乳酸盐代谢及其在健康中的关键作用

庞广昌，陈庆森，胡志和

(天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134)

乳酸盐代谢及其在健康中的关键作用

庞广昌，陈庆森，胡志和

(天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134)

为什么乳酸菌及其发酵食品往往有利于健康？或许这正是由于其产乳酸盐的作用。乳酸盐代谢已经得到了生理和生物化学家的广泛关注。然而，20世纪的前叶，乳酸盐还一直被作为废物，特别是作为肌肉疲劳的罪魁祸首。但是最近，越来越多的研究结果证明，乳酸盐在多细胞有机体中发挥了关键性作用。已经证明乳酸有多种生理功能，可以作用于机体的激素释放、调节多种酶活性，控制机体代谢平衡。此外，这些特性还直接关系到病理作用的发生和发展，如糖尿病和癌症。乳酸盐不能简单地认为是一种厌氧发酵产物，其实更应该把它作为一个调节分子，可以调节和整合多条代谢途径。虽然乳酸盐本身并不是一种具氧化还原作用的化合物，但是，它作为一种重要的中间代谢产物参与了糖酵解、生物氧化和生物合成。乳酸盐在胞浆中由糖酵解途径合成，通过和丙酮酸之间的互相转化与NADH/NAD＋偶联，由乳酸脱氢酶催化。所以乳酸盐在NADH/NAD＋、pH值、ATP、生物氧化与合成的动态平衡中发挥着重要作用。也正是因为这些生物活性，乳酸盐已经被广泛应用于发酵和功能性食品生产、肉类食品质量保护和护色、防癌、抗癌；同时，乳酸盐还是生理变化、应激和病理评估的理想标志物。

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

乳酸菌及其发酵制品在国内外都具有非常古老的应用历史，作为益生菌和功能性食品也一直在肠道微生态制剂和发酵食品中占有重要席位。尽管乳酸菌中，像瑞士乳杆菌、双歧杆菌等的生物功能和肠道微生态作用已经得到了大量研究，并已经开发出像酸奶、益生菌制剂及其发酵产物——乳酸菌素等，但是，其多种保健功能的分子机制直到最近才获得了重大突破。Fukuda等[1]系统研究了双歧杆菌在肠道中发挥对有害菌的颉抗作用机制。他们将小鼠和某些双歧杆菌菌株联合，并用致命性的肠出血性大肠杆菌Escherichia coliO157:H7进行感染，结果证明，当给无菌鼠喂养E.coliO157时，它们将在7d内死亡，但是，如果在接种E.coliO157的7d之前接种Bifidobacterium longumsubsp.LongumJCM 1217T (BL)该鼠就可以免于死亡。相比之下，另一株双歧杆菌菌株，Bifidobacterium adolescentisJCM1275T (BA)则不能对E.coliO157所诱导的死亡提供保护，尽管条件都是一样的。研究结果还表明是BL，而不是BA，促进了实验鼠肠上皮细胞阻止E.coliO157分泌的毒素Stx2进入血液。他们还利用代谢组学方法研究了BL提供保护的分子机制，证明一个编码ATP-结合-框糖类受体存在于某些双歧杆菌中，对E.coliO157:H7诱导的死亡产生了保护作用。他们进一步分析保护机制发现：其实正是(至少主要是)双歧杆菌分泌的乙酸——种普通的短链脂肪酸抑制了E.coliO157:H7所分泌的志贺毒素(Shiga toxin)! 乙酸通过肠上皮细胞介导的防御系统对机体提供了保护。从这一结果可以看出，肠道致病菌主要是通过分泌毒素诱发机体的过度炎症反应，或者破坏胃肠黏膜系统产生致病作用，而益生菌则可能通过分泌小分子配体，通过胃肠黏膜信号系统抑制机体过度的炎症或者调节机体免疫应答发挥保护作用。可见，我们应该注重研究肠道微生物和食品代谢组学及其于胃肠黏膜受体之间的互作，才能真正搞清楚功能性食品的保健作用机理。

在众多的发酵食品中，传统的乳酸发酵食品占有重要一席[2]。根据目前的研究，发酵食品按其发酵产物划分，可以主要分为：乳酸类、乙醇类和乙酸类。其中乙酸类发酵食品以及短链脂肪酸类发酵食品已经证明虽然其不能为机体作为碳源(营养)，但是其抗炎症作用已经得到了证实，其他保健作用也有很多报道。相反，已经有大量报道证明乙醇类食品中乙醇具有明显的毒副作用。最近，Langevin等[3]研究了乙醛对DNA的损伤作用和对机体的毒性，并同时证明很多致命性的疾病，如肝病、骨髓癌等正是由乙醛所导致的。需要注意的是：由于很多人缺少乙醛脱氢酶，食用含乙醇的食品以后，不能通过肝脏解毒将其变成没有毒性的乙酸，而是变成乙醛，对机体造成伤害，如癌症、骨髓障碍、发育缺陷和致命性酒精综合征。此前，已有大量研究证明乙醇不仅可以诱发炎症，还通过干扰一碳代谢，对表观遗传性状产生复杂的损伤作用。所以，我们一直认为，乳酸菌的作用，在很大程度上是由于其所产乳酸盐的作用，本课题组曾经对口服乳酸后机体所产生的细胞因子变化情况进行了系统研究，证明乳酸的确可以刺激机体(血清中)产生IL-6、IFN-γ、TNF-α、IL-10、IL-4等细胞因子的显著性变化[4]。事实上，在发酵食品中，只有乳酸发酵产物本身就可以作为机体的重要营养成分，而且已经有大量研究证明：乳酸盐在机体代谢，特别是机体的氧化还原、pH值平衡和能量代谢中具有关键性作用，并有越来越多的研究结果证明，癌症也正是由于乳酸代谢失调所造成的。本文将对乳酸盐的重要生理作用进行综述，并提出观点和展望。

1 乳酸盐的穿梭作用

在多细胞生物中，特别是在动物中，组织和器官都需要相互之间的协调并发挥各自不同的功能。一旦这些协调作用失控就会导致疾病。由于每种组织和器官都处于不同的氧气和营养供应状态，因此，其呼吸和中心代谢途径就必将处于不同的氧化还原、pH值和能量状态。多细胞生物，特别是高等动物必须通过一个循环系统来沟通各个不同的组织和器官之间的氧化还原、pH值和能量平衡。大量研究表明，其中心环节和中间代谢物正是乳酸盐，乳酸盐的穿梭作用构成了细胞器之间，细胞之间，组织和器官之间的氧化还原、能量和pH值的协调与平衡[5]，一旦失控就会导致疾病，例如糖尿病和癌症。

当一个人在运动中耗尽全力时，经常会释放大量乳酸盐，这已经是公认的事实。但是高强度运动产生乳酸盐到底是机体的一种保护性机制，还是一种病理机制已经成为目前研究的热门课题。这里我们需要更正一个概念：在生理pH值条件下，乳酸(lactic acid)几乎全部解离为乳酸盐(lactate)和氢离子，这也正是在英文文献中使用乳酸盐而不是用乳酸的主要原因[6]，所以本文主要使用乳酸盐一词。

1.1 乳酸盐在细胞器之间的穿梭作用

线粒体是氧化磷酸化的细胞器，从糖酵解所产生的丙酮酸或者乳酸盐需要在这里脱羧(生成CO2)并将氢质子的电子经呼吸链交给氧生成水，从而保持细胞的中性或弱碱性环境。可见，线粒体要氧化乳酸盐，就需要乳酸脱氢酶(LDH)及一元酸的运载体(MCT)，果然，这两种蛋白质已经被鉴定出来[7-8]。已经证明这两种酶存在于大鼠的心脏和骨骼肌线粒体的内膜和基质中，从而证明了线粒体和胞浆之间的确存在着乳酸盐的穿梭作用，但是其生物化学意义尚没有得到完美的解释。Kline等[9]和Brandt等[10]则进一步证明了乳酸盐穿梭作用在大鼠肝、肾和心脏线粒体中的存在。而且用分离的肝脏线粒体可以和丙酮酸一样快速氧化乳酸，所以他们认为在线粒体和胞浆之间的确存在乳酸盐穿梭。之后不久，肌肉中分离的线粒体对乳酸的氧化能力也得到了证实[11]。近年来大量研究证明了线粒体内乳酸脱氢酶的存在[8]。而且已经将负责线粒体转运乳酸盐和丙酮酸的载体定名为MCT1。由于质子及其浓度梯度是乳酸盐扩散和易化转运流通所必需的，所以通过氧化除去乳酸盐是通过氧化和糖异生作用，活跃的线粒体呼吸是乳酸盐穿梭所必需的[12]。乳酸盐在糖异生中的作用也已经得到了证实[13]。

除线粒体和胞浆之间的乳酸盐穿梭之外，似乎还存在其他细胞内的穿梭作用，例如，在胞浆和过氧化物酶体之间存在着一个NADH再氧化系统，它是β-氧化所必需的。从逻辑关系上来看，乳酸盐显然具有氧化还原平衡调节作用，乳酸盐和丙酮酸的跨过氧化物酶体膜的交换就成为必然[14]。应用质子和核磁共振技术(13CNMR)的研究支持体内的确存在着细胞间和细胞内细胞器之间的乳酸盐穿梭，并表明，在胎儿和婴幼儿细胞间和细胞内乳酸盐交流和代谢中发挥重要作用[15]。跟踪丙酮酸的研究表明，在进入循环后，迅速转变为乳酸盐，可能是通过红细胞的MCT1吸收，并通过LDH进行乳酸盐和丙酮酸之间的转换。

1.2 乳酸盐在细胞间的穿梭作用

乳酸盐穿梭的概念是由Brooks提出来的[16]，它主要是运用同位素示踪技术所发现的，后来又结合其他技术，特别是核磁共振技术，对乳酸盐、葡萄糖和丙酮酸的流通进行了大量研究。对细胞间的乳酸盐穿梭作用主要有以下几个方面。

实验大鼠运动期间的血乳酸盐动力学。早在1983年，就有科学家利用14C研究了葡萄糖在小鼠静息和运动状态中乳糖的互相转化关系。观察到乳酸盐总是产生并很快交换出去，即使在静息的动物中。在静息状态，乳酸盐的处理率差不多仍然占葡萄糖氧化量的一半，在运动状态(大鼠的脚踏车运动)将会增加到75%～80%。训练和技巧对乳酸盐的产生影响很小。但是训练可以改变乳酸盐的清除速率，特别是高运动量训练中[17]。可见，乳酸盐是糖元合成与葡萄糖分解的关键中间代谢物，也是能量的主要提供者。

人类运动期间的血乳酸盐动力学。Mazzeo等[18]研究了人类有代表性的运动和长期训练所产生的葡萄糖和乳酸盐在海平面和高海拔地区训练和休息期间的相互作用。结果表明，在休息时仍然有大约一半的乳酸盐氧化，在运动期间大概有75%～80%。有趣的是，Stanley等[19]对休息和轻松运动(最大运动耗氧量的40%)期间的葡萄糖和乳酸盐通量进行了比较研究，结果表明，在休息状态，葡萄糖通量是乳酸通量的两倍，但是，即使是在轻松运动状态，乳酸盐的通量也会达到或者超过葡萄糖的通量。在艰苦的训练中，乳酸盐的通量远远高于葡萄糖[20]。对乳酸盐穿梭作用的研究表明，在运动期间，乳酸盐从肌肉释放进血液循环中，然后由心脏作为基本燃料消耗[21]。

乳酸盐的跨膜穿梭。研究表明，乳酸盐的跨膜运输是通过一种被称为一元羧酸的运载体蛋白(monocarboxylate transport proteins，MCTs)进行的，这是一个蛋白家族，在不同的细胞和组织中有不同的表达。最早的乳酸盐跨膜运输蛋白分离自大鼠的肌纤维膜囊泡，很快就对其进行了测序[22]。后来发现MCT在哺乳动物不同组织中有多种异构体[23]。特别是Bergman等[20]发现线粒体中也有乳酸盐转运蛋白表达，属于MCT1而不是MCT4[24]。在训练时，肌纤维膜和线粒体MCT1都会增加，而在肌肉中则随锻炼而消失。

乳酸盐作为糖异生的前体。并非肌肉中所产生的所有乳酸盐都会立即氧化，所以在锻炼期间动脉的乳酸盐会升高。在肌肉中将葡萄糖酵解生成乳酸盐，从而为肌肉提供能量，所产生的乳酸盐则可以通过动脉进入心脏和其他氧气充足的地方氧化，或者通过Cori循环进入肝脏进行糖异生[25]。已经对乳糖作为糖异生的前体进行了大量研究，Trimmer等[26]对乳酸盐作为前体和其他前体进行了比较研究，证明乳酸盐作为前体的效率总是最高的，这不仅是在锻练期间。可见，乳酸盐不仅仅在能量和氧化还原调节中起重要作用，也是糖异生，特别是锻炼过程中糖异生的主要前体。但是，这里我们也应该看到，Cori循环似乎是一种“无奈之举”，通过该循环，只获得2分子的ATP，而通过2分子的乳酸异生成葡萄糖则需要消耗6分子的ATP。按照目前的认识，往往认为乳酸循环的生理意义在于：避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起酸中毒。但是如上所述，在休息期间，依然有一半以上的乳酸盐生成。显然，大部分乳酸盐生成并非用来运送到肝脏进行糖异生，而是通过血液循环运送到氧气充足的器官或组织进行氧化。而且笔者认为乳酸循环绝不仅仅如Cori循环所描述的那样是为了防止乳酸盐积累而引起的酸中毒，其主要作用是通过在缺氧的情况下将NADH交给丙酮酸生成乳酸盐，通过血液循环运送到氧气充足的组织再进行氧化磷酸化，这样，1个乳酸盐的转移相当于将6对氢质子(NADH)从缺氧的组织运送到氧气充足的组织进行氧化，同时实现18个ATP的能量转移。

1.3 乳酸盐通过循环系统的穿梭作用

本课题组经过对不同的动物和微生物的乳酸代谢通量控制分析，证明了乳酸通量和NADH/NAD＋之间有密切的负相关(血清k＝－8.0129，R2＝0.8975，尚未发表)，因此笔者提出：尽管通过血液循环系统能够实现营养，特别是氧气和二氧化碳的交流与交换，通过氧气调节来实现组织和器官之间的氧化还原、pH值和能量平衡，但是由于动物行为和生命活动的不确定性，必然造成能量使用、供氧、排除二氧化碳的不平衡，特别是骨骼肌等运动使机体处于不同代谢状态，为了保持细胞内的细胞器之间以及多细胞生物细胞或组织之间的氧化还原(还原力)、合成与分解辅酶(NADH/NADPH)、pH值以及能量(能荷)的交流与平衡，机体必需通过乳酸盐和丙酮酸之间的相互转换在细胞器之间，通过循环系统在细胞、组织与器官之间的穿梭和循环来实现，显然，乳酸盐是最佳候选者，理由是：机体的氧化还原状态、pH值和能荷必需保持基本恒定，否则就会得病，甚至死亡，而其他中间代谢产物，如丙酮酸等又必需处于动态平衡之中，改变其中的任何一个代谢中间物的浓度，都会对整个代谢网络产生复杂的影响，只有乳酸盐，它是一个所谓“盲路”途径所生成的“产物”(在乳酸菌中就是终产物)，而且可以以离子形式存在于细胞内外，特别是血液中，并可以进行不断地循环。从进化的角度来分析，乳酸菌是一系列分泌乳酸盐的微生物的总称，本身就是一个完整的细胞，完整的代谢和生命活动单元，可以在有氧和缺氧两种条件下进行代谢和繁衍，同时，乳酸盐就顺理成章地构成了多细胞生物处在不同状态下的细胞代谢必需解决的氧化还原、pH值和能量之间协调的关键控制分子。显然，乳酸盐不仅仅是一种营养物质，同时它的循环和穿梭作用是构成多细胞生物氧化还原、能量和物质代谢、酸碱平衡、合成与分解的基本条件。乳酸循环和穿梭失控就会造成代谢性疾病，甚至癌症。

2 乳酸盐在能量平衡中的作用

乳酸盐是在氧气不足时为机体紧急供能的唯一代谢途径。生醇和生乙酸发酵虽然也可以在厌氧环境中为细胞提供能量，但是那只是在某些微生物或植物中。而且机体如果以乳酸盐的形式提供能量，还可以将所生成的乳酸盐通过循环系统运送到氧气充足的地方，或在生物休息或者睡眠过程中重新转化为丙酮酸，甚至直接在线粒体中进行氧化。由于多细胞生物不可能保证任何位置或组织总是处于相同的氧气供应或者能耗恒定的情况下，所以多细胞生物的供能必需解决好细胞器之间以及细胞和组织之间的能荷与供氧，氧化磷酸化和底物磷酸化的调节与控制。在中心代谢途径中，虽然底物磷酸化分别发生在糖酵解途径和三羧酸循环中，但是三羧酸循环的底物磷酸化生成的是GTP而不是ATP，GTP虽然在一定的条件下可以实现和ATP的互相转化，但是GTP及其衍生物在代谢中具有不同的功能，如蛋白质合成，信号传递等，它本身并不是能荷。因此，乳酸盐/丙酮酸与NADH/NAD＋的协调为多细胞的能量供应和氧化呼吸；乳酸盐的糖异生作用也为葡萄糖的合成与分解平衡提供了唯一可行的代谢途径。

2.1 乳酸盐与脑神经元供能

哺乳动物脑能量的主要来源是葡萄糖，其主要能量消耗者是神经元，所以对于脑能量代谢的传统认识是：葡萄糖优先被消耗。但是，在葡萄糖和能量生产之间尚有几个反应步骤，而这些步骤并不一定发生在同一细胞中。一个选择性模型假设优先由星形胶质细胞吸收，然后降解成乳酸盐，输出到神经元再被氧化供能。越来越多的研究结果表明，乳酸盐不仅可以为神经元提供能量，它还是一种信号分子，具有Na＋传感器[27]、葡萄糖传感器[28]以及神经元神经胶质激活及其与血管张力的偶联作用[29]。2010年，Barros 等[30]讨论了葡萄糖和乳酸盐在兴奋树突区域的动力学及其转运机制。

葡萄糖在进入神经元和星形胶质细胞之后，首先由己糖激酶进行磷酸化，而且在大脑中该反应是不可逆的，因为这里缺少有效的葡萄糖-6-磷酸活性[31]。这同时意味着星形胶质细胞的糖原在这里不能用来产生葡萄糖，只能以乳酸盐的形式转运到神经元，这就是低血糖症的病因[32]。另一个葡萄糖不能在脑中合成的后果是葡萄糖必须从间隙中进入细胞。葡萄糖和乳糖在相邻的神经纤维网间质空间区域进行交换[33]，交换是通过随机扩散，大概30min达到平衡，仅限于1mm的两个分离空间之间。除这些细胞外的途径之外，葡萄糖和乳酸盐也可以通过星形胶质细胞间的缝隙连接到达相邻区域，并可以通过活化进行调节[34-35]。

图1 神经纤维网的神经代谢偶联模型[30]Fig. 1 Modes of neurometabolic coupling in the neuropil[30]

在大脑中，树突结构域不仅是信息处理的关键，也是最为耗能的区域，这主要归因于跨突触后膜离子梯度的保持作用，因为该梯度在树突激活期间将不断地被打破。树突区域的能量供应，以及神经元和神经胶质细胞的燃料分布十分复杂，而且是一个高度控制过程。介导神经元和星形胶质细胞区域之间的葡萄糖和乳酸盐运转的蛋白越来越显示出地域性能量流通调控的关键作用，我们需要查明高度区域化的葡萄糖和乳酸盐浓度的时空记录、细胞内外的时空分布，以便弄清楚葡萄糖和乳酸盐浓度、流通及其与运载体的关系与控制方式。

图2 在树突激活时，神经元优先吸收乳酸盐以应答之[30]Fig. 2 Preferential uptake of lactate by neurons in response to synaptic activity[30]

树突激活产生局域性酸化，优先驱动乳酸盐吸收并进入神经元。这是由于树突后的定位及MCT2的高乳酸盐亲和力所致，而星形胶质细胞MCT1异构体则定位于远端，并显示出比MCT2低的乳酸盐亲和力。

2.2 乳酸盐与能量平衡

在许多脊椎动物中，能量的供应主要依赖于脂肪、糖类和蛋白质的分解代谢。燃料的选择与机体的运动强度密切相关[36]。在休息或中等强度运动状态下，脂肪氧化是ATP的主要来源，而随着运动强度的增加，碳水化合物氧化供能加大，乳酸盐的净生成也随即发生。亦即升高葡萄糖可以刺激胰岛素的分泌，而胰岛素则可以抑制脂肪组织的脂肪酸释放，从而导致碳水化合物的优先使用；相反，当血浆脂肪酸水平升高(饥饿，低胰岛素)时，脂肪酸将取代葡萄糖被优先氧化[37]。已经有研究证明[38-39]乳酸盐可以下调脂肪酸的转运，限制机体对脂肪酸的摄取，从而对燃料转换起调节作用，由于乳酸盐在糖酵解和氧化磷酸化的协调中起关键性作用，乳酸盐本身又可以通过循环系统作为一种燃料而再利用，因此乳酸盐在机体能量平衡中发挥了重要的协调作用。

有氧氧化，也就是氧化磷酸化是细胞获得能量的最佳途径，在这个分解代谢途径中所脱出的氢质子通过氧化呼吸链交给氧生成水，同时通过线粒体内膜的跨膜pH值梯度驱动ATP的生成。这个过程一方面偶联了NADH/NAD＋，驱动了高能化合物的形成，又使得有机酸氧化脱羧所形成的氢质子氧化成中性无毒产物——水，从而偶联了pH值平衡，这也是在生物反应器系统中通过溶氧控制pH值的原理和依据。但是，作为多细胞生物，特别是动物，其物质代谢、氧化还原、能量代谢和pH值在复杂的生命活动中必需实现相互协调和动态平衡，因此在食物、营养吸收、整体和细胞呼吸以及生命活动之间必需建立起一个和谐的循环系统。其中一个重要的分子就是乳酸盐。乳酸盐是偶联机体能量代谢、合成与分解代谢、氧化还原状态、pH值平衡的关键分子，如图3所示。乳酸盐通过血液循环系统沟通和调节机体各组织器官的能量、物质代谢、氧化还原和p H值。

图3 乳酸盐的重要生理作用Fig.3 Important physiological roles of lactate in the body

2.3 乳酸盐与运动

早在1808年，Berzelius等[40]在疲劳的动物肌肉中就发现：剧烈运动过程中乳酸盐的积累与肌肉的疲劳程度之间有密切联系，而且肌肉力量的丧失与肌肉内pH值的下降有关，从而认定乳酸盐是衡量肌肉运动强度与疲劳程度的一个主要标志，即在肌肉强烈活动下，“代谢废弃产物”——乳酸盐的积累导致了肌肉的酸中毒，造成肌肉疲劳。然而，大量研究结果已经使科学家对上述观点产生了质疑。Westerblad等[41]的研究表明，在肌肉疲劳过程中，由于磷酸肌酸分解而释放的无机磷酸和ATP分解高能键的过程中所释放的质子，才是造成肌肉疲劳的主要原因。Nielsen等[42]认为，恰恰相反，乳酸盐很可能对肌肉起到了保护作用。在高强度锻炼时，肌肉中产生的乳酸盐可以平衡胞外高浓度的K＋所产生的肌肉收缩抑制，使肌肉免受损伤。乳酸盐还可以通过向神经细胞发出信号以表明运动的强度，造成疼痛感，从而使肌肉或其他器官在发生损伤前减少或终止运动。可见乳酸盐是机体在氧气供应不足，或者氧化磷酸化受限时所做出的应激性反应，它在为局部组织或器官提供必要的能量支持的同时，通过循环系统将乳酸盐运送到氧气充足的地方再进行氧化磷酸化，并保证pH值的稳定性。

2.4 乳酸盐与细胞增殖

细胞增殖的基本条件是能量和各种大分子的合成。细胞增殖需要ATP、NADP(H)、核糖和各种碳骨架、氨基酸等。其核心是葡萄糖分解所获得的还原力、碳骨架和NADP(H)用于生物合成而不是通过TCA循环和氧化呼吸链彻底分解为CO2和水。已知生物合成需要的NADP (H)来源于苹果酸脱氢酶、戊糖途径和转氨酶，其中苹果酸脱氢酶和转氨酶可以实现NAD(H)和NADP(H)之间的转化[43]。而三羧酸循环是一个分解循环，要进入合成和转化途径必需从糖酵解和三羧酸循环中跳出来，并形成氧化还原、pH值和能量的稳定与平衡。显然，控制细胞的呼吸作用成了细胞增殖的关键，而大量的葡萄糖分解所产生的NADH在线粒体氧化呼吸受控的情况下就只能将NADH交还给丙酮酸生成乳酸盐，通过血液循环到其他部位呼吸氧化，或者作为生物合成的原料。

早在20世纪20年代，Warburg等[44]就发现，肿瘤细胞在有氧条件下依然进行大量的糖酵解产生乳酸的代谢，而著名的巴斯德效应(Pasteur effect)则是在通氧的条件下葡萄糖消耗减少，抑制发酵产物积累[45]。显然肿瘤具有反巴斯德效应，也就是瓦氏(Warburg)效应。后来的研究表明，细胞在增殖过程中都会进行乳酸盐的合成与分泌，因为生成乳酸盐是细胞合成代谢所必需的基本条件。但是，所有的肿瘤细胞都表现出显著的瓦氏效应，因为肿瘤要实现不断的大分子的生物合成就需要大量的葡萄糖消耗，限制其通过正常的TCA循环和氧化磷酸化的彻底氧化，“劫持”TCA循环用以合成氨基酸，通过戊糖途径和苹果酸脱氢酶为大分子合成提供碳骨架核NADPH，与此同时，还必需为其提供大量的ATP作为驱动力。大量的ATP产生按照正常细胞则需要足够的氧气供应，而肿瘤的快速生长和血液供氧需求就迫使其一方面激活新血管生成，另一方面通过产乳酸盐将不能被氧化的NADH交给丙酮酸转运到血管周围氧气充足的区域进行氧化，从而形成一个自我调节与平衡的区域性代谢网络。解决因供氧不足，大量分解葡萄糖合成大分子所形成的肿瘤核心部位的pH值下降(酸化)以及过量NADH所造成的氧化还原失衡问题，如图4、5所示。可见，这同时为我们弄清楚肿瘤的发生、发展和转移机理，寻找更多的抗癌药物靶点提供了重要方法、途径和靶点。最近，Hanahan等[46]提出：癌症发生、发展和转移的过程涉及到一系列复杂的代谢变化及其微环境的协调与进化。癌症发生过程不仅要解决代谢网络在时空上的协调关系，在其基因组和组织结构上也需要产生复杂的变化，形成基因组、转录组和表观基因组等各层次上的异质性和协同性。所以传统的针对癌基因或以癌基因的单靶点抗癌药物筛选越来越显示出其明显的缺陷。而针对代谢网络和控制的研究，因其涉及到中心代谢途径，特别是合成与分解代谢、氧化还原和能量代谢等肿瘤发生、发展和转移等基本问题，正在成为新的防癌和抗癌途径。

图4 肿瘤细胞代谢生物化学[47]Fig. 4 Biochemistry of cancer cell metabolism[47]

葡萄糖进入细胞后经过糖酵解转变为丙酮酸。在正常的细胞中，如果氧气充足，丙酮酸经过TCA循环、呼吸和氧化磷酸化彻底氧化。然而，如果氧气很少，丙酮酸就会反转为乳酸盐进入胞浆。癌细胞就是在有氧的情况下照样驱动丙酮酸转变为乳酸盐。其营养成分——谷氨酰胺的代谢在癌细胞中也被更改。转录因子-HIF (图4浅圆)和MYC (图4深圆)在这些代谢途径的多步反应中都有作用，成为新的靶点。

图5 癌细胞所介导的线粒体偶联有氧酵解[48]Fig.5 Mitochondrial uncoupling mediates the metabolic shift to aerobic glycolysis in cancer cells[48]

3 乳酸盐在机体氧化还原平衡中的作用

乳酸盐作为一种代谢产物在各个层次上的穿梭作用，使其成为调节机体细胞内、细胞间和组织与器官间氧化还原平衡的关键分子。乳酸盐在缺氧或者氧化呼吸链受限的情况下，可以作为NADH库，或者“运载体”，通过体液系统(循环系统)运送到其他区域再进行氧化或者进行糖异生作用。

图6 乳酸盐作为NADH 库和运载体的功能Fig. 6 Lactate acts as NADH pool and its transporter

乳酸盐在缺氧时储存NADH，避免机体处于过度还原的状态，在不同组织之间运送氢质子，每运送1个分子的乳酸盐相当于从A组织运载了6对氢质子到B组织进行氧化，同时相当于转运18个分子的ATP。

由此可见，乳酸盐对于维护机体不同供氧、合成与分解代谢条件下的还原力及其动态平衡至关重要。研究表明，乳酸盐的形成和循环是多细胞生理代谢的必然需求，即使在休息状态，乳酸盐的处理率差不多占葡萄糖氧化量的一半，在运动状态(大鼠的脚踏车运动)将会增加到75%～80%，因为这是机体代谢的必然结果。肿瘤只不过是利用了乳酸盐的这些作用，实现了其“独立王国”式的恶性繁殖而已。

4 乳酸盐在机体pH值调节中的作用

在所有发酵过程中，氧气供应不足时，就会造成系统的pH值降低，并可以通过提高溶氧来进行调节。这一规律也适应于动物细胞培养，因为细胞繁殖所需要的能量和中间代谢产物都需要通过氧化分解代谢来实现。这一氧化分解过程在厌氧的条件下只能产生有机酸和脱氢，所产生的酸就会引起pH值的下降，而所脱出的氢质子如果积累就会造成系统的还原性增加。后者要比前者对细胞的伤害更大，所以细胞只能把脱出来的氢再交回，产生有机酸。其结果是进一步引起酸化。在氧气供应充足时，有机酸可以进一步通过TCA循环彻底氧化为CO2，脱出的氢则可以通过氧化呼吸链交给氧生成水，从而避免厌氧所造成的酸化作用。当然对于复杂的动物机体，还需要通过血液循环系统将CO2排出体外，才能彻底避免分解代谢的酸化作用。显然动物要避免酸化作用，除及时排出CO2之外，还必需通过适当的载体运送供氧和代谢在时空上的不平衡或者应激状态所形成的超过线粒体氧化呼吸能力的部分氢质子和有机酸，其中最佳候选者就是乳酸盐。乳酸盐既可以接受NADH，本身也是一种有机酸，可以通过形成乳酸盐的形式进行细胞内、细胞间和整个机体的穿梭。机体在缺氧、损伤、运动、应激和各种病理条件下就会增加血中的乳酸盐的通量。

4.1 乳酸盐和pH值在时空分布上具有协同性

大量研究表明，肿瘤的一个普遍的特点是酸化的胞外pH值，显然这是由于其大量的合成代谢占用了TCA循环，其缺氧状态和其他复杂的因素抑制了氧化磷酸化。正常细胞，其细胞内的pH值为7.1～7.2，略低于细胞外围绕液体的pH值(大约为7.4)。在肿瘤细胞中，则形成一个相反的跨膜pH值梯度：pH值高于7.3[49]，而细胞外的pH值却只有6.4～7.0[50-51]。这些胞外的H＋主要来自肿瘤细胞用乳酸盐换取葡萄糖的过程：C6H12O6＝2C3H5O3－＋2H＋[52]。在稳定的状态下，乳酸盐必需以其生成相同的速度离开细胞。其pH值梯度就构成了离开肿瘤细胞的驱动力。乳酸盐的运输需要协同运输蛋白——MCT。已经证明异构体MCT1 (SLC16A1)和 MCT4 (SLC16A3)在很多肿瘤中都会上调[53]。

大量的研究结果证明，在肿瘤的边缘出现Na＋/H＋交换蛋白-1(Na＋/H＋exchanger，NHE)，表明H＋借助NHE1从肿瘤内部扩散到其边缘的胞外空间。最近，Grillon等[54]研究了大鼠脑瘤不同部位乳酸盐和质子的时空和组织分布，发现NHE1和MCT1都参与了神经胶质瘤中乳酸盐的交换与转运，而乳酸盐的产生有利于肿瘤，因为它的净合成创造了肿瘤细胞内外的pH值微环境。乳酸盐与pH值的协同作用见图7。

图7 神经胶质瘤中的乳酸盐及MCT1和NHE1对pH值分布的作用[54]Fig.7 Roles of lactate, MCT1 and NHE1 in pH distribution in glioma[54]

4.2 乳酸盐和细胞内的pH值控制

最近研究表明，有氧酵解在细胞增殖、肿瘤发生和癌变中具有重要作用。显然，这是由于细胞增殖需要大量的合成代谢所造成的。因为合成代谢需要大量的碳骨架、ATP和NADPH，需要利用TCA循环中的部分途径、转氨作用和戊糖途径，其氧化磷酸化能力受阻，或者远远不能满足ATP的需求。而有氧酵解势必造成细胞内的pH值的变化。特别是，线粒体中氧化磷酸化驱动ATP合成酶合成ATP的过程需要pH值梯度，驱动有氧酵解则需要碱性pH值。这就可能形成癌细胞中细胞浆呈碱性pH值，而线粒体责呈酸性。已经有大量研究表明，细胞浆的碱性化可能是激活有氧酵解的主要原因[54]。肿瘤细胞，已知具有高有氧酵解活性，其细胞浆的pH值会增高0.13～0.45，也就是pH7.12～7.65，而正常细胞为pH6.99～7.20。生长因子诱导的正常细胞增生也与细胞浆的碱性化有联系(Na＋/H＋逆向运转)，因为细胞的增殖也需要更多的合成代谢，增加有氧酵解率。由于有氧酵解可能会导致细胞外环间的酸化(pH6.2～6.9，正常pH值为：7.3～7.4)，所以肿瘤细胞的内外存在一个pH值差，其作用机制如图8所示。

图8 线粒体膜外部含有的依赖于离子通道和H+的电势差[54]Fig.8 Outer mitochondrial membrane (OMM) contains voltage dependent anion channels (VDAC) that make this membrane permeable to H+[54]

胞浆中H＋的减少，也就是胞浆碱性化是在膜间腔中H＋的浓度减少所造成的。这就减少了线粒体内膜H＋的电化学剂量和跨膜梯度(IMM)，从而减少了H＋通过ATP合成酶进入基质的能力，也就是减少了丙酮酸和磷酸向基质中的转移，最终减少了氧化磷酸化产生ATP。细胞内的碱性化还可以通过诱导己糖激酶(HK)结合与离子通道(VDAC)的结合抑制氧化磷酸化，从而诱导VDAC的关闭，线粒体活性抑制。

5 乳酸盐的信号传递作用

早在19世纪，生理学家和生物化学家就已经观察到动物肌肉中乳酸盐的存在。一直以来，乳酸盐的作用被作为废物并被认定为运动疲劳所产生的毒副作用成分。但是，近来的证据表明，乳酸盐不仅是一种活性中间代谢产物，而且可以在细胞内不同细胞器之间、细胞之间、组织和器官之间进行穿梭，既可以返回到丙酮酸发挥燃料作用，也可以异化生成葡萄糖。所以人们意识到，乳酸的作用似乎不简单，可能在代谢，系统和细胞水平上发挥重要的调节作用[54]。例如，是否乳酸盐会对特异性的组织发挥代谢信号作用？或者成为代谢控制的类激素分子？还有，乳酸盐是否具有整体上协调交感神经、副交感神经系统的控制作用？甚至于乳酸盐是否在肌肉收缩过程中具有维护肌肉生理功能的作用？乳酸盐作为信号传递化合物的假说源自对细胞和整体的调查分析与研究。已经有大量研究证明，乳酸盐具有进出细胞甚至细胞器的能力和机制，其运载体是一个MCT家族，从而形成一个多层次的穿梭系统。而且，乳酸盐还可以在特异性乳酸脱氢酶(不同的异构体)的催化下与丙酮酸互相转化，从而形成一个具有高度适应能力的代谢中间化合物系统。

5.1 乳酸盐作为信号分子：氧化还原信号传递

当乳酸盐被氧化为丙酮酸时，就改变了细胞的氧化还原平衡，因此，在细胞的各空间中，乳酸盐的产生和去除代表着一个重要的信号传递机制，因为这意味着该空间中氧化还原电势的改变。乳酸盐的替代也表明了高能化合物的下调。当机体运动时，其动脉乳酸盐就会升高，这是因为心脏在用葡萄糖作“燃料”，增加了高能底物的使用。研究发现[55]，当机体休息和运动时，动脉乳酸盐升高4mmol/L，葡萄糖的氧化就按照化学计量减少其氧化和消耗。

在游离脂肪酸(FFA)的动员方面，在运动生理学中，酸中毒对脂类分解的抑制作用一直被认定当高强度运动时，动脉血中的乳酸盐上升，而游离脂肪酸下降[56]。但是，最近，Liu Changlu等[57]的研究表明，乳酸盐抑制脂肪细胞中的脂肪分解，这个过程是通过一个单独的G-蛋白偶联受体(GPR81)激活，从而作为乳酸盐的传感器，抑制脂肪酸分解。关于游离脂肪酸的氧化，已经广泛认为：当运动强度增加时，动脉乳酸盐升高，FFA氧化因质量作用(定律)和氧化还原控制而下降[58]。在肌肉收缩期间，酵解被加速，酵解产物乳酸盐与丙酮酸的比例升高。在休息状态，肌肉和静脉中的[La－]/[Pyr－]流出差不多达到10，和中等强度的运动相比其比例高出一个数量级以上[59]。由于一元酸可以控制底物进入线粒体基质，升高乙酰-CoA，因此控制丙二酰-CoA形成。丙二酰-CoA通过抑制肉毒碱棕榈酰转移酶-1(CPT-1)抑制活化的FFA进入线粒体基质。同样，乙酰-CoA的积累下调β-酮硫解酶活性，终止并按比例限制线粒体的β-氧化途径，该途径对氧化还原和底物抑制敏感。

5.2 乳酸盐对基因表达的作用

除通过氧化还原调节短期的代谢控制以外，乳酸盐还具有对基因表达调控的长期作用。已经证明，耐力训练具有刺激线粒体生物合成的作用。也有研究表明耐力训练可以增强MCT1的表达，而且MCT1表达的这些变化与线粒体蛋白的水平有关。这些研究结果使我们不得不得出乳酸盐对自身代谢具有信号传递作用的结论。一元酸转运蛋白异构体(如：MCT1)是一种液体转运载体的基因超家族。其中第一个成员被命名为MCT1，是在1994年被发现的[60]。 该家族中的前4个异构体成员都是乳酸盐、丙酮酸运载体。当然，MCT1 (SLC16A1)是最广泛的一个成员，在多种细胞和组织中表达，从神经元到红细胞和精子[61]。而且，MCT1也在不同的细胞结构域中表达。在肌肉中，包括胞浆、线粒体和过氧化物酶体[14]膜中都有表达。有科学家研究了M CT1 mRNA和蛋白水平及其与内源性乳酸盐对应关系，证明乳酸盐的确可以在转录水平上调节MCT1的表达[63]。有人用培养的L6细胞研究了乳酸盐信号传递作用机制，追踪它和反应性氧(ROS)的关系，也有人研究了乳酸盐在伤口愈合过程中升高的规律，结果进一步证实了乳酸盐对MCT1基因启动子的调控作用，同时表明对已知的ROS-应答因子，如cAMP应答元件结合蛋白 (CREB)、核因子-κB (NF-κB)、活化蛋白-1(AP-1)、刺激蛋白-1 (SP-1)和核因子网织红细胞2 (NF-E2或Neff)都有调控作用。为了证实乳酸盐是否作为ROS诱发因子，科学家测定了L16细胞在20mmol/L乳酸盐存在时所产生的H2O2，结果表明，高葡萄糖和乳酸盐的确都可以对应性地增加过氧化氢的产生，也具有产生ROS的作用。在离体培养的肌细胞中，乳酸盐也具有产生ROS的作用，而且，乳酸盐还可以增加L6细胞的MCT1基因的表达，以及ROS-敏感性转录因子的活性，增加NF-κB DNA结合活性。同样，还可以增加NF-E2 DNA结合活性[62]。但是没有检测到它对AP-1和SP-1的作用。因此，NF-κB和NF-E2的DNA结合主要是对氧化应激所做出的应答。

由于细胞色素氧化酶(COX)是电子传递链的“终点站”，所以乳酸脱氢酶(LDH)和MCT1可能组成一个线粒体乳酸氧化复合物(LOX)，决定了20mmol/L乳酸盐对COX和过氧化酶体增生因子活化受体-γ、共激活因子-1α (PGC1α)蛋白的水平，而PGC1α是控制线粒体生成的主要协调者。已经有研究证明，乳酸盐可以增加L6细胞COX mRNA及其蛋白表达的水平。可见，乳酸盐可能作为线粒体增殖协同控制因子和PGC1α与转录因子相互作用，控制线粒体的基因表达，包括COX、CREB、核呼吸因子 (NRF)-1和NRF-2。由于线粒体是运动生理的重要基础，所以也有大量研究试图测定乳酸盐对线粒体MCT1、COX 和 LDH的作用，结果表明，线粒体的动力学变化的确涉及到MCT1和LOX蛋白。相关的信号作用于4个GTPases (Mfn1、Mfn2、OPA1、Drp1)和Fis1[62]。

5.3 乳酸盐的炎症和抗炎症作用

已知乳酸盐可以诱导胰岛素抗性，但是，其机制并未完全清楚。根据目前的研究，乳酸盐可以增加LPS刺激的炎症因子基因表达[63]，这些基因包括：细胞因子：GM-CSF (CSF2)、IL-6、TNF-α 和IL-1β；趋化因子如：MCP-1、CXCL10、IL-8。乳酸盐可以增强巨噬细胞TLR4信号传递，这在脂肪细胞胰岛素抗性中起重要作用。研究表明，乳酸盐刺激MD-2，一种TLR4信号传递活化辅助受体、NF-κB转录活性和人类U937组织细胞(驻留的巨噬细胞)炎症因子基因的表达，对单核细胞衍生的巨噬细胞也有刺激其炎症因子基因表达的作用。对其作用机制进行深入研究表明，乳酸盐诱发炎症作用可以通过抗氧化处理消除，证明其关键是乳酸盐诱发的反应性氧激活了TLR4。α-氰基-4-羟基肉桂酸是一种典型的一元羧酸载体，它可以阻断乳酸盐诱发的炎症因子基因的表达及其对NF-κB的激活作用，这说明乳酸盐通过一元羧酸载体的运转是增强TLR4活性所必需的。但是，本实验室通过小鼠灌胃、腹腔注射和尾静脉注射乳酸盐后，测定其血清中的细胞因子的变化发现，3种条途径血清中细胞因子IL-4 水平都明显上升，尾静脉注射组达到极显著水平；IL-10在灌胃组显著性升高，腹腔和尾静脉注射组有极显著性升高；对于TNF-α 3条途径均有极显著性升高；IL-1β水平在3条途径都有极显著性下降；3种给药途径与相应的对照组相比，血清中细胞因子IL-6 水平都明显上升，达到极显著水平；而IFN-γ的水平只有腹腔注射组有极显著性升高(P＜0.001)，灌胃和尾静脉注射组中IFNγ都未检出[4]。比较上述两个实验结果可以看出，实验结果在IL-6、TNF-α的升高是一致的，而重要的炎症细胞因子，IL-1β则是相反的，在本课题组的实验结果中，重要的抗炎症细胞因子IL-10也是显著升高的，这显然是因为Samuvel等[63]的研究是用细胞培养作出的，而我们看到，乳酸盐的作用是整体的，可以刺激炎症细胞因子的产生，同时也可以刺激抗炎症细胞因子，如IL-10的合成与分泌，本课题组一直主张体内和体外实验是有很大差异的。但是，无论如何，这些研究结果都证明了，乳酸盐的确具有复杂的信号传递作用，尤其是TLRs在胃肠黏膜系统也分布着相应的受体，显然为乳酸盐类发酵食品的信号传递作用奠定了分子和细胞生物学基础。

5.4 乳酸盐对NADH/ NAD＋的作用

本课题组在乳酸通量控制分析的研究中注意到，乳酸和丙酮酸的互换以及乳酸盐在各个层次上的穿梭作用对NADH/NAD＋具有重要的调节作用，所以笔者认为乳酸盐实际上就是一个还原力库。本课题组经过大量的实验表明，乳酸通量和NADH/NAD＋之间的确有非常紧密的相关性(尚未发表)。这就使我们不难看出，乳酸盐作为信号分子，其主要信号传递功能可能正是通过对还原力的调节及其本身的穿梭作用来实现。事实上，NAD＋的活性一直被作为氧化还原酶的辅助因子，它作用于非常广泛的蛋白质，包括NAD＋依赖蛋白脱乙酰基酶、多聚合酶(ADP-核糖)和转录因子等发挥多种功能。通过这些作用，NAD＋提供了细胞氧化还原状态和信号控制以及转录调节之间的直接联系。最近的研究证明，特别是在代谢和内分泌中，NAD＋依赖途径可能对氧化代谢和寿命延长发挥了主要作用[64]。

显然，乳酸盐通过和丙酮酸互换，及其在各个层次上的穿梭作用决定了不同细胞、细胞器、组织和器官NADH/NAD＋的动态平衡，从而发挥众多的生理功能和细胞信号传递作用：1)线粒体能量连接转氨酶和NAD＋/NADH与NADP＋/NADPH氧化还原状态的控制与调节。由于NAD＋和NADP＋氧化还原对之间是互相配合的，所以转氨酶反应的平衡常数需要N A D＋和NADP互相配合的氧化还原调节，也就是需要NAD＋/ NADH和NADP＋/NADPH的比例控制。有趣的是，转氨酶催化这一反应需要整合到线粒体膜上，和质子泵活性偶联在一起[65]。因此，转氨酶和线粒体的能量产生，以及呼吸链的复合物VI联系在一起。就像线粒体的F0F1-ATP酶 (复合物V)一样，转氨酶由质子泵通过跨线粒体膜的质子梯度驱动，并通过驱动NADH＋NADP＋←→NAD＋+NADPH平衡来加以控制。转氨酶和质子泵的偶联解释了为什么线粒体NADP(H)-氧化还原状态总是和线粒体的NAD(H)氧化还原状态相适应的原因(图9)。2)线粒体和细胞浆之间的NAD(H)-氧化还原控制。线粒体和胞浆NAD(H)-氧化还原状态是NAD＋的再生中多步骤反应的最终结果，包括：糖原分解酶催化葡萄糖分解为丙酮酸；线粒体膜上的丙酮酸运载体和丙酮酸脱氢酶复合物；柠檬酸循环；呼吸链；3)N AD＋作为信号分子。在动物中有3个家族的酶由NAD(H)控制：包括：抗衰老酶(sirtuins，后来发现，其实质是一个组蛋白脱乙酰基酶家族)、ADP-核糖转移酶(包括PARPs和ADP (cADP)-核糖合成酶)。这些NAD(H)-依赖酶不仅具有重要的代谢调控作用，而且在能量代谢、细胞生存和老化，特别是表观遗传修饰中发挥重要作用。已经有人提出：NAD(H)的消耗，主要是抗衰老酶的作用，可以用作依赖于NAD(H)的能量传感器，并能够用于引发适应性应答。4)动物中消耗NAD＋的酶——Sirtuins。Sirtuins是一个NAD＋依赖蛋白脱乙酰基酶家族，和酵母菌的沉默信息调控子-2(silent information regulator 2，Sir2)很相似。实际上，Sirtuins主要催化组蛋白的赖氨酸残基乙酰化修饰的逆反应——脱乙酰基反应，但是，并不像以前发现的另一种组蛋白脱乙酰基酶，因为它需要消耗NAD＋，释放NAM、O-乙酰ADP核糖和脱去乙酰基的底物[66]。科学家之所以对酵母菌的Sir2感兴趣，主要是因为它和转录沉默作用有关，而且这一作用与酵母菌的老化和衰老有关。1999年，Kaeberlein等[67]报道了增加Sir2的拷贝数可以严惩酵母菌寿命30%，而切除Sir2基因则具有缩短寿命50%的作用。脱乙酰基酶活性对NAD＋的依赖性促使科学家提出假说认为：Sir2可能作为一个代谢传感器，具有按照细胞代谢状态调节基因表达的能力[68]。作为该假说的证据，已经有一系列的研究表明，Sir2可能正是通过对卡值(能量)限制的关键性控制对寿命起作用[69-70]。在动物中，有7个Sir2系列已经得到研究，命名为：SIRT1～7，这些酶普遍表达，含有一个保守的催化中心，包含275个氨基酸残基[71]。5) NAD＋依赖性Sirtuins信号传递所产生的生物学作用。在所有的哺乳动物Sirtuins中，Sirt1是目前研究最多的一种。一般情况下，Sirt1在能量应激的情况下被活化，例如禁食、训练、或低葡萄糖，与此同时，细胞内的NAD＋水平也会增加[72-73]。虽然我们对哺乳动物的Sirt1仍知之甚少，但是它和代谢平衡的紧密联系是很清楚的。Sirt1依赖于NAD＋的转录调节和组蛋白修饰作用也已经得到了大量研究。

图9 能量与转氨酶和氧化还原状态的连接[73]Fig.9 Linkage between energy and transhydrogenase or redox state[73]

图9中复合物VI，主要是连接能量和转氨酶催化的反应： NADH＋NADP＋←→NAD＋＋NADPH。事实上，复合物VI 有跨线粒体膜的质子梯度驱动。就像F1F0-ATP酶一样驱动转氨酶反应。转氨酶的反应实际上是单向的(NADH＋NADP→NAD＋＋NADPH)。

6 乳酸盐的保健作用与应用

根据目前的研究成果，我们认为乳酸菌的益生作用可能主要是乳酸盐的作用，或者在某种程度上可以认为：所有的现代多细胞高等动物的祖先都是从乳酸菌进化而来。乳酸盐作为细胞内外和细胞间代谢在氧化还原、质子、合成与分解代谢以及能量平衡等方面的调节和关键作用，决定了它在多细胞生物中的中心地位。特别是乳酸盐在细胞器、细胞内外和循环系统的转运载体和穿梭作用更使得它可能在多细胞生物的代谢、基因表达调控和整体生命活动中处于核心地位。实际上，人们在长期的生产实际和科学研究中已经广泛注意到了乳酸盐的各种有益作用，并对其进行了多方面的开发应用。

6.1 乳酸盐对食品的保护作用

除乳酸链球菌素作为防腐剂以外，乳酸菌本身被用来抑制其他微生物污染和食品防腐已经成为食品界熟知的事实。乳酸盐本身的防腐作用也早已成为常识，乳酸钠对很多肉制品，如烤肉、火腿、香肠、鸡、鸭类产品和酱卤制品等的防腐作用的利用由来已久。但是其防腐作用的分子机制直到最近才逐渐显现出来。Mohan等[74]调查了糖酵解和三羧酸循环中几种中间代谢物乳酸盐、苹果酸和丙酮酸对牛肉，特别是肌红蛋白的氧化还原和护色防腐作用，证明乳酸对半腱肌和腰肌的护色保鲜作用最有效，表明这些代谢中间产物可以有效延长后僵期肌肉货架期，保护颜色，有效减少肌红蛋白氧化，增加肌红蛋白的还原性和稳定性。最近，Ramanathan等[75]利用乳酸盐等代谢中间产物对牛肉最长肌的护色作用进行了研究，结果证明，给腰方肌注射琥珀酸、丙酮酸和乳酸盐可以提高肌肉的pH值，这3种化合物可以在贮存和高氧包装期间增加牛排的色泽稳定性。这些研究证明，乳酸盐的确可以通过增强在失去血液循环和氧化呼吸能力的情况下发挥积累NADH，保护肌肉免受氧化退色的作用。

6.2 瓦氏效应，营养与癌症

按照瓦氏效应，肿瘤组织和正常组织相比，对葡萄糖有更大的依赖性，癌细胞将葡萄糖通过戊糖途径、三羧酸循环和有氧发酵生成乳酸为其不间断的合成代谢提供NADH、中间代谢物和ATP，总体上表现出在有氧的情况下酵解生成大量乳酸盐。为了达到这些目的，癌细胞必须显著提高葡萄糖的吸收、转运和乳酸生成与排出。与此同时，就需要相关活性调节和代谢途径关键酶的过量表达[76]。显然我们可以利用肿瘤细胞的这些特性和适合的靶标来筛选抗癌药物。早在1 8 8 5年，Freund[77]就观察到癌症病人可能会发展成自发的高血糖症，所以人们一直致力于通过适当的营养来改变葡萄糖代谢治疗癌症。后来，在1924年，Krebsforsch等[78]总结了当时的发现：“富含碳水化合物的营养可以显著刺激肿瘤的生长”。肿瘤的另一个显著特点是增加胰岛素的抗性[79]和脂肪酸的氧化[80]。相反，肿瘤细胞常常缺少应用脂肪酸或酮体 (乙酰乙酸、β-羟丁酸)作为碳(能)源的能力，甚至会遭到这些化合物的伤害[81]。因此促进机体的脂肪酸代谢抑制葡萄糖代谢有可能抑制肿瘤的发展。低卡值/高脂肪(low carb /high fat，LCHF) 饮食以及严格限制碳水化合物生酮的营养符合这一目的。这里，酮体是由肝脏氧化脂肪酸的中间代谢产物。它可以在完全没有碳水化合物的情况下替代葡萄糖作为健康组织，包括大脑的能源。早在20世纪20年代，生酮营养就被用来治疗儿童癫痫[82]。最近，运用酮体作为碳水化合物的营养食品已经大量用于抗癫痫治疗，没有发现任何副作用[83-84]。1995年，两个女性儿科晚期星形细胞瘤患者用基于中等长度脂肪链甘油三酯(MCT)作为脂肪营养的KD食品进行了治疗，两个病人的肿瘤的葡萄糖吸收显著减少，其中一人经历了12个月没有进一步发展，10年以后依然健在[85]。已经有研究证明，减少卡值的KD食品可以显著地缩小小鼠脑癌，还有报道说，一个女性恶性胶质瘤患者也得到了很好的治疗，但是伴随着体质量的明显下降[86]。早就有研究表明酮体，β-羟丁酸可以在离体的条件下抑制一些肿瘤细胞的生长[87]。已经有研究证明，β-羟丁酸和乙酰乙酸可以抑制结肠和乳腺癌细胞系[88]，以及神经细胞瘤。最近的研究表明，KD食品可以显著缩小肿瘤的体积，并增加小鼠前列腺癌症模型生存期[89]。另外，富含ω-3脂肪酸的食品，即使不含酮体也已经表明具有降低肿瘤生长和肿瘤细胞繁殖率的作用[90]。有人将无限制的酮体营养用ω-3脂肪酸进行强化，结果有效拖延了模型小鼠的肿瘤生长[91]。最近，Schmidt等[92]进行了部分志愿者的临床研究，结果表明，KD的确适合于癌症治疗，也包括晚期癌症病人，没有任何副作用，有效改善了病情，改进了生活质量。可以看到，根据癌细胞和肿瘤细胞的代谢特点，我们可以通过设计对应的营养食品来抑制和防止癌症发生，也可以用于癌症和肿瘤的辅助治疗。也许在不远的将来就会证明可以通过乳酸盐控制和治疗癌症。

6.3 乳酸盐和体能，富含乳酸盐的食品或能作为高能食品？

在大宗的发酵食品中，存在3种主要发酵成分：醋酸、乙醇和乳酸盐。其中只有乳酸盐是动物的营养成分，而且是一种重要的中间代谢产物。乳酸盐可以直接进入代谢，经丙酮酸进入TCA循环和氧化呼吸链，1个分子的乳酸最多可以产生18个分子的ATP。事实上，机体在休息、劳动、锻炼和剧烈运动中都会造成各部位对能量需求的变化，而线粒体的呼吸能力受氧气供应量的控制，在氧气供应不足或者合成代谢大于分解代谢时都需要不同的氧化呼吸水平。特别是在肌肉收缩时，需要大量的能量，这势必造成局部能量供应不足，需要大量的ATP补充，造成氧气临时短缺，只能通过糖酵解生成乳酸，通过底物磷酸化合成ATP来应急。所生成的乳酸盐可以通过循环系统运送到其他组织或器官进行氧化。可见乳酸盐的穿梭和异地氧化能力与机体的运动生理密切相关。已经有一系列运动和血乳酸盐含量的研究，证明：短期剧烈运动(400m竞赛)血乳酸会迅速提高，从进氧量和耗能量的比值可以看出，此时机体的能量一部分来自糖酵解，在停止运动后，血乳酸将很快消失，机体不再通过糖酵解释放能量，并已经证明这些乳酸主要是通过肌肉、血液、心、脑、肝，特别是肌纤维重新氧化分解，只有少数按照Cori循环进行糖异生作用，但是主要用以补充肌糖原，因为在运动状态，厌氧酵解的主要葡萄糖来自糖原分解，这样可以最大程度地提供ATP。与剧烈运动不同，耐受性运动(如马拉松比赛)则开始血乳酸会升高，短暂的时间(60s)之后血乳酸趋于稳定，这说明此时机体可以通过乳酸盐的稳定穿梭从氧气不足的地方循环到其他氧气充足的地方氧化，机体的能量完全是靠氧化呼吸作用，并没有明显的酵解供能[93]。

显然，乳酸盐的穿梭、循环和消化能力是机体运动能力的一个非常好的评估指标，一个能够很快将血乳酸散布和氧化的机体，肯定是一个充满活力的机体，也是运动能力和运动员体能的一个重要评价指标。不仅如此，已经有大量研究证明，即使在静息状态，也有一定的血乳酸通量存在，可见乳酸盐循环作为机体能量和还原力的动态平衡控制不可能停止运转，因为机体的各种不同的生理活动不会停止运转。因此，血乳酸通量指标可能是机体各种应激能力的重要指标[94]，也是机体年龄、健康状况甚至癌症病人存活期的重要指标[95]。对于体力劳动者，特别是运动员，其肌纤维和骨骼肌的发达程度与乳酸盐的消化能力密切相关，劳动和锻炼可以增强机体乳酸盐的穿梭和处理能力，因此可以增强其体能。总结上述研究成果，笔者可以大胆提出：富含乳酸盐的食品，可以作为重要的高能食品，食用富含乳酸盐的食品不仅可以在短期内直接氧化为机体提供大量能量，而且通过长期适量食用，还可以增强乳酸盐的循环和处理能力，对于维护机体的生理机能，运动能力，延缓衰老，防癌、抗癌具有一定的保健作用。

7 展 望

对乳酸盐的研究由来已久，但是过去一直把机体中乳酸盐的产生作为疲劳，或者病态的象征。但是，近年来的研究已经充分证明，乳酸代谢，特别是乳酸盐穿梭和循环作用，不仅在多细胞动物的生理生化、合成与分解代谢、能量、氧化还原平衡中具有关键性作用，也是机体生理机能，包括健康和疾病的重要标志。正是乳酸盐的穿梭和循环作用，沟通了整个机体的氧化还原代谢、合成与分解代谢、能量和呼吸协调、生理与生态平衡、发育与分化等生命活动。当机体乳酸盐代谢、穿梭和循环异常时，恰恰反映了机体在整体协调上出了问题，是机体损伤和病变的结果而不是原因，所以肿瘤细胞和癌细胞往往表现出乳酸代谢和乳酸盐穿梭与循环异常(如瓦氏效应)，通过相应的研究，对于癌症的预防和治疗可能具有极其重要的意义。

乳酸菌是一系列可以产乳酸盐的微生物，这些菌中之所以有不少都具有益生作用，可能正是由于其产乳酸盐的作用。通过控制乳酸代谢、转运、穿梭和循环进行的肿瘤治疗已经取得了长足的进步，特别是通过食品营养成分对乳酸代谢进行控制，也已经在实验动物和志愿者的临床实验中获得了令人兴奋的结果，无疑为我们在不伤害机体正常细胞的前提下攻克肿瘤和癌症开辟了一条新途径。今后，我们应该加强相关的代谢组学、代谢网络和代谢通量控制等方面的研究，在整体和“组学”的层面上揭示机体的生理、病理机制。特别是对乳酸代谢和生理作用的研究，应该着重其整体调节和生理功能的系统研究，特别强调其体内研究。尽量防止由离体培养的细胞，特别是癌细胞研究的局限性所带来的错误结果的干扰，因为离体培养割裂了细胞之间、器官和组织之间的能量、氧化还原、信号传递和生理生化活动之间的联系，乳酸盐正是通过这些联系起作用。

我们应该进一步加强营养和功能性食品对机体生理和生化代谢调节作用的研究，特别是对乳酸穿梭和循环作用的研究，为通过营养和功能性食品来控制和调节机体的生理、生化作用，从而为人类健康服务。我们还应该加强胃肠道微生态系统中代谢组学和机体代谢网络的互作研究，这对揭示功能性食品发挥功能作用的分子机制具有重要意义。我们还应该努力寻找更加科学合理的功能性食品的功能评价方法和科学指标，从而科学地评价食品的功能作用，乳酸盐，可能是一个理想的功能评价指标。另外，乳酸代谢和功能研究结果告诉我们：体外实验结果是靠不住的！

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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

国家自然科学基金项目(30871951)

庞广昌(1956—)，男，教授，博士，主要从事食品生物技术和免疫信号通路研究。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn