并很快交換出去，即使在靜息的動物中。在靜息狀態，乳酸鹽的處理率差不多仍然占葡萄糖氧化量的一半，在運動狀態(大鼠的腳踏車運動)將會增加到75%～80%。訓練和技巧對乳酸鹽的產生影響很小。但是訓練可以改變乳酸鹽的清除速率，特別是高運動量訓練中[17]。可見，乳酸鹽是糖元合成與葡萄糖分解的關鍵中間代謝物，也是能量的主要提供者。

人類運動期間的血乳酸鹽動力學。Mazzeo等[18]研究了人類有代表性的運動和長期訓練所產生的葡萄糖和乳酸鹽在海平面和高海拔地區訓練和休息期間的相互作用。結果表明，在休息時仍然有大約一半的乳酸鹽氧化，在運動期間大概有75%～80%。有趣的是，Stanley等[19]對休息和輕松運動(最大運動耗氧量的40%)期間的葡萄糖和乳酸鹽通量進行了比較研究，結果表明，在休息狀態，葡萄糖通量是乳酸通量的兩倍，但是，即使是在輕松運動狀態，乳酸鹽的通量也會達到或者超過葡萄糖的通量。在艱苦的訓練中，乳酸鹽的通量遠遠高于葡萄糖[20]。對乳酸鹽穿梭作用的研究表明，在運動期間，乳酸鹽從肌肉釋放進血液循環中，然后由心臟作為基本燃料消耗[21]。

乳酸鹽的跨膜穿梭。研究表明，乳酸鹽的跨膜運輸是通過一種被稱為一元羧酸的運載體蛋白(monocarboxylate transport proteins，MCTs)進行的，這是一個蛋白家族，在不同的細胞和組織中有不同的表達。最早的乳酸鹽跨膜運輸蛋白分離自大鼠的肌纖維膜囊泡，很快就對其進行了測序[22]。后來發現MCT在哺乳動物不同組織中有多種異構體[23]。特別是Bergman等[20]發現線粒體中也有乳酸鹽轉運蛋白表達，屬于MCT1而不是MCT4[24]。在訓練時，肌纖維膜和線粒體MCT1都會增加，而在肌肉中則隨鍛煉而消失。

乳酸鹽作為糖異生的前體。并非肌肉中所產生的所有乳酸鹽都會立即氧化，所以在鍛煉期間動脈的乳酸鹽會升高。在肌肉中將葡萄糖酵解生成乳酸鹽，從而為肌肉提供能量，所產生的乳酸鹽則可以通過動脈進入心臟和其他氧氣充足的地方氧化，或者通過Cori循環進入肝臟進行糖異生[25]。已經對乳糖作為糖異生的前體進行了大量研究，Trimmer等[26]對乳酸鹽作為前體和其他前體進行了比較研究，證明乳酸鹽作為前體的效率總是最高的，這不僅是在鍛練期間。可見，乳酸鹽不僅僅在能量和氧化還原調節中起重要作用，也是糖異生，特別是鍛煉過程中糖異生的主要前體。但是，這里我們也應該看到，Cori循環似乎是一種“無奈之舉”，通過該循環，只獲得2分子的ATP，而通過2分子的乳酸異生成葡萄糖則需要消耗6分子的ATP。按照目前的認識，往往認為乳酸循環的生理意義在于：避免損失乳酸以及防止因乳酸堆積引起酸中毒。但是如上所述，在休息期間，依然有一半以上的乳酸鹽生成。顯然，大部分乳酸鹽生成并非用來運送到肝臟進行糖異生，而是通過血液循環運送到氧氣充足的器官或組織進行氧化。而且筆者認為乳酸循環絕不僅僅如Cori循環所描述的那樣是為了防止乳酸鹽積累而引起的酸中毒，其主要作用是通過在缺氧的情況下將NADH交給丙酮酸生成乳酸鹽，通過血液循環運送到氧氣充足的組織再進行氧化磷酸化，這樣，1個乳酸鹽的轉移相當于將6對氫質子(NADH)從缺氧的組織運送到氧氣充足的組織進行氧化，同時實現18個ATP的能量轉移。

1.3 乳酸鹽通過循環系統的穿梭作用

本課題組經過對不同的動物和微生物的乳酸代謝通量控制分析，證明了乳酸通量和NADH/NAD＋之間有密切的負相關(血清k＝－8.0129，R2＝0.8975，尚未發表)，因此筆者提出：盡管通過血液循環系統能夠實現營養，特別是氧氣和二氧化碳的交流與交換，通過氧氣調節來實現組織和器官之間的氧化還原、pH值和能量平衡，但是由于動物行為和生命活動的不確定性，必然造成能量使用、供氧、排除二氧化碳的不平衡，特別是骨骼肌等運動使機體處于不同代謝狀態，為了保持細胞內的細胞器之間以及多細胞生物細胞或組織之間的氧化還原(還原力)、合成與分解輔酶(NADH/NADPH)、pH值以及能量(能荷)的交流與平衡，機體必需通過乳酸鹽和丙酮酸之間的相互轉換在細胞器之間，通過循環系統在細胞、組織與器官之間的穿梭和循環來實現，顯然，乳酸鹽是最佳候選者，理由是：機體的氧化還原狀態、pH值和能荷必需保持基本恒定，否則就會得病，甚至死亡，而其他中間代謝產物，如丙酮酸等又必需處于動態平衡之中，改變其中的任何一個代謝中間物的濃度，都會對整個代謝網絡產生復雜的影響，只有乳酸鹽，它是一個所謂“盲路”途徑所生成的“產物”(在乳酸菌中就是終產物)，而且可以以離子形式存在于細胞內外，特別是血液中，并可以進行不斷地循環。從進化的角度來分析，乳酸菌是一系列分泌乳酸鹽的微生物的總稱，本身就是一個完整的細胞，完整的代謝和生命活動單元，可以在有氧和缺氧兩種條件下進行代謝和繁衍，同時，乳酸鹽就順理成章地構成了多細胞生物處在不同狀態下的細胞代謝必需解決的氧化還原、pH值和能量之間協調的關鍵控制分子。顯然，乳酸鹽不僅僅是一種營養物質，同時它的循環和穿梭作用是構成多細胞生物氧化還原、能量和物質代謝、酸堿平衡、合成與分解的基本條件。乳酸循環和穿梭失控就會造成代謝性疾病，甚至癌癥。

2 乳酸鹽在能量平衡中的作用

乳酸鹽是在氧氣不足時為機體緊急供能的唯一代謝途徑。生醇和生乙酸發酵雖然也可以在厭氧環境中為細胞提供能量，但是那只是在某些微生物或植物中。而且機體如果以乳酸鹽的形式提供能量，還可以將所生成的乳酸鹽通過循環系統運送到氧氣充足的地方，或在生物休息或者睡眠過程中重新轉化為丙酮酸，甚至直接在線粒體中進行氧化。由于多細胞生物不可能保證任何位置或組織總是處于相同的氧氣供應或者能耗恒定的情況下，所以多細胞生物的供能必需解決好細胞器之間以及細胞和組織之間的能荷與供氧，氧化磷酸化和底物磷酸化的調節與控制。在中心代謝途徑中，雖然底物磷酸化分別發生在糖酵解途徑和三羧酸循環中，但是三羧酸循環的底物磷酸化生成的是GTP而不是ATP，GTP雖然在一定的條件下可以實現和ATP的互相轉化，但是GTP及其衍生物在代謝中具有不同的功能，如蛋白質合成，信號傳遞等，它本身并不是能荷。因此，乳酸鹽/丙酮酸與NADH/NAD＋的協調為多細胞的能量供應和氧化呼吸；乳酸鹽的糖異生作用也為葡萄糖的合成與分解平衡提供了唯一可行的代謝途徑。

2.1 乳酸鹽與腦神經元供能

哺乳動物腦能量的主要來源是葡萄糖，其主要能量消耗者是神經元，所以對于腦能量代謝的傳統認識是：葡萄糖優先被消耗。但是，在葡萄糖和能量生產之間尚有幾個反應步驟，而這些步驟并不一定發生在同一細胞中。一個選擇性模型假設優先由星形膠質細胞吸收，然后降解成乳酸鹽，輸出到神經元再被氧化供能。越來越多的研究結果表明，乳酸鹽不僅可以為神經元提供能量，它還是一種信號分子，具有Na＋傳感器[27]、葡萄糖傳感器[28]以及神經元神經膠質激活及其與血管張力的偶聯作用[29]。2010年，Barros 等[30]討論了葡萄糖和乳酸鹽在興奮樹突區域的動力學及其轉運機制。

葡萄糖在進入神經元和星形膠質細胞之后，首先由己糖激酶進行磷酸化，而且在大腦中該反應是不可逆的，因為這里缺少有效的葡萄糖-6-磷酸活性[31]。這同時意味著星形膠質細胞的糖原在這里不能用來產生葡萄糖，只能以乳酸鹽的形式轉運到神經元，這就是低血糖癥的病因[32]。另一個葡萄糖不能在腦中合成的后果是葡萄糖必須從間隙中進入細胞。葡萄糖和乳糖在相鄰的神經纖維網間質空間區域進行交換[33]，交換是通過隨機擴散，大概30min達到平衡，僅限于1mm的兩個分離空間之間。除這些細胞外的途徑之外，葡萄糖和乳酸鹽也可以通過星形膠質細胞間的縫隙連接到達相鄰區域，并可以通過活化進行調節[34-35]。

圖1 神經纖維網的神經代謝偶聯模型[30]Fig. 1 Modes of neurometabolic coupling in the neuropil[30]

在大腦中，樹突結構域不僅是信息處理的關鍵，也是最為耗能的區域，這主要歸因于跨突觸后膜離子梯度的保持作用，因為該梯度在樹突激活期間將不斷地被打破。樹突區域的能量供應，以及神經元和神經膠質細胞的燃料分布十分復雜，而且是一個高度控制過程。介導神經元和星形膠質細胞區域之間的葡萄糖和乳酸鹽運轉的蛋白越來越顯示出地域性能量流通調控的關鍵作用，我們需要查明高度區域化的葡萄糖和乳酸鹽濃度的時空記錄、細胞內外的時空分布，以便弄清楚葡萄糖和乳酸鹽濃度、流通及其與運載體的關系與控制方式。

圖2 在樹突激活時，神經元優先吸收乳酸鹽以應答之[30]Fig. 2 Preferential uptake of lactate by neurons in response to synaptic activity[30]

樹突激活產生局域性酸化，優先驅動乳酸鹽吸收并進入神經元。這是由于樹突后的定位及MCT2的高乳酸鹽親和力所致，而星形膠質細胞MCT1異構體則定位于遠端，并顯示出比MCT2低的乳酸鹽親和力。

2.2 乳酸鹽與能量平衡

在許多脊椎動物中，能量的供應主要依賴于脂肪、糖類和蛋白質的分解代謝。燃料的選擇與機體的運動強度密切相關[36]。在休息或中等強度運動狀態下，脂肪氧化是ATP的主要來源，而隨著運動強度的增加，碳水化合物氧化供能加大，乳酸鹽的凈生成也隨即發生。亦即升高葡萄糖可以刺激胰島素的分泌，而胰島素則可以抑制脂肪組織的脂肪酸釋放，從而導致碳水化合物的優先使用；相反，當血漿脂肪酸水平升高(饑餓，低胰島素)時，脂肪酸將取代葡萄糖被優先氧化[37]。已經有研究證明[38-39]乳酸鹽可以下調脂肪酸的轉運，限制機體對脂肪酸的攝取，從而對燃料轉換起調節作用，由于乳酸鹽在糖酵解和氧化磷酸化的協調中起關鍵性作用，乳酸鹽本身又可以通過循環系統作為一種燃料而再利用，因此乳酸鹽在機體能量平衡中發揮了重要的協調作用。

有氧氧化，也就是氧化磷酸化是細胞獲得能量的最佳途徑，在這個分解代謝途徑中所脫出的氫質子通過氧化呼吸鏈交給氧生成水，同時通過線粒體內膜的跨膜pH值梯度驅動ATP的生成。這個過程一方面偶聯了NADH/NAD＋，驅動了高能化合物的形成，又使得有機酸氧化脫羧所形成的氫質子氧化成中性無毒產物——水，從而偶聯了pH值平衡，這也是在生物反應器系統中通過溶氧控制pH值的原理和依據。但是，作為多細胞生物，特別是動物，其物質代謝、氧化還原、能量代謝和pH值在復雜的生命活動中必需實現相互協調和動態平衡，因此在食物、營養吸收、整體和細胞呼吸以及生命活動之間必需建立起一個和諧的循環系統。其中一個重要的分子就是乳酸鹽。乳酸鹽是偶聯機體能量代謝、合成與分解代謝、氧化還原狀態、pH值平衡的關鍵分子，如圖3所示。乳酸鹽通過血液循環系統溝通和調節機體各組織器官的能量、物質代謝、氧化還原和p H值。

圖3 乳酸鹽的重要生理作用Fig.3 Important physiological roles of lactate in the body

2.3 乳酸鹽與運動

早在1808年，Berzelius等[40]在疲勞的動物肌肉中就發現：劇烈運動過程中乳酸鹽的積累與肌肉的疲勞程度之間有密切聯系，而且肌肉力量的喪失與肌肉內pH值的下降有關，從而認定乳酸鹽是衡量肌肉運動強度與疲勞程度的一個主要標志，即在肌肉強烈活動下，“代謝廢棄產物”——乳酸鹽的積累導致了肌肉的酸中毒，造成肌肉疲勞。然而，大量研究結果已經使科學家對上述觀點產生了質疑。Westerblad等[41]的研究表明，在肌肉疲勞過程中，由于磷酸肌酸分解而釋放的無機磷酸和ATP分解高能鍵的過程中所釋放的質子，才是造成肌肉疲勞的主要原因。Nielsen等[42]認為，恰恰相反，乳酸鹽很可能對肌肉起到了保護作用。在高強度鍛煉時，肌肉中產生的乳酸鹽可以平衡胞外高濃度的K＋所產生的肌肉收縮抑制，使肌肉免受損傷。乳酸鹽還可以通過向神經細胞發出信號以表明運動的強度，造成疼痛感，從而使肌肉或其他器官在發生損傷前減少或終止運動。可見乳酸鹽是機體在氧氣供應不足，或者氧化磷酸化受限時所做出的應激性反應，它在為局部組織或器官提供必要的能量支持的同時，通過循環系統將乳酸鹽運送到氧氣充足的地方再進行氧化磷酸化，并保證pH值的穩定性。

2.4 乳酸鹽與細胞增殖

細胞增殖的基本條件是能量和各種大分子的合成。細胞增殖需要ATP、NADP(H)、核糖和各種碳骨架、氨基酸等。其核心是葡萄糖分解所獲得的還原力、碳骨架和NADP(H)用于生物合成而不是通過TCA循環和氧化呼吸鏈徹底分解為CO2和水。已知生物合成需要的NADP (H)來源于蘋果酸脫氫酶、戊糖途徑和轉氨酶，其中蘋果酸脫氫酶和轉氨酶可以實現NAD(H)和NADP(H)之間的轉化[43]。而三羧酸循環是一個分解循環，要進入合成和轉化途徑必需從糖酵解和三羧酸循環中跳出來，并形成氧化還原、pH值和能量的穩定與平衡。顯然，控制細胞的呼吸作用成了細胞增殖的關鍵，而大量的葡萄糖分解所產生的NADH在線粒體氧化呼吸受控的情況下就只能將NADH交還給丙酮酸生成乳酸鹽，通過血液循環到其他部位呼吸氧化，或者作為生物合成的原料。

早在20世紀20年代，Warburg等[44]就發現，腫瘤細胞在有氧條件下依然進行大量的糖酵解產生乳酸的代謝，而著名的巴斯德效應(Pasteur effect)則是在通氧的條件下葡萄糖消耗減少，抑制發酵產物積累[45]。顯然腫瘤具有反巴斯德效應，也就是瓦氏(Warburg)效應。后來的研究表明，細胞在增殖過程中都會進行乳酸鹽的合成與分泌，因為生成乳酸鹽是細胞合成代謝所必需的基本條件。但是，所有的腫瘤細胞都表現出顯著的瓦氏效應，因為腫瘤要實現不斷的大分子的生物合成就需要大量的葡萄糖消耗，限制其通過正常的TCA循環和氧化磷酸化的徹底氧化，“劫持”TCA循環用以合成氨基酸，通過戊糖途徑和蘋果酸脫氫酶為大分子合成提供碳骨架核NADPH，與此同時，還必需為其提供大量的ATP作為驅動力。大量的ATP產生按照正常細胞則需要足夠的氧氣供應，而腫瘤的快速生長和血液供氧需求就迫使其一方面激活新血管生成，另一方面通過產乳酸鹽將不能被氧化的NADH交給丙酮酸轉運到血管周圍氧氣充足的區域進行氧化，從而形成一個自我調節與平衡的區域性代謝網絡。解決因供氧不足，大量分解葡萄糖合成大分子所形成的腫瘤核心部位的pH值下降(酸化)以及過量NADH所造成的氧化還原失衡問題，如圖4、5所示。可見，這同時為我們弄清楚腫瘤的發生、發展和轉移機理，尋找更多的抗癌藥物靶點提供了重要方法、途徑和靶點。最近，Hanahan等[46]提出：癌癥發生、發展和轉移的過程涉及到一系列復雜的代謝變化及其微環境的協調與進化。癌癥發生過程不僅要解決代謝網絡在時空上的協調關系，在其基因組和組織結構上也需要產生復雜的變化，形成基因組、轉錄組和表觀基因組等各層次上的異質性和協同性。所以傳統的針對癌基因或以癌基因的單靶點抗癌藥物篩選越來越顯示出其明顯的缺陷。而針對代謝網絡和控制的研究，因其涉及到中心代謝途徑，特別是合成與分解代謝、氧化還原和能量代謝等腫瘤發生、發展和轉移等基本問題，正在成為新的防癌和抗癌途徑。

圖4 腫瘤細胞代謝生物化學[47]Fig. 4 Biochemistry of cancer cell metabolism[47]

葡萄糖進入細胞后經過糖酵解轉變為丙酮酸。在正常的細胞中，如果氧氣充足，丙酮酸經過TCA循環、呼吸和氧化磷酸化徹底氧化。然而，如果氧氣很少，丙酮酸就會反轉為乳酸鹽進入胞漿。癌細胞就是在有氧的情況下照樣驅動丙酮酸轉變為乳酸鹽。其營養成分——谷氨酰胺的代謝在癌細胞中也被更改。轉錄因子-HIF (圖4淺圓)和MYC (圖4深圓)在這些代謝途徑的多步反應中都有作用，成為新的靶點。

圖5 癌細胞所介導的線粒體偶聯有氧酵解[48]Fig.5 Mitochondrial uncoupling mediates the metabolic shift to aerobic glycolysis in cancer cells[48]

3 乳酸鹽在機體氧化還原平衡中的作用

乳酸鹽作為一種代謝產物在各個層次上的穿梭作用，使其成為調節機體細胞內、細胞間和組織與器官間氧化還原平衡的關鍵分子。乳酸鹽在缺氧或者氧化呼吸鏈受限的情況下，可以作為NADH庫，或者“運載體”，通過體液系統(循環系統)運送到其他區域再進行氧化或者進行糖異生作用。

圖6 乳酸鹽作為NADH 庫和運載體的功能Fig. 6 Lactate acts as NADH pool and its transporter

乳酸鹽在缺氧時儲存NADH，避免機體處于過度還原的狀態，在不同組織之間運送氫質子，每運送1個分子的乳酸鹽相當于從A組織運載了6對氫質子到B組織進行氧化，同時相當于轉運18個分子的ATP。

由此可見，乳酸鹽對于維護機體不同供氧、合成與分解代謝條件下的還原力及其動態平衡至關重要。研究表明，乳酸鹽的形成和循環是多細胞生理代謝的必然需求，即使在休息狀態，乳酸鹽的處理率差不多占葡萄糖氧化量的一半，在運動狀態(大鼠的腳踏車運動)將會增加到75%～80%，因為這是機體代謝的必然結果。腫瘤只不過是利用了乳酸鹽的這些作用，實現了其“獨立王國”式的惡性繁殖而已。

4 乳酸鹽在機體pH值調節中的作用

在所有發酵過程中，氧氣供應不足時，就會造成系統的pH值降低，并可以通過提高溶氧來進行調節。這一規律也適應于動物細胞培養，因為細胞繁殖所需要的能量和中間代謝產物都需要通過氧化分解代謝來實現。這一氧化分解過程在厭氧的條件下只能產生有機酸和脫氫，所產生的酸就會引起pH值的下降，而所脫出的氫質子如果積累就會造成系統的還原性增加。后者要比前者對細胞的傷害更大，所以細胞只能把脫出來的氫再交回，產生有機酸。其結果是進一步引起酸化。在氧氣供應充足時，有機酸可以進一步通過TCA循環徹底氧化為CO2，脫出的氫則可以通過氧化呼吸鏈交給氧生成水，從而避免厭氧所造成的酸化作用。當然對于復雜的動物機體，還需要通過血液循環系統將CO2排出體外，才能徹底避免分解代謝的酸化作用。顯然動物要避免酸化作用，除及時排出CO2之外，還必需通過適當的載體運送供氧和代謝在時空上的不平衡或者應激狀態所形成的超過線粒體氧化呼吸能力的部分氫質子和有機酸，其中最佳候選者就是乳酸鹽。乳酸鹽既可以接受NADH，本身也是一種有機酸，可以通過形成乳酸鹽的形式進行細胞內、細胞間和整個機體的穿梭。機體在缺氧、損傷、運動、應激和各種病理條件下就會增加血中的乳酸鹽的通量。

4.1 乳酸鹽和pH值在時空分布上具有協同性

大量研究表明，腫瘤的一個普遍的特點是酸化的胞外pH值，顯然這是由于其大量的合成代謝占用了TCA循環，其缺氧狀態和其他復雜的因素抑制了氧化磷酸化。正常細胞，其細胞內的pH值為7.1～7.2，略低于細胞外圍繞液體的pH值(大約為7.4)。在腫瘤細胞中，則形成一個相反的跨膜pH值梯度：pH值高于7.3[49]，而細胞外的pH值卻只有6.4～7.0[50-51]。這些胞外的H＋主要來自腫瘤細胞用乳酸鹽換取葡萄糖的過程：C6H12O6＝2C3H5O3－＋2H＋[52]。在穩定的狀態下，乳酸鹽必需以其生成相同的速度離開細胞。其pH值梯度就構成了離開腫瘤細胞的驅動力。乳酸鹽的運輸需要協同運輸蛋白——MCT。已經證明異構體MCT1 (SLC16A1)和 MCT4 (SLC16A3)在很多腫瘤中都會上調[53]。

大量的研究結果證明，在腫瘤的邊緣出現Na＋/H＋交換蛋白-1(Na＋/H＋exchanger，NHE)，表明H＋借助NHE1從腫瘤內部擴散到其邊緣的胞外空間。最近，Grillon等[54]研究了大鼠腦瘤不同部位乳酸鹽和質子的時空和組織分布，發現NHE1和MCT1都參與了神經膠質瘤中乳酸鹽的交換與轉運，而乳酸鹽的產生有利于腫瘤，因為它的凈合成創造了腫瘤細胞內外的pH值微環境。乳酸鹽與pH值的協同作用見圖7。

圖7 神經膠質瘤中的乳酸鹽及MCT1和NHE1對pH值分布的作用[54]Fig.7 Roles of lactate, MCT1 and NHE1 in pH distribution in glioma[54]

4.2 乳酸鹽和細胞內的pH值控制

最近研究表明，有氧酵解在細胞增殖、腫瘤發生和癌變中具有重要作用。顯然，這是由于細胞增殖需要大量的合成代謝所造成的。因為合成代謝需要大量的碳骨架、ATP和NADPH，需要利用TCA循環中的部分途徑、轉氨作用和戊糖途徑，其氧化磷酸化能力受阻，或者遠遠不能滿足ATP的需求。而有氧酵解勢必造成細胞內的pH值的變化。特別是，線粒體中氧化磷酸化驅動ATP合成酶合成ATP的過程需要pH值梯度，驅動有氧酵解則需要堿性pH值。這就可能形成癌細胞中細胞漿呈堿性pH值，而線粒體責呈酸性。已經有大量研究表明，細胞漿的堿性化可能是激活有氧酵解的主要原因[54]。腫瘤細胞，已知具有高有氧酵解活性，其細胞漿的pH值會增高0.13～0.45，也就是pH7.12～7.65，而正常細胞為pH6.99～7.20。生長因子誘導的正常細胞增生也與細胞漿的堿性化有聯系(Na＋/H＋逆向運轉)，因為細胞的增殖也需要更多的合成代謝，增加有氧酵解率。由于有氧酵解可能會導致細胞外環間的酸化(pH6.2～6.9，正常pH值為：7.3～7.4)，所以腫瘤細胞的內外存在一個pH值差，其作用機制如圖8所示。

圖8 線粒體膜外部含有的依賴于離子通道和H+的電勢差[54]Fig.8 Outer mitochondrial membrane (OMM) contains voltage dependent anion channels (VDAC) that make this membrane permeable to H+[54]

胞漿中H＋的減少，也就是胞漿堿性化是在膜間腔中H＋的濃度減少所造成的。這就減少了線粒體內膜H＋的電化學劑量和跨膜梯度(IMM)，從而減少了H＋通過ATP合成酶進入基質的能力，也就是減少了丙酮酸和磷酸向基質中的轉移，最終減少了氧化磷酸化產生ATP。細胞內的堿性化還可以通過誘導己糖激酶(HK)結合與離子通道(VDAC)的結合抑制氧化磷酸化，從而誘導VDAC的關閉，線粒體活性抑制。

5 乳酸鹽的信號傳遞作用

早在19世紀，生理學家和生物化學家就已經觀察到動物肌肉中乳酸鹽的存在。一直以來，乳酸鹽的作用被作為廢物并被認定為運動疲勞所產生的毒副作用成分。但是，近來的證據表明，乳酸鹽不僅是一種活性中間代謝產物，而且可以在細胞內不同細胞器之間、細胞之間、組織和器官之間進行穿梭，既可以返回到丙酮酸發揮燃料作用，也可以異化生成葡萄糖。所以人們意識到，乳酸的作用似乎不簡單，可能在代謝，系統和細胞水平上發揮重要的調節作用[54]。例如，是否乳酸鹽會對特異性的組織發揮代謝信號作用？或者成為代謝控制的類激素分子？還有，乳酸鹽是否具有整體上協調交感神經、副交感神經系統的控制作用？甚至于乳酸鹽是否在肌肉收縮過程中具有維護肌肉生理功能的作用？乳酸鹽作為信號傳遞化合物的假說源自對細胞和整體的調查分析與研究。已經有大量研究證明，乳酸鹽具有進出細胞甚至細胞器的能力和機制，其運載體是一個MCT家族，從而形成一個多層次的穿梭系統。而且，乳酸鹽還可以在特異性乳酸脫氫酶(不同的異構體)的催化下與丙酮酸互相轉化，從而形成一個具有高度適應能力的代謝中間化合物系統。

5.1 乳酸鹽作為信號分子：氧化還原信號傳遞

當乳酸鹽被氧化為丙酮酸時，就改變了細胞的氧化還原平衡，因此，在細胞的各空間中，乳酸鹽的產生和去除代表著一個重要的信號傳遞機制，因為這意味著該空間中氧化還原電勢的改變。乳酸鹽的替代也表明了高能化合物的下調。當機體運動時，其動脈乳酸鹽就會升高，這是因為心臟在用葡萄糖作“燃料”，增加了高能底物的使用。研究發現[55]，當機體休息和運動時，動脈乳酸鹽升高4mmol/L，葡萄糖的氧化就按照化學計量減少其氧化和消耗。

在游離脂肪酸(FFA)的動員方面，在運動生理學中，酸中毒對脂類分解的抑制作用一直被認定當高強度運動時，動脈血中的乳酸鹽上升，而游離脂肪酸下降[56]。但是，最近，Liu Changlu等[57]的研究表明，乳酸鹽抑制脂肪細胞中的脂肪分解，這個過程是通過一個單獨的G-蛋白偶聯受體(GPR81)激活，從而作為乳酸鹽的傳感器，抑制脂肪酸分解。關于游離脂肪酸的氧化，已經廣泛認為：當運動強度增加時，動脈乳酸鹽升高，FFA氧化因質量作用(定律)和氧化還原控制而下降[58]。在肌肉收縮期間，酵解被加速，酵解產物乳酸鹽與丙酮酸的比例升高。在休息狀態，肌肉和靜脈中的[La－]/[Pyr－]流出差不多達到10，和中等強度的運動相比其比例高出一個數量級以上[59]。由于一元酸可以控制底物進入線粒體基質，升高乙酰-CoA，因此控制丙二酰-CoA形成。丙二酰-CoA通過抑制肉毒堿棕櫚酰轉移酶-1(CPT-1)抑制活化的FFA進入線粒體基質。同樣，乙酰-CoA的積累下調β-酮硫解酶活性，終止并按比例限制線粒體的β-氧化途徑，該途徑對氧化還原和底物抑制敏感。

5.2 乳酸鹽對基因表達的作用

除通過氧化還原調節短期的代謝控制以外，乳酸鹽還具有對基因表達調控的長期作用。已經證明，耐力訓練具有刺激線粒體生物合成的作用。也有研究表明耐力訓練可以增強MCT1的表達，而且MCT1表達的這些變化與線粒體蛋白的水平有關。這些研究結果使我們不得不得出乳酸鹽對自身代謝具有信號傳遞作用的結論。一元酸轉運蛋白異構體(如：MCT1)是一種液體轉運載體的基因超家族。其中第一個成員被命名為MCT1，是在1994年被發現的[60]。 該家族中的前4個異構體成員都是乳酸鹽、丙酮酸運載體。當然，MCT1 (SLC16A1)是最廣泛的一個成員，在多種細胞和組織中表達，從神經元到紅細胞和精子[61]。而且，MCT1也在不同的細胞結構域中表達。在肌肉中，包括胞漿、線粒體和過氧化物酶體[14]膜中都有表達。有科學家研究了M CT1 mRNA和蛋白水平及其與內源性乳酸鹽對應關系，證明乳酸鹽的確可以在轉錄水平上調節MCT1的表達[63]。有人用培養的L6細胞研究了乳酸鹽信號傳遞作用機制，追蹤它和反應性氧(ROS)的關系，也有人研究了乳酸鹽在傷口愈合過程中升高的規律，結果進一步證實了乳酸鹽對MCT1基因啟動子的調控作用，同時表明對已知的ROS-應答因子，如cAMP應答元件結合蛋白 (CREB)、核因子-κB (NF-κB)、活化蛋白-1(AP-1)、刺激蛋白-1 (SP-1)和核因子網織紅細胞2 (NF-E2或Neff)都有調控作用。為了證實乳酸鹽是否作為ROS誘發因子，科學家測定了L16細胞在20mmol/L乳酸鹽存在時所產生的H2O2，結果表明，高葡萄糖和乳酸鹽的確都可以對應性地增加過氧化氫的產生，也具有產生ROS的作用。在離體培養的肌細胞中，乳酸鹽也具有產生ROS的作用，而且，乳酸鹽還可以增加L6細胞的MCT1基因的表達，以及ROS-敏感性轉錄因子的活性，增加NF-κB DNA結合活性。同樣，還可以增加NF-E2 DNA結合活性[62]。但是沒有檢測到它對AP-1和SP-1的作用。因此，NF-κB和NF-E2的DNA結合主要是對氧化應激所做出的應答。

由于細胞色素氧化酶(COX)是電子傳遞鏈的“終點站”，所以乳酸脫氫酶(LDH)和MCT1可能組成一個線粒體乳酸氧化復合物(LOX)，決定了20mmol/L乳酸鹽對COX和過氧化酶體增生因子活化受體-γ、共激活因子-1α (PGC1α)蛋白的水平，而PGC1α是控制線粒體生成的主要協調者。已經有研究證明，乳酸鹽可以增加L6細胞COX mRNA及其蛋白表達的水平。可見，乳酸鹽可能作為線粒體增殖協同控制因子和PGC1α與轉錄因子相互作用，控制線粒體的基因表達，包括COX、CREB、核呼吸因子 (NRF)-1和NRF-2。由于線粒體是運動生理的重要基礎，所以也有大量研究試圖測定乳酸鹽對線粒體MCT1、COX 和 LDH的作用，結果表明，線粒體的動力學變化的確涉及到MCT1和LOX蛋白。相關的信號作用于4個GTPases (Mfn1、Mfn2、OPA1、Drp1)和Fis1[62]。

5.3 乳酸鹽的炎癥和抗炎癥作用

已知乳酸鹽可以誘導胰島素抗性，但是，其機制并未完全清楚。根據目前的研究，乳酸鹽可以增加LPS刺激的炎癥因子基因表達[63]，這些基因包括：細胞因子：GM-CSF (CSF2)、IL-6、TNF-α 和IL-1β；趨化因子如：MCP-1、CXCL10、IL-8。乳酸鹽可以增強巨噬細胞TLR4信號傳遞，這在脂肪細胞胰島素抗性中起重要作用。研究表明，乳酸鹽刺激MD-2，一種TLR4信號傳遞活化輔助受體、NF-κB轉錄活性和人類U937組織細胞(駐留的巨噬細胞)炎癥因子基因的表達，對單核細胞衍生的巨噬細胞也有刺激其炎癥因子基因表達的作用。對其作用機制進行深入研究表明，乳酸鹽誘發炎癥作用可以通過抗氧化處理消除，證明其關鍵是乳酸鹽誘發的反應性氧激活了TLR4。α-氰基-4-羥基肉桂酸是一種典型的一元羧酸載體，它可以阻斷乳酸鹽誘發的炎癥因子基因的表達及其對NF-κB的激活作用，這說明乳酸鹽通過一元羧酸載體的運轉是增強TLR4活性所必需的。但是，本實驗室通過小鼠灌胃、腹腔注射和尾靜脈注射乳酸鹽后，測定其血清中的細胞因子的變化發現，3種條途徑血清中細胞因子IL-4 水平都明顯上升，尾靜脈注射組達到極顯著水平；IL-10在灌胃組顯著性升高，腹腔和尾靜脈注射組有極顯著性升高；對于TNF-α 3條途徑均有極顯著性升高；IL-1β水平在3條途徑都有極顯著性下降；3種給藥途徑與相應的對照組相比，血清中細胞因子IL-6 水平都明顯上升，達到極顯著水平；而IFN-γ的水平只有腹腔注射組有極顯著性升高(P＜0.001)，灌胃和尾靜脈注射組中IFNγ都未檢出[4]。比較上述兩個實驗結果可以看出，實驗結果在IL-6、TNF-α的升高是一致的，而重要的炎癥細胞因子，IL-1β則是相反的，在本課題組的實驗結果中，重要的抗炎癥細胞因子IL-10也是顯著升高的，這顯然是因為Samuvel等[63]的研究是用細胞培養作出的，而我們看到，乳酸鹽的作用是整體的，可以刺激炎癥細胞因子的產生，同時也可以刺激抗炎癥細胞因子，如IL-10的合成與分泌，本課題組一直主張體內和體外實驗是有很大差異的。但是，無論如何，這些研究結果都證明了，乳酸鹽的確具有復雜的信號傳遞作用，尤其是TLRs在胃腸黏膜系統也分布著相應的受體，顯然為乳酸鹽類發酵食品的信號傳遞作用奠定了分子和細胞生物學基礎。

5.4 乳酸鹽對NADH/ NAD＋的作用

本課題組在乳酸通量控制分析的研究中注意到，乳酸和丙酮酸的互換以及乳酸鹽在各個層次上的穿梭作用對NADH/NAD＋具有重要的調節作用，所以筆者認為乳酸鹽實際上就是一個還原力庫。本課題組經過大量的實驗表明，乳酸通量和NADH/NAD＋之間的確有非常緊密的相關性(尚未發表)。這就使我們不難看出，乳酸鹽作為信號分子，其主要信號傳遞功能可能正是通過對還原力的調節及其本身的穿梭作用來實現。事實上，NAD＋的活性一直被作為氧化還原酶的輔助因子，它作用于非常廣泛的蛋白質，包括NAD＋依賴蛋白脫乙酰基酶、多聚合酶(ADP-核糖)和轉錄因子等發揮多種功能。通過這些作用，NAD＋提供了細胞氧化還原狀態和信號控制以及轉錄調節之間的直接聯系。最近的研究證明，特別是在代謝和內分泌中，NAD＋依賴途徑可能對氧化代謝和壽命延長發揮了主要作用[64]。

顯然，乳酸鹽通過和丙酮酸互換，及其在各個層次上的穿梭作用決定了不同細胞、細胞器、組織和器官NADH/NAD＋的動態平衡，從而發揮眾多的生理功能和細胞信號傳遞作用：1)線粒體能量連接轉氨酶和NAD＋/NADH與NADP＋/NADPH氧化還原狀態的控制與調節。由于NAD＋和NADP＋氧化還原對之間是互相配合的，所以轉氨酶反應的平衡常數需要N A D＋和NADP互相配合的氧化還原調節，也就是需要NAD＋/ NADH和NADP＋/NADPH的比例控制。有趣的是，轉氨酶催化這一反應需要整合到線粒體膜上，和質子泵活性偶聯在一起[65]。因此，轉氨酶和線粒體的能量產生，以及呼吸鏈的復合物VI聯系在一起。就像線粒體的F0F1-ATP酶 (復合物V)一樣，轉氨酶由質子泵通過跨線粒體膜的質子梯度驅動，并通過驅動NADH＋NADP＋←→NAD＋+NADPH平衡來加以控制。轉氨酶和質子泵的偶聯解釋了為什么線粒體NADP(H)-氧化還原狀態總是和線粒體的NAD(H)氧化還原狀態相適應的原因(圖9)。2)線粒體和細胞漿之間的NAD(H)-氧化還原控制。線粒體和胞漿NAD(H)-氧化還原狀態是NAD＋的再生中多步驟反應的最終結果，包括：糖原分解酶催化葡萄糖分解為丙酮酸；線粒體膜上的丙酮酸運載體和丙酮酸脫氫酶復合物；檸檬酸循環；呼吸鏈；3)N AD＋作為信號分子。在動物中有3個家族的酶由NAD(H)控制：包括：抗衰老酶(sirtuins，后來發現，其實質是一個組蛋白脫乙酰基酶家族)、ADP-核糖轉移酶(包括PARPs和ADP (cADP)-核糖合成酶)。這些NAD(H)-依賴酶不僅具有重要的代謝調控作用，而且在能量代謝、細胞生存和老化，特別是表觀遺傳修飾中發揮重要作用。已經有人提出：NAD(H)的消耗，主要是抗衰老酶的作用，可以用作依賴于NAD(H)的能量傳感器，并能夠用于引發適應性應答。4)動物中消耗NAD＋的酶——Sirtuins。Sirtuins是一個NAD＋依賴蛋白脫乙酰基酶家族，和酵母菌的沉默信息調控子-2(silent information regulator 2，Sir2)很相似。實際上，Sirtuins主要催化組蛋白的賴氨酸殘基乙酰化修飾的逆反應——脫乙酰基反應，但是，并不像以前發現的另一種組蛋白脫乙酰基酶，因為它需要消耗NAD＋，釋放NAM、O-乙酰ADP核糖和脫去乙酰基的底物[66]。科學家之所以對酵母菌的Sir2感興趣，主要是因為它和轉錄沉默作用有關，而且這一作用與酵母菌的老化和衰老有關。1999年，Kaeberlein等[67]報道了增加Sir2的拷貝數可以嚴懲酵母菌壽命30%，而切除Sir2基因則具有縮短壽命50%的作用。脫乙酰基酶活性對NAD＋的依賴性促使科學家提出假說認為：Sir2可能作為一個代謝傳感器，具有按照細胞代謝狀態調節基因表達的能力[68]。作為該假說的證據，已經有一系列的研究表明，Sir2可能正是通過對卡值(能量)限制的關鍵性控制對壽命起作用[69-70]。在動物中，有7個Sir2系列已經得到研究，命名為：SIRT1～7，這些酶普遍表達，含有一個保守的催化中心，包含275個氨基酸殘基[71]。5) NAD＋依賴性Sirtuins信號傳遞所產生的生物學作用。在所有的哺乳動物Sirtuins中，Sirt1是目前研究最多的一種。一般情況下，Sirt1在能量應激的情況下被活化，例如禁食、訓練、或低葡萄糖，與此同時，細胞內的NAD＋水平也會增加[72-73]。雖然我們對哺乳動物的Sirt1仍知之甚少，但是它和代謝平衡的緊密聯系是很清楚的。Sirt1依賴于NAD＋的轉錄調節和組蛋白修飾作用也已經得到了大量研究。

圖9 能量與轉氨酶和氧化還原狀態的連接[73]Fig.9 Linkage between energy and transhydrogenase or redox state[73]

圖9中復合物VI，主要是連接能量和轉氨酶催化的反應： NADH＋NADP＋←→NAD＋＋NADPH。事實上，復合物VI 有跨線粒體膜的質子梯度驅動。就像F1F0-ATP酶一樣驅動轉氨酶反應。轉氨酶的反應實際上是單向的(NADH＋NADP→NAD＋＋NADPH)。

6 乳酸鹽的保健作用與應用

根據目前的研究成果，我們認為乳酸菌的益生作用可能主要是乳酸鹽的作用，或者在某種程度上可以認為：所有的現代多細胞高等動物的祖先都是從乳酸菌進化而來。乳酸鹽作為細胞內外和細胞間代謝在氧化還原、質子、合成與分解代謝以及能量平衡等方面的調節和關鍵作用，決定了它在多細胞生物中的中心地位。特別是乳酸鹽在細胞器、細胞內外和循環系統的轉運載體和穿梭作用更使得它可能在多細胞生物的代謝、基因表達調控和整體生命活動中處于核心地位。實際上，人們在長期的生產實際和科學研究中已經廣泛注意到了乳酸鹽的各種有益作用，并對其進行了多方面的開發應用。

6.1 乳酸鹽對食品的保護作用

除乳酸鏈球菌素作為防腐劑以外，乳酸菌本身被用來抑制其他微生物污染和食品防腐已經成為食品界熟知的事實。乳酸鹽本身的防腐作用也早已成為常識，乳酸鈉對很多肉制品，如烤肉、火腿、香腸、雞、鴨類產品和醬鹵制品等的防腐作用的利用由來已久。但是其防腐作用的分子機制直到最近才逐漸顯現出來。Mohan等[74]調查了糖酵解和三羧酸循環中幾種中間代謝物乳酸鹽、蘋果酸和丙酮酸對牛肉，特別是肌紅蛋白的氧化還原和護色防腐作用，證明乳酸對半腱肌和腰肌的護色保鮮作用最有效，表明這些代謝中間產物可以有效延長后僵期肌肉貨架期，保護顏色，有效減少肌紅蛋白氧化，增加肌紅蛋白的還原性和穩定性。最近，Ramanathan等[75]利用乳酸鹽等代謝中間產物對牛肉最長肌的護色作用進行了研究，結果證明，給腰方肌注射琥珀酸、丙酮酸和乳酸鹽可以提高肌肉的pH值，這3種化合物可以在貯存和高氧包裝期間增加牛排的色澤穩定性。這些研究證明，乳酸鹽的確可以通過增強在失去血液循環和氧化呼吸能力的情況下發揮積累NADH，保護肌肉免受氧化退色的作用。

6.2 瓦氏效應，營養與癌癥

按照瓦氏效應，腫瘤組織和正常組織相比，對葡萄糖有更大的依賴性，癌細胞將葡萄糖通過戊糖途徑、三羧酸循環和有氧發酵生成乳酸為其不間斷的合成代謝提供NADH、中間代謝物和ATP，總體上表現出在有氧的情況下酵解生成大量乳酸鹽。為了達到這些目的，癌細胞必須顯著提高葡萄糖的吸收、轉運和乳酸生成與排出。與此同時，就需要相關活性調節和代謝途徑關鍵酶的過量表達[76]。顯然我們可以利用腫瘤細胞的這些特性和適合的靶標來篩選抗癌藥物。早在1 8 8 5年，Freund[77]就觀察到癌癥病人可能會發展成自發的高血糖癥，所以人們一直致力于通過適當的營養來改變葡萄糖代謝治療癌癥。后來，在1924年，Krebsforsch等[78]總結了當時的發現：“富含碳水化合物的營養可以顯著刺激腫瘤的生長”。腫瘤的另一個顯著特點是增加胰島素的抗性[79]和脂肪酸的氧化[80]。相反，腫瘤細胞常常缺少應用脂肪酸或酮體 (乙酰乙酸、β-羥丁酸)作為碳(能)源的能力，甚至會遭到這些化合物的傷害[81]。因此促進機體的脂肪酸代謝抑制葡萄糖代謝有可能抑制腫瘤的發展。低卡值/高脂肪(low carb /high fat，LCHF) 飲食以及嚴格限制碳水化合物生酮的營養符合這一目的。這里，酮體是由肝臟氧化脂肪酸的中間代謝產物。它可以在完全沒有碳水化合物的情況下替代葡萄糖作為健康組織，包括大腦的能源。早在20世紀20年代，生酮營養就被用來治療兒童癲癇[82]。最近，運用酮體作為碳水化合物的營養食品已經大量用于抗癲癇治療，沒有發現任何副作用[83-84]。1995年，兩個女性兒科晚期星形細胞瘤患者用基于中等長度脂肪鏈甘油三酯(MCT)作為脂肪營養的KD食品進行了治療，兩個病人的腫瘤的葡萄糖吸收顯著減少，其中一人經歷了12個月沒有進一步發展，10年以后依然健在[85]。已經有研究證明，減少卡值的KD食品可以顯著地縮小小鼠腦癌，還有報道說，一個女性惡性膠質瘤患者也得到了很好的治療，但是伴隨著體質量的明顯下降[86]。早就有研究表明酮體，β-羥丁酸可以在離體的條件下抑制一些腫瘤細胞的生長[87]。已經有研究證明，β-羥丁酸和乙酰乙酸可以抑制結腸和乳腺癌細胞系[88]，以及神經細胞瘤。最近的研究表明，KD食品可以顯著縮小腫瘤的體積，并增加小鼠前列腺癌癥模型生存期[89]。另外，富含ω-3脂肪酸的食品，即使不含酮體也已經表明具有降低腫瘤生長和腫瘤細胞繁殖率的作用[90]。有人將無限制的酮體營養用ω-3脂肪酸進行強化，結果有效拖延了模型小鼠的腫瘤生長[91]。最近，Schmidt等[92]進行了部分志愿者的臨床研究，結果表明，KD的確適合于癌癥治療，也包括晚期癌癥病人，沒有任何副作用，有效改善了病情，改進了生活質量。可以看到，根據癌細胞和腫瘤細胞的代謝特點，我們可以通過設計對應的營養食品來抑制和防止癌癥發生，也可以用于癌癥和腫瘤的輔助治療。也許在不遠的將來就會證明可以通過乳酸鹽控制和治療癌癥。

6.3 乳酸鹽和體能，富含乳酸鹽的食品或能作為高能食品？

在大宗的發酵食品中，存在3種主要發酵成分：醋酸、乙醇和乳酸鹽。其中只有乳酸鹽是動物的營養成分，而且是一種重要的中間代謝產物。乳酸鹽可以直接進入代謝，經丙酮酸進入TCA循環和氧化呼吸鏈，1個分子的乳酸最多可以產生18個分子的ATP。事實上，機體在休息、勞動、鍛煉和劇烈運動中都會造成各部位對能量需求的變化，而線粒體的呼吸能力受氧氣供應量的控制，在氧氣供應不足或者合成代謝大于分解代謝時都需要不同的氧化呼吸水平。特別是在肌肉收縮時，需要大量的能量，這勢必造成局部能量供應不足，需要大量的ATP補充，造成氧氣臨時短缺，只能通過糖酵解生成乳酸，通過底物磷酸化合成ATP來應急。所生成的乳酸鹽可以通過循環系統運送到其他組織或器官進行氧化。可見乳酸鹽的穿梭和異地氧化能力與機體的運動生理密切相關。已經有一系列運動和血乳酸鹽含量的研究，證明：短期劇烈運動(400m競賽)血乳酸會迅速提高，從進氧量和耗能量的比值可以看出，此時機體的能量一部分來自糖酵解，在停止運動后，血乳酸將很快消失，機體不再通過糖酵解釋放能量，并已經證明這些乳酸主要是通過肌肉、血液、心、腦、肝，特別是肌纖維重新氧化分解，只有少數按照Cori循環進行糖異生作用，但是主要用以補充肌糖原，因為在運動狀態，厭氧酵解的主要葡萄糖來自糖原分解，這樣可以最大程度地提供ATP。與劇烈運動不同，耐受性運動(如馬拉松比賽)則開始血乳酸會升高，短暫的時間(60s)之后血乳酸趨于穩定，這說明此時機體可以通過乳酸鹽的穩定穿梭從氧氣不足的地方循環到其他氧氣充足的地方氧化，機體的能量完全是靠氧化呼吸作用，并沒有明顯的酵解供能[93]。

顯然，乳酸鹽的穿梭、循環和消化能力是機體運動能力的一個非常好的評估指標，一個能夠很快將血乳酸散布和氧化的機體，肯定是一個充滿活力的機體，也是運動能力和運動員體能的一個重要評價指標。不僅如此，已經有大量研究證明，即使在靜息狀態，也有一定的血乳酸通量存在，可見乳酸鹽循環作為機體能量和還原力的動態平衡控制不可能停止運轉，因為機體的各種不同的生理活動不會停止運轉。因此，血乳酸通量指標可能是機體各種應激能力的重要指標[94]，也是機體年齡、健康狀況甚至癌癥病人存活期的重要指標[95]。對于體力勞動者，特別是運動員，其肌纖維和骨骼肌的發達程度與乳酸鹽的消化能力密切相關，勞動和鍛煉可以增強機體乳酸鹽的穿梭和處理能力，因此可以增強其體能。總結上述研究成果，筆者可以大膽提出：富含乳酸鹽的食品，可以作為重要的高能食品，食用富含乳酸鹽的食品不僅可以在短期內直接氧化為機體提供大量能量，而且通過長期適量食用，還可以增強乳酸鹽的循環和處理能力，對于維護機體的生理機能，運動能力，延緩衰老，防癌、抗癌具有一定的保健作用。

7 展 望

對乳酸鹽的研究由來已久，但是過去一直把機體中乳酸鹽的產生作為疲勞，或者病態的象征。但是，近年來的研究已經充分證明，乳酸代謝，特別是乳酸鹽穿梭和循環作用，不僅在多細胞動物的生理生化、合成與分解代謝、能量、氧化還原平衡中具有關鍵性作用，也是機體生理機能，包括健康和疾病的重要標志。正是乳酸鹽的穿梭和循環作用，溝通了整個機體的氧化還原代謝、合成與分解代謝、能量和呼吸協調、生理與生態平衡、發育與分化等生命活動。當機體乳酸鹽代謝、穿梭和循環異常時，恰恰反映了機體在整體協調上出了問題，是機體損傷和病變的結果而不是原因，所以腫瘤細胞和癌細胞往往表現出乳酸代謝和乳酸鹽穿梭與循環異常(如瓦氏效應)，通過相應的研究，對于癌癥的預防和治療可能具有極其重要的意義。

乳酸菌是一系列可以產乳酸鹽的微生物，這些菌中之所以有不少都具有益生作用，可能正是由于其產乳酸鹽的作用。通過控制乳酸代謝、轉運、穿梭和循環進行的腫瘤治療已經取得了長足的進步，特別是通過食品營養成分對乳酸代謝進行控制，也已經在實驗動物和志愿者的臨床實驗中獲得了令人興奮的結果，無疑為我們在不傷害機體正常細胞的前提下攻克腫瘤和癌癥開辟了一條新途徑。今后，我們應該加強相關的代謝組學、代謝網絡和代謝通量控制等方面的研究，在整體和“組學”的層面上揭示機體的生理、病理機制。特別是對乳酸代謝和生理作用的研究，應該著重其整體調節和生理功能的系統研究，特別強調其體內研究。盡量防止由離體培養的細胞，特別是癌細胞研究的局限性所帶來的錯誤結果的干擾，因為離體培養割裂了細胞之間、器官和組織之間的能量、氧化還原、信號傳遞和生理生化活動之間的聯系，乳酸鹽正是通過這些聯系起作用。

我們應該進一步加強營養和功能性食品對機體生理和生化代謝調節作用的研究，特別是對乳酸穿梭和循環作用的研究，為通過營養和功能性食品來控制和調節機體的生理、生化作用，從而為人類健康服務。我們還應該加強胃腸道微生態系統中代謝組學和機體代謝網絡的互作研究，這對揭示功能性食品發揮功能作用的分子機制具有重要意義。我們還應該努力尋找更加科學合理的功能性食品的功能評價方法和科學指標，從而科學地評價食品的功能作用，乳酸鹽，可能是一個理想的功能評價指標。另外，乳酸代謝和功能研究結果告訴我們：體外實驗結果是靠不住的！

[1]FUKUDA S, TOH H, HASE K, et al. Bifidobacteria can protect from enteropathogenic infection through production of acetate [J]. Nature, 2011, 469: 543-549.

[2]LIU Shanna, HAN Ye, ZHOU Zhijiang. Lactic acid bacteria in tradi-tional fermented Chinese foods[J]. Food Research International, 2011, 44(3): 643-651.

[3]LANGEVIN F, CROSSAN G P, ROSADO I V, et al. Fancd2 counteracts the toxic effects of naturally produced aldehydes in mice [J]. Nature, 2011, 475: 53-59.

[4]于立芹, 龐廣昌, 戴懿. 乳酸對主要發炎和抗炎細胞因子的影響[J].食品科學, 2007, 28(12): 439-442.

[5]BROOKS G A. Cell-cell and intracellular lactate shuttles[J]. J Physiol, 2009, 587(23): 5591-5600.

[6]PHILP A, MACDONALD A L, WATT P W. Lactate: a signal coordinating cell and systemic function [J]. The Journal of Experimental Biology, 2005, 208: 4561-4575.

[7]BROOKS G A, BROWN M A, BUTZ C E, et al. Cardiac and skeletal muscle mitochondria have a monocarboxylate transporter MCT1[J]. J Appl Physiol, 1999, 87: 1713-1718.

[8]PAGLIARINI D J, CALVO S E, CHANG B, et al. A mitochondrial protein compendium elucidates complex I disease biology[J]. Cell, 2008, 134: 112-123.

[9]KLINE E S, BRANDT R B, LAUX J E, et al. Localization ofL-lactate dehydrogenase in mitochondria[J]. Arch Biochem Biophys, 1986, 246: 673-680.

[10]BRANDT R B, LAUX J E, SPAINHOU R, et al. Lactate dehydrogenase in mitochondria[J]. Arch Biochem Biophys, 1987, 259: 412-422.

[11]BROOKS G A, DUBOUCHAUD H, BROWN M, et al. Role of mitochondrial lactic dehydrogenase and lactate oxidation in the , intra-cellular lactate shuttle, [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 1129-1134.

[12]BROOKS G A. Lactate shuttles in nature[J]. Biochem Soc Trans, 2002, 30: 258-264.

[13]PASSARELLA S, de BARI L, VALENTI D, et al. Mitochondria andL-lactate metabolism[J]. FEBS Lett, 2008, 582: 3569-3576.

[14]MCCLELLAND G B, KHANNA S, GONZALEZ G, et al. Peroxisomal membrane monocarboxylate transporters: evidence for a redox shuttle system？[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2003, 203: 130-135.

[15]CHATHAM J C, des ROSIERS C, FORDER J R. Evidence of separate pathways for lactate uptake and release by the perfused rat heart[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2001, 281: 794-802.

[16]BROOKS G A. Lactate: glycolytic end pro,duct and oxid,ative substrate during sustained exercise in mammals: the lactate shuttle [M]//GILLES R. Circulation, respiration, and metabolism: current comparative approaches. Berli: Springer-Verlag, 1985: 208-218.

[17]BROOKS G A, DONOVAN C M. Effect of training on glucose kinetics during exercise[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 1983, 244: 505-512.

[18]MAZZEO R S, BROOKS G A, SCHOELLER D A, et al. Disposal of [1-13C]-lactate during rest and exercise[J]. J Appl Physiol, 1986, 60: 232-241.

[19]STANLEY W C, GERTZ E W, WISNESKI J A, et al. Lactate metabolism in exercising human skeletal muscle: evidence for lactate extraction during net lactate release[J]. J Appl Physiol, 1986, 60: 1116-1120.

[20]BERGMAN B C, WOLFEL E E, BUTTERFIELD G E, et al. Active muscle and whole body lactate kinetics after endurance training in men [J]. J Appl Physiol, 1999, 87: 1684-1696.

[21]GERTZ E W, WISNESKI J A, STANLEY W C, et al. Myocardial substrate utilization during exercise in humans. dual carbon-labelled carbohydrate isotope experiments[J]. J Clin Invest, 1988, 82: 2017-2025.

[22]GARCIA C K, GOLDSTEIN J L, PATHAK R K, et al. Molecular characterization of a membrane transporter for lactate, pyruvate, and other monocarboxylates: implications for the Cori cycle[J]. Cell, 1994, 76: 865-873.

[23]PRICE N T, JACKSON V N, HALESTRAP A P. Cloning and sequencing of four new mammalian monocarboxylate transporter (MCT) homologues confirms the existence of a transporter family with an ancient past[J]. Biochem J, 1998, 329: 321-328.

[24]DUBOUCHAUD H, BUTTERFIELD G E, WOLFEL E E, et al. Endurance training, expression and physiology of LDH, MCT1 and MCT4 in human skeletal muscle[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2000, 278: 571-579.

[25]GERTZ E W, WISNESKI J A, STANLEY W C, et al. Myocardial substrate utilization during exercise in humans. Dual carbon-labelled carbohydrate isotope experiments[J]. J Clin Invest, 1988, 82: 2017-2025.

[26]TRIMMER J K, SCHWARZ J M, CASAZZA G A, et al. Measurement of gluconeogenesis in exercising men by mass isotopomer distribution analysis[J]. J Appl Physiol, 2002, 93: 233-241.

[27]SHIMIZU H, WATANABE E, HIYAMA T Y, et al. Glial nax channels control lactate signaling to neurons for brain [Na+]sensing[J]. Neuron, 2007, 54: 59-72.

[28]LAM T K, GUTIERREZ-JUAREZ R, POCAI A, et al. Regulation of blood glucose by hypothalamic pyruvate metabolism[J]. Science, 2005, 309: 943-947.

[29]GORDON G R, CHOI H B, RUNGTA R L, et al. Brain metabolism dictates the polarity of astrocyte control over arterioles[J]. Nature, 2008, 456: 745-749.

[30]BARROS F L, DEITMER J W. Glucose and lactate supply to the synapse[J]. Brain Research Reviews, 2010, 63:149-159.

[31]DRINGEN R, GEBHARDT R, HAMPRECHT B. Glycogen in astrocytes: possible function as lactate supply for neighboring cells[J]. Brain Res, 1993, 623: 208-214.

[32]WALLS A B, HEIMBRGER C M, BOUMAN S D, et al. Robust glycogen shunt activity in astrocytes: effects of glutamatergic and adrenergic agents[J]. Neuroscience, 2009, 158: 284-292.

[33]CRUZ N F, BALL K K, DIENEL G A. Functional imaging of focal brain activation in conscious rats: impact of [(14)C]glucose metabolite spreading and release[J]. J Neurosci Res, 2007, 85: 3254-3266.

[34]ROUACH N, KOULAKOFF A, ABUDARA V, et al. Astroglial metabolic networks sustain hippocampal synaptic transmission[J]. Science, 2008, 322: 1551-1555.

[35]GANDHI G K, CRUZ N F, BALL K K, et al. Astrocytes are poised for lactate trafficking and release from activated brain and for supply of glucose to neurons[J]. J Neurochem, 2009, 111: 522-536.

[36]董佳康, 龐廣昌. 發酵乳中乳酸的多種生理功能[J]. 食品科學, 2010, 31(17): 480-486.

[37]BROOKS G A, MERCIER J. Balance of carbohydrate and lipid utilization during exercise: the , crossove, concept[J]. Appl Physiol, 1994, 76: 2253-2261.

[38]PHILP A, ADAM L, WATTI P W. Lactate: a signal coordinating cell and systemic function[J]. The Journal of Experimental Biology, 2008, 208: 4561-4575.

[39]CORBETT J, FALLOWFIELD J L, SALE C, et al. Relationship between plasma lactate concentration and fat oxidation[J]. Annu Congr Eur Coll Sports Sci, 2004, 107: 172.

[40]BERZELIUS J J, DJURKEMIEN. Stockholm: Marquard[M]. 1808.

[41]WESTERBLAD H, ALLEN D G, LANNERGREN J. Muscle fatigue: lactic acid or inorganic phosphate the major cause?[J]. News Physiol Sci, 2002, 17: 17-21.

[42]NIELSEN O B, de PAOLI F, OVERGAARD K. Protective effects of lactic acid on force production in rat skeletal muscle[J]. J Physiol, 2001, 536: 161-166.

[43]HOUTKOOPER R H, CANTO C, WANDERS R J, et al. The secret life of NAD+: an old metabolite controlling new metabolic signaling pathways[J]. Endocrine Reviews, 2010, 31(2): .194-223.

[44]WARBURG O, POSENER K, NEGELEIN E.ber den stoffwechsel der carcinomzelle[J]. Biochem Z, 1924, 152: 309.

[45]PASTEUR L. Experiments and novel views on the nature of fermentation [J]. Comp Rend Acad Sci, 1861, 89: 1260-1264.

[46]HANAHAN D, WEINBERG R A. Hallmarks of cancer: the next generation [J]. Cell, 2011, 144: 646-674.

[47]KAELIN W G Jr, THOMPSON C B. Clues from cell metabolism[J]. Nature, 2010, 465: 562-564.

[48]SAMUDIO I, FIEGL M, ANDREEFF M. Mitochondrial uncoupling and the warburg effect: molecular basis for the reprogramming of cancer cell metabolism [J]. Cancer Res, 2009, 69(6): 2163-2166.

[49]CHIANG Y, CHOU C Y, HSU K F, et al. EGF upregulates Na+/H+exchanger NHE1 by post-translational regulation that is important for cervical cancer cell invasiveness[J]. J Cell Physiol, 2008, 214: 810-819.

[50]de MILITO A, CANESE R, MARINO M L, et al. pH Dependent antitumor activity of proton pump inhibitors against human melanoma is mediated by inhibition of tumor acidity[J]. Int J Cancer, 2010, 127: 207-219.

[51]ZHANG X, LIN Y, GILLIES R J. Tumor pH and its measurement[J]. J Nucl Med, 2010, 51: 1167-1170.

[52]PROVENT P, BENITO M, HIBA B, et al. Serialin vivospectroscopic nuclear magnetic resonance imaging of lactate and extracellular pH in rat gliomas shows redistribution of protons away from sites of glycolysis[J]. Cancer Res, 2007, 67: 7638-7645.

[53]HALESTRAP A P, PRICE N T. The proton-linked monocarboxylate transporter (MCT) family: structure, function and regulation[J]. Biochem J, 1999, 343: 281-299.

[54]GRILLON E, FARION R, FABLET K. The spatial organization of proton and lactate transport in a rat brain tumor[J]. PLoS One, 2011, 6 (2):e17416, doi: 10.1371/journal.pone.0017416.

[55]MILLER B F, FATTOR J, JACOBS K A, et al. Lactate-glucose interaction in men during rest and exercising using lactate clamp procedure [J]. J Physiol, 2002, 544: 963-975.

[56]BROOKS G A. Mammalian fuel utilization during sustained exercise[J]. Comp Biochem Physiol, 1998, 120: 89-107.

[57]LIU Changlu, WU Jiejun, ZHU J, et al. Lactate inhibits lipolysis in fat cells through activation of an orphan G-protein-coupled receptor, GPR81 [J]. J Biol Chem, 2009, 284: 2811-2822.

[58]BROOKS G A. Lactate shuttles in nature[J]. Biochem Soc Trans, 2002, 30: 258-264.

[59]HENDERSON G C, HORNING M A, LEHMAN S L, et al. Pyruvate shuttling during rest and exercise in men before and after endurance training[J]. J Appl Physiol, 2004, 97: 317-325.

[60]GARCIA C K, GOLDSTEIN J L, PATHAK R K, et al. Molecular characterization of a membrane transporter for lactate, pyruvate, and other monocarboxylates: implications for the Cori cycle[J]. Cell, 1994, 76: 865-873.

[61]PRICE N T, JACKSON V N, HALESTRAP A P. Cloning and sequencing of four new mammalian monocarboxylate transporter (MCT) homologues confirms the existence of a transporter family with an ancient past[J]. Biochem J, 1998, 329: 321-328.

[62]HASHIMOTO T, HUSSIEN R, OOMMEN S, et al. Lactate sensitive transcription factor network in L6 myocytes: activation of MCT1 expression and mitochondrial biogenesis[J]. FASEB J, 2007, 21: 2602-2612.

[63]SAMUVEL D J, SUNDARARAJ K P, NAREIKA A, et al. Lactate boosts TLR4 signaling and NF-κB pathway-mediated gene transcription in macrophages via monocarboxylate transporters and MD-2 Upregulation[J]. The Journal of Immunology, 2009, 182: 2476-2484.

[64]HOUTKOOPER R H, CANTO C, WANDERS R J, et al. The secret life of NAD+: an old metabolite controlling new metabolic signaling pathways[J]. Endocrine Reviews, 2010, 31(2): 194-223.

[65]RYDSTROM J. Mitochondrial NADPH, transhydrogenase and disease [J]. Biochim Biophys Acta, 2006, 1757: 721-726.

[66]SAUVE A A, WOLBERGER C, SCHRAMM V L, et al. The biochemistry of sirtuins[J]. Annu Rev Biochem, 2006, 75: 435-465.

[67]KAEBERLEIN M, MCVEY M, GUARENTE L. The SIR2/3/4 complex and SIR2 alone promote longevity inSaccharomyces cerevisiaeby two different mechanisms[J]. Genes Dev 1999, 13: 2570-2580.

[68]GUARENTE L. Sir2 links chromatin silencing, metabolism, and aging [J]. Genes Dev, 2000, 14: 1021-1026.

[69]HOWITZ K T, BITTERMAN K J, COHEN H Y, et al. Small molecule activators of sirtuins extendSaccharomyces cerevisiaelifespan [J]. Nature, 2003, 425: 191-196.

[70]LIN S J, KAEBERLEIN M, ANDALIS A A, et al. Calorie restriction extendsSaccharomyces cerevisiaelifespan by increasing respiration[J]. Nature, 2002, 418: 344-348.

[71]ROGINA B, HELFAND S L. Sir2 mediates longevity in the fly through a pathway related to calorie restriction[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101: 15998-16003.

[72]RODGERS J T, LERIN C, HAAS W, et al. Nutrient control of glucose homeostasis through a complex of PGC-1α and SIRT1[J]. Nature, 2005, 434: 113-118.

[73]CANTO C, GERHART-HINES Z, FEIGE J N, et al. AMPK regulates energy expenditure by modulating NAD+metabolism and SIRT1 activity [J]. Nature, 2009, 458: 1056-1060.

[74]MOHAN A, HUNT M C, BARSTOW T J, et al. Effects of malate, lactate, and pyruvate on myoglobin redox stability in homogenates of three bovine muscles[J]. Meat Science, 2010, 86: 304-310.

[75]RAMANATHAN R, MANCINI R A, DADY G A. Effects of pyruvate, succinate, and lactate enhancement on beef longissimus raw color[J]. Meat Science, 2011, 88: 424-428.

[76]DEBERARDINIS R J, SAYED N, DITSWORTH D. Thompson CB: brick by brick: metabolism and tumor cell growth[J]. Curr Opin Genet Dev, 2008, 18: 54-61...

[77]FREUND E. Zur diagnose des carzinoms. vorlufige mittheilung[J]. Wien Med Bl, 1885, 8: 267.

[78]K.R.EBSFORSCH Z. Versuche zur frage der bedeutung der kohlenhydrate f ur das wachstum des rattencarzinoms[J]. J Cancer Res and Clin Oncol, 1924, 21: 288-293.

[79]MARKS P A, BISHOP J S. The glucose metabolism of patients with malignant disease and of normal subjects as studied by means of an intravenous glucose tolerance test[J]. J Clin Invest, 1957, 36: 254-264.

[80]ZUIJDGEEST-VAN LEEUWEN S D Z, van den BERG J W, WATTIMENA J L, et al. Dagnelie PC: lipolysis and lipid oxidation in weight-losing cancer patients and healthy subjects[J]. Metabolism, 2000, 49: 931-936.

[81]SKINNER R, TRUJILLO A, MA Xiaojie, et al. Ketone bodies inhibit the viability of human neuroblastoma cells[J]. J Pediatr Surg, 2009, 44: 212-216.

[82]WILDER R M. The effect of ketonemia on the course of epilepsy[J]. Mayo Clin Bulletin, 1921, 2: 307-308.

[83]NEAL E G, CHAFFE H, SCHWARTZ R H, et al. The ketogenic diet for the treatment of childhood epilepsy: a randomised controlled trial[J]. Lancet Neurol, 2008, 7: 500-506.

[84]WIZNITZER M. From observations to trials: the ketogenic diet and epilepsy[J]. Lancet Neurol, 2008, 7: 471-472.

[85]NEBELING L C, MIRALDI F, SHURIN S B, et al. Effects of a ketogenic diet on tumor metabolism and nutritional status in pediatric oncology patients: two case reports[J]. J Am Coll Nutr, 1995, 14: 202-208.

[86]ZUCCOLI G, MARCELLO N, PISANELLO A, et al. Metabolic management of glioblastoma multiforme using standard therapy together with a restricted ketogenic diet: case report[J]. Nutr Metab (Lond), 2010, 7: 33. doi: 10.1186/1743-7075-7-33.

[87]MAGEE B A, POTEZNY N, ROFE A M, et al. The inhibition of malignant cell growth by ketone bodies[J]. Aust J Exp Biol Med Sci, 1979, 57: 529-539.

[88]FINE E J, MILLER A, QUADROS E V, et al. Acetoacetate reduces growth and ATP concentration in cancer cell lines which overexpress uncoupling protein 2[J]. Cancer Cell Int, 2009, 29:14. 2009, 9:14?doi: 10.1186/1475-2867-9-14.

[89]FREEDLAND S J, MAVROPOULOS J, WANG A, et al. Carbohydrate restriction, prostate cancer growth, and the insulin-like growth factor axis[J]. Prostate, 2008, 68: 11-19.

[90]HARDMAN W E, Dietary canola oil suppressed growth of implanted MDAMB 231 human breast tumors in nude mice[J]. Nutr Cancer, 2007, 57: 177-183.

[91]OTTO C, KAEMMERER U, ILLERT B, et al. Growth of human gastric cancer cells in nude mice is delayed by a ketogenic diet supplemented with omega-3 fatty acids and medium-chain triglycerides[J]. BMC Cancer BMC Cancer, 2011, 11: 315 doi:10.1186/1471-2407-11-315.

[92]SCHMIDT M, PFETZER N, SCHWAB M. Effects of a ketogenic diet on the quality of life in 16 patients with advanced cancer: a pilot trial [J]. Nutrition & Metabolism, 2011, 8: 54-67.

[93]ENDPRODUKT L A, BRENNSTOFF. Lactate as an end-product and fuel[J]. Deutsche Zeitschrift f..r Sportmedizin, 2010, 61(5):112-116.

[94]LIMONCIEL A, ASCHAUER L, WILMES A, et al. Lactate is an ideal non-invasive marker for evaluating temporal alterations in cell stress and toxicity in repeat dose testing regimes[J]. Toxicol In Vitro, 2011, 25(8): 1855-1862.

[95]GREEN J P, BERGER T, GARG N, et al. Serum lactate is a better predictor of short-term mortality when stratified by C-reactive protein in adult emergency department patients hospitalized for a suspected infection [J]. Annals of Emergency Medicine, 2011, 57(3): 291-295.

Metabolism of Lactate and Its Critical Role in Health

PANG Guang-chang，CHEN Qing-sen，HU Zhi-he
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

Abatract ：The reason why lactic acid bacteria and its fermented food are helpful for health in most situations may be due to the production of lactate. The metabolic role of lactate has gained extensive attentions from physiologists and biochemists. However, during the first half of the last century, lactate has been designated as a waste product, especially for the controversial role in muscle fatigue. Currently, more and more publications are exploring and unveiling the critical roles of lactate in multicellular organisms. Lactate has been described as modulation enzymes with catalytic properties to affect hormonal release and responsiveness, and control body homeostasis. Moreover, these properties are directly related to the genesis and sustainability of pathological conditions such as diabetes and cancer. Lactate should not be regarded simply as an anaerobic metabolite, but should be considered as a regulatory molecule that modulates the integration of metabolism. Although lactate is not a redox product, it is an important intermediate metabolite for glycolysis, biological oxidation and biosynthesis. Lactate is produced in the cytosol by the fermentative branch of glycolytic pathway through the reduction of pyruvate with the concomitant oxidation of NADH to NAD+, a reaction catalyzed by lactate dehydrogenase (LDH). Therefore, lactate plays key roles in maintaining the dynamic equilibrium of NADH/NAD+, pH, ATP and biological oxidation/biosynthesis. Due to its multiple bioactivities, lactate is widely used in fermented and functional food, meat quality and color protection, and cancer prevention and resistance so that it is an ideal marker for evaluating physiological alteration, stress and pathology.

lactate；metabolism；functional food；NADH/NAD+；adenosine-triphosphate (ATP)；biological oxidation

R151.41

A

1002-6630(2012)01-0001-15

2011-10-30

國家自然科學基金項目(30871951)

龐廣昌(1956—)，男，教授，博士，主要從事食品生物技術和免疫信號通路研究。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn