Биологические науки / 9. Биохимия и биофизика

Воронкова Ю.С.

Дніпропетровський національний університет імен Олеся Гончара

ВУГЛЕВОДНИЙ ТА ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН ЕРИТРОЦИТІВ ПРИ РОЗВИТКУ НОВОУТВОРЕНЬ

Вступ

В останні роки проведено багаточисельні дослідження з вивчення процесу енергетичного обміну та змін ензиматичної активності ключових ферментів даного процесу. Доказано порушення функціонування мітохондрій при різних патологічних станах, таких як первинні мітохондріальні захворювання, хронічні хвороби серцево-судинної та нервової систем, шлунково-кишкового тракту [17]. Зміни енергетичного обміну можуть проявлятися порушеннями в роботі практично усіх органів та систем, але найбільш вираженими вони є в енергозалежних – система червоної крові, нирки, печінка [17, 21]. Енергетичний та вуглеводний обміни знаходяться в центрі уваги, оскільки об’єднують у собі дані про взаємозв’язок ракових генів, біоенергетики та злоякісної трансформації [11]. За умов розвитку новоутворення зростають енергетичні потреби клітин, а відповідно зростає і споживання глюкози пухлиною, що супроводжується розвитком гіпоглікемії.

Якісним та кількісним змінам системи червоної крові передують зміни біохімічних характеристик еритроцитів, без дослідження змін яких не можна охарактеризувати повною мірою стан організму в цілому та його здатність до підтримки гомеостазу [1]. Одним із таких чинників є розвиток новоутворення, що супроводжуються зміною вуглеводного та енергетичного обміну [2, 21].

Метою роботи було охарактеризувати вуглеводний та енергетичний обмін еритроцитів та його зміни при виникненні злоякісних новоутворень.

Енергетичний обмін еритроцитів

Енергетичний обмін пухлинних клітин значно відрізняється від такого нормальних клітин [6, 18]. Для більшості своїх енергетичних потреб нормальні клітини використовують процес дихання, який полягає в отриманні кисню та глюкози для виробництва енергії та зберігання її у вигляді АТФ, але навіть в присутності кисню ракові клітини підвищують свій потенціал до продукції лактату [4]. При цьому продукція АТФ шляхом аеробного гліколізу малоефективна та може розглядатися як механізм виживання пухлинних клітин в умовах поганої васкуляризації [7, 11]. Пухлинні клітини на відміну від нормальних проліферуючих клітин мають дещо відмінні метаболічні характеристики: підвищене споживання глюкози (як основного енергетичного субстрату), підвищення синтезу ліпідів та нуклеїнових кислот, зниження інтенсивності процесу дихання у мітохондріях та окислення ацетил-CoA [19]. Шляхом підвищення активності ключових ферментів гліколізу (гексокінази, фосфофруктокінази та піруваткінази) і мітохондріальної дезрегуляції рівень гліколізу в пухлинних клітинах підвищується, забезпечуючи високий рівень утворення проміжних продуктів (рибозо-5-фосфату, гліцерол-3-фосфату, ацетил-CoA, серину) для синтезу нуклеїнових кислот та ліпідів [18].

Метаболізм глюкози в еритроцитах

Метаболізм глюкози відбувається двома шляхами: анаеробним гліколізом та за пентозофосфатним шунтом [1]. Злоякісна трансформація клітин тісно пов’язана зі зміною активності гліколітичного розпаду глюкози [4, 7, 8, 9, 10, 13]. Глюкоза, як основне джерело енергії, засвоюється в нормальних клітинах при наявності кисню, що приводить до повного її окиснення та, у свою чергу, запускає цитоплазматичний процес гліколізу, а згодом цикл трикарбонових кислот та окиснювальне фосфорилювання. На відміну від нормальних клітин у експериментах in vitro та in vivo показано [8, 9, 23], що пухлинні клітини використовують здебільше гліколіз, як конверсію глюкози у піруват, а згодом в лактат, більш ніж окислювальне фосфорилювання, навіть у присутності кисню [6]. Цей шлях є не настільки ж ефективним, як окислювальне фосфорилювання у продукції енергії. Тому, щоб відповідати високим енергетичним потребам, клітини пухлин збільшують продуктивність гліколізу, інтенсивність протікання якого корелює зі ступенем злоякісності [3]. Одним мілілітром еритроцитів людини утилізується близько 2 мкмоль/год глюкози. Збільшення поглинання глюкози та її транспорт з плазми до еритроциту забезпечується специфічними переносниками – GLUT’s, розташованими на поверхні мембрани [23]. GLUT1-залежний транспорт глюкози регулюється інтенсивністю гліколізу, який протікає в еритроциті та з утворенням більшої кількості АТФ блокує роботу GLUT1 до відновлення енергетичного потенціалу еритроциту [15]. Кінетика переносу глюкози крізь мембрану еритроцитів підпорядковується залежності Міхаеліса-Ментен. Швидкість гліколізу в пухлинних клітинах може бути більш ніж у 30 разів більшою, ніж у нормальних клітинах [12], і близько 63% енергетичних потреб злоякісні клітини отримують саме таким чином [7].

За нормальних умов більш 90% витрачаємої еритроцитами глюкози розщеплюється у гліколізі, який забезпечує клітину АТФ, необхідну для енергозалежних процесів переносу крізь клітинну мембрану. При фізіологічних умовах одна клітина метаболізує близько 8̇×10^-20 моль глюкози у секунду. Енергія АТФ необхідна для активного транспорту моновалентних катіонів, руху Na⁺ та K⁺ для підтримання характерного складу клітини, для нормальної роботи Na⁺/K⁺ - АТФази.

Крім цього, гліколіз є не тільки основним джерелом енергії для еритроцитів, а ще він продукує алостеричний ефектор – 2,3-дифосфогліцерат (2,3-ДФГ) [3, 20]. Утворення 2,3-ДФГ важливе для алостеричної регуляції синтезу гемоглобіну, підвищення ефективності даного білку на етапі передачі кисню тканинам, оскільки, зв’язуючись з гемоглобіном 2,3-ДФГ знижує його спорідненість до кисню. Це має значення у зв’язку з протікаючим спонтанно утворенням глікозильованої форми гемоглобіну (HbA1c), яка виявляє в 10 раз більш високу спорідненість до кисню [3]. Підвищення рівня HbA1c призводить до гіпоксії тканин. У відповідь на хронічну гіпоксію відбувається стимуляція еритропоезу, збільшується в крові вміст загального гемоглобіну та викид у кровоток молодих форм еритроцитів. Показано, що підвищення рівня HbA1c супроводжується розвитком колоректального раку, пухлин молочної залози у жінок, раку печінк, ендометрію та підшлункової залози.

Зміни обміну при пухлинному рості

Гліколітичний метаболон включає в свою структуру 13 ферментів. Три реакції гліколізу в еритроцитах, що каталізуються гексокіназою, фосфофруктокіназою та піруваткіназаою характеризуються найбільшими змінами вільної енергії та є найбільш важливими у всьому гліколітичному ланцюзі [1]. Зміни активності гексокінази (КФ 2.7.1.1) можуть обумовлюватись одночасно, як розвитком новоутворення та, у свою чергу, порушеннями структурно-функціональної цілісності мембран і внаслідок цього гліколітичного метаболону, так і впливом змін вмісту алостеричних ефекторів – іонів Mg⁺², АТФ та субстратів [5]. На активності гексокінази також позначається ефект дезоксигенації клітини. При дезоксигенації активність ферменту підвищується внаслідок того, що 2,3-ДФГ є інгібітором гексокінази (в цих умовах концентрація органофосфату знижується) [1]. Підвищення гексокіназної активності в еритроцитах при розвитку новоутворення свідчить про інтенсифікацію внутришньоеритроцитарних гліколітичних реакцій, що, спряжено не тільки з підсиленням генерування АТФ, але і також відновних еквівалентів у вигляді НАДН. Це відображає процес метаболічної перебудови в еритроцитах, перемикання цих клітин на використання глюкози в більшому ступені по гліколітичному шляху та в меншому ступені – пентозофосфатному шляху. Крім того, зміни проліферативної активності еритрону, що спостерігаються при розвитку новоутворень різної етіології та за дії рентгенівського опромінення малої потужності, ведуть до збільшення в периферичній крові популяції еритроцитів з більш високою активністю гексокінази.

Внаслідок пригнічення піруваткіназної активності в еритроцитах виникає дефіцит АТФ, що призводить до порушення сталості внутрішньоклітинного складу та цілісності мембрани [15]. Швидкість споживання АТФ при розвитку новоутворення дорівнює сумі швидкостей зниження концентрації АТФ і 2,3-ДФГ. Зниження концентрації АТФ в еритроцитах – результат уповільнення синтезу в процесах гліколізу та активації розпаду. 2,3-ДФГ складає близько 60% усіх органічних фосфатів еритроциту. Даний органофосфат вважають маркером гіпоксії. Більш інтенсивне зниження рівня АТФ в еритроцитах при розвитку новоутворення призводить до зниження швидкості продукції відновних еквівалентів, підвищує загрозу окислювального руйнування еритроцитів, є причиною зниження деформації еритроцитів. Зниження здатності еритроцитів до деформації підвищує в’язкість крові, гальмує проходження еритроцитів по капілярам та уповільнює газообмін у тканинах [5].

Кінцевим ферментом гліколізу є лактатдегідрогеназа (ЛДГ, КФ 1.1.1.27), аналіз ізозимного спектра якої може дати уявлення про стан енергозабезпечення. Відновлення глюкози із лактату є важливим механізмом видалення лактату з системного кровотоку після тканинної гіпоксії. При розвитку новоутворення в умовах енергетичної напруги компенсаторно активується анаеробний шлях утилізації глюкози, при цьому активність лактатдегідрогенази підвищується, що показано in vivo у моделі лейкемії на мишах, у пацієнтів з нейробластомою, пухлиною легень та нирок. Також показано, що при розвитку раку молочної залози існує тісний зв'язок між активністю лактатдегідрогенази у сироватці крові та суміжною тканиною, що свідчить про системний характер порушення цілісності клітинних мембран. І основним джерелом походження лактатдегідрогенази у циркулюючому руслі крові є посилення виходу даного ферменту з пухлинних клітин та суміжної тканини біля пухлинного вузла. Подібні результати було отримано при дослідженні метаболізму клітин крові та молочної залози [4].

Інший, досить важливий шлях метаболізму глюкози в червонокрівцях – пентозофосфатний. Еритроцитам потрібен НАДФ·Н для підтримання глутатіону в його відновленій формі. За літературними даними [22] глутатіонредуктазна система сприяє активації пентозофосфатного шляху, швидкість якого гальмується при накопиченні НАДФ·Н. Окиснення останнього пов’язано з активністю глутатіону та глутатіонредуктази. Якщо окиснений глутатіон не може відновлюватися, то знижується інтенсивність роботи пентозофосфатного циклу, що є характерним при спадковій нестачі глутатіонредуктази [14] та за розвитку новоутворення. Надлишок окисненого глутатіону призводить до інактивації деяких ферментів та зниження утилізації глюкози в реакціях пентозофосфатного циклу [1, 22]. Збереження цілісності еритроцитів залежить також від наявності SH-груп. Відомо, що 90% SH-груп еритроцитів знаходиться у складі глутатіону. Показано, що зниження рівня відновленого глутатіону в еритроцитах сприяє інактивації ряду ферментів (гексокінази, глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, піруваткінази) та АТФ, що призводить до вагомих порушень метаболізму та прискорює загибель еритроцитів [13].

Висновок

Виснаження еритроїдного ростку кісткового мозку, яке виникає на фоні неопластичної трансформації, призводе до пригнічення еритропоезу, зміні біохімічних характеристик еритроцитів, їхнього структурно-функціонального стану та, відповідно, до змін енергетичного обміну еритроцитів [20, 23]. Гіпоглікемічний стан, притаманний організму при розвитку новоутворень, зачіпає вуглеводний обмін еритроцитів. Незважаючи на значний обсяг робіт присвячених вивченню вуглеводного та енергетичного обміну при багатьох патологічних станах організму, даних присвячених вивченню саме цих процесів в еритроцитах майже не зустрічається. Отже, оскільки гіпоглікемічний стан, що притаманний організму при розвитку новоутворень зачіпає і вуглеводний обмін еритроцитів [16], постає актуальним завдання дослідження змін біохімічних характеристик еритроцитів у моделі пухлинного росту, що має на меті розробку нових препаратів проти пухлин, що на метаболічному рівні сприятимуть збереженню пулу еритроцитів.

Література:

1. Атауллаханов Ф.И. Регуляция метаболизма в эритроцитах // Биохимия. – 1982. – Т. 47, вып. 1. – С. 143-148.

2. Воронкова Ю.С. Характеристика анемічного та гіпоглікемічного стану крові при розвитку карциноми Герена та застосуванні цисплатину і кластерних сполук ренію при різних формах введення / Ю.С. Воронкова, О.Д. Скорик, Н.І. Штеменко // Медична хімія. – 2012. – 2(51). – Т.14. – С. 18-24.

3. Казакова В.В. Характеристика интенсивности гликолиза и образования гликозилированной формы гемоглобина в эритроцитах при кардиомиопатии / В.В. Казакова, Н.М. Ёлкина, Е.Г. Луцик [и др.]. // Крымский журнал эксперим.и клинич.медицины. – 2011. – т.1, №2(2). – С.23-25.

4. Шатова О.П. Активность лактатдегидрогеназы при раке молочной железы / О.П. Шатова, Б.Г. Борзенко, Д.А. Хилько и др. // Питання експерим та клініч медицини. – 2008. – вип.12, т.1. – с.197-203.

5. Юнусов Т.Ю. Влияние эндотоксина сальмонелл на функциональное состояние эритроцитов // Вестник гигиены и эпидемиологии. – 2000. – т.4, №2. – С. 224-226.

6. Buentke E. Glucocorticoid-induced cell death is mediated through reduced glucose metabolism in lymphoid leukemia cells / E. Buentke [et al.] // Blood Cancer Journal. – 2011. – 1, e31.- Р. 1-9.

7. Busk M. Aerobic glycolysis in cancers: Implications for the usability of oxygen-responsive genes and fluorodeoxyglucose-PET as markers of tissue hypoxia / M. Busk [еt al.] // Int. J. Cancer. – 2008. – 122. – Р. 2726-2734..

8. Cairns R.A. Cancer cell metabolism / R.A. Cairns, I. Harris, S. McCracken [et al.]. // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. – 2011. – 76. – P. 299-311.

9. Cuezva J.M. The bioenergetic signature of cancer // BMC Proceedings. – 2010. – 4(2). – P.1-2.

10. Dang Chi V. MYC, metabolism, cell growth and tumorigenesis // Cold Spring Harb Perspect Med. – 2013. – 3. – P.1-16

11. Eigenbrodt E. New perspectives on carbohydrate metabolism in tumor cells / E. Eigenbrodt, P. Fister, M. Reinacher/ In: R. Beitner (ed.), Regulation of carbohydrate metabolism, vol. 2, pp. 141-179, Boca Raton, FL: CRC Press, 1985.

12. Ganapathy V. Nutrient transporters in cancer: Relevance to Warburg hypothesis and beyond / V. Ganapathy, M. Thangaraju, P.D. Prasad // Pharmacol. Ther. – 2009. – 121. – Р. 29-40.

13. Hsu P.P. Cancer cell metabolism: Warburg and beyond / P.P. Hsu, D.M. Sabatini // Cell. – 2008. – 134. – P.703-707.

14. Kamerbeek N.M. Molecular basis of glutathione reductase deficiency in human blood cells / N.M. Kamerbeek, R. van Zwieten, M. de Boer [et al.]. // Blood. – 2007. – 109. – P.3560-3566.

15. Levine K.B. Properties of the human erythrocyte glucose transport protein are determined by cellular context / K.B. Levine, T.K. Robichud, S. Hamill [et al.] // Biochemistry. – 2005. – 44. – P. 5606-5616

16. Liu H. Fructose induces transketolase flux to promote pancreatic cancer growth / H. Liu, D. Huang, D.L. McArthur [et al]. // Cancer Res. – 2010. – 70. – P. 6368-6376.

17. Luft R. The development of mitochondrial medicine // Proc natl Acad Sci USA. – 1994. – 91. – P.8731-8738

18. Lyon R.C. Glucose metabolism in drug-sensitive and drug-resistant human breast cancer cells monitored by magnetic resonance spectroscopy / R.C. Lyon, J.S. Cohen, P.J. Faustino [et al.] // Cancer Res. – 1988. – 48. – P. 870-877.

19. Moreno-Sanchez R. Energy metabolism in tumor cells / R. Moreno-Sanchez, S. Rodriguez-Enriquez, A. Marin-Hernandez [et al.]. // FEBS J. – 2007. – 274. – P.1393-1418.

20. Plathow C. Tumor cell metabolism imaging / C. Plathow, W.A. Weber // The Journal of Nuclear Medicine. – 2008. – 49, №6. – Р. 43-63.

21. Tennant D.A. Metabolic transformation in cancer / D.A. Tennant [et al.] // Carcinogenesis. – 2009. - 30, №8. – Р. 1269-1280.

22. Waggiallah H. The effect of oxidative stress on human red cells glutathione peroxidase, glutathione reductase level, and prevalence of anemia among diabetics / H. Waggiallah, M. Alzohairy // North Amer J of Med Sci. – 2011. – 3. – P.344-347.

23. Younes M. Overexpression of the human erythrocyte glucose transporter occurs as a late event in human colorectal carcinogenesis and is associated with an increased incidence of lymph node metastases / M. Younes, L.V. Lechago, J. Lechago // Clin Cancer Res. – 1996. – vol.2. – P.1151-1154.