腫瘤細(xì)胞能量代謝特點(diǎn)及應(yīng)用

1、癌細(xì)胞能量代謝的特點(diǎn)及代謝中的癌細(xì)胞能量代謝的特點(diǎn)及代謝中的應(yīng)用應(yīng)用主講人：陳偉主講人：陳偉 1了解能量代謝123生物氧化腫瘤細(xì)胞能量代謝特點(diǎn)和應(yīng)用能量代謝的定義？ 能量代謝:指體內(nèi)物質(zhì)代謝過(guò)程中所伴隨的能量釋放、轉(zhuǎn)移、貯存和利用的過(guò)程。也就是從能量方面來(lái)觀察物質(zhì)代謝。 在能量代謝方面，在化學(xué)鍵能（呼吸、發(fā)酵）或光能（光合成）直接轉(zhuǎn)化成熱量前轉(zhuǎn)換成ATP，但是轉(zhuǎn)化的效率為3060，轉(zhuǎn)化成熱能的一部分用于維持體溫，或補(bǔ)償由于蒸發(fā)而散失的熱量等。捕獲和貯藏的化學(xué)能根據(jù)需要而轉(zhuǎn)換成力學(xué)能、電能、光能等。 生物體的能量代謝也服從于熱力學(xué)第二定律。如果對(duì)生物界能量代謝的能流追根問(wèn)底的話，那么太陽(yáng)能幾乎是

2、一切能的來(lái)源。 Part1：了解能量代謝了解能量代謝動(dòng)物機(jī)體能量來(lái)源與去路圖動(dòng)物機(jī)體能量來(lái)源與去路圖植物能量代謝圖植物能量代謝圖微生物能量代謝圖微生物能量代謝圖Part2Part2：生物氧化：生物氧化生物氧化 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過(guò)程稱為生物氧化（biological oxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。在真核細(xì)胞內(nèi)生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行；在不含線粒體的原核生物（如細(xì)胞）體內(nèi)生物氧化則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。1. 1. 生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過(guò)程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH

3、和常溫）。2. 2. 氧化進(jìn)行過(guò)程中，必然伴隨還原反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。3. 3. 在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。生物氧化的特點(diǎn) 高能磷酸化合物 高能磷酸化合物在生物機(jī)體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著很重要的作用，在機(jī)體內(nèi)有很多高能磷酸化合物，其磷酸鍵中貯存有大量的能量，這種能量稱為磷酸鍵能。這類化合物的典型代表是三磷酸腺苷（ATP)NNNNN H2OO HO HCH2PO-OHHHHOPO-OOP-OO-O其他高能化合物其他高能化合物分類及舉例釋

4、放能量（pH7.0,25)UTP、CTP、GTP30.5 kJ/mol1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸61.9 kJ/mol磷酸肌酸43.9 kJ/mol乙酰CoA、琥珀酰CoA、脂酰CoA31.4 kJ/mol高能化合物之間的轉(zhuǎn)換核苷二磷酸激酶ADP累積時(shí)，也可產(chǎn)生ATP： ADP + ADP ATP + AMP腺苷酸激酶 呼吸鏈（respiratory chain)概念：線粒體內(nèi)膜中的一系列遞氫和遞電子酶及其輔酶按照一定順序排列成的連鎖性氧化還原體系。氧化磷酸化呼吸鏈中電子的傳遞過(guò)程偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP的方式，稱為氧化磷酸化；是體內(nèi)產(chǎn)生ATP的主要方式A 代謝脫下的成對(duì)氫原子

5、（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水；B 該酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上；C 此過(guò)程與細(xì)胞呼吸有關(guān)。因此，稱為呼吸鏈。氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）呼吸鏈中電子的傳遞過(guò)程偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP的方式，稱為氧化磷酸化；是體內(nèi)產(chǎn)生ATP的主要方式 part3 腫瘤細(xì)胞能量代謝特點(diǎn)及應(yīng)用 腫瘤細(xì)胞與人體正常細(xì)胞在代謝上有些不同, 這主要體現(xiàn)在能量代謝和物質(zhì)代謝上。腫瘤細(xì)胞能量代謝的特點(diǎn)表現(xiàn)在活躍地?cái)z取葡萄糖和谷胺酰胺, 進(jìn)行有氧糖酵解(Warburg效應(yīng))。這種看上去很不經(jīng)濟(jì)的能量供給方式對(duì)腫瘤細(xì)胞卻是必需的, 它既為腫瘤

6、細(xì)胞的不斷生長(zhǎng)提供能量, 也為它們提供了生物合成的原料。正常細(xì)胞的能量代謝 細(xì)胞代謝依賴ATP提供能量。細(xì)胞產(chǎn)生ATP的方式主要有兩種, 糖酵解和氧化磷酸化。糖酵解是指在細(xì)胞質(zhì)中分解葡萄糖生成丙酮酸的過(guò)程, 此過(guò)程僅產(chǎn)生2個(gè)ATP。正常細(xì)胞從糖酵解中獲取大約20%30%自身代謝所需的能量。在有氧條件下, 丙酮酸被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)進(jìn)一步氧化分解生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)（ TCA cycle), 經(jīng)氧化磷酸化完全分解成水和二氧化碳并產(chǎn)生ATP和NADPH。這一過(guò)程提供了細(xì)胞代謝所需能量的70%。在缺氧條件下丙酮酸被乳酸脫氫酶A (lactate dehydrogenase A, LDH-A)還原

7、為乳酸, 伴有NADH的氧化過(guò)程, 形成的NAD+對(duì)維持糖酵解過(guò)程是必需的腫瘤細(xì)胞七大特性1腫瘤的自我增殖能力2凋亡抵抗3無(wú)限的復(fù)制潛能4對(duì)抗生長(zhǎng)信號(hào)的不敏感性5持續(xù)的血管生成能力6組織侵襲轉(zhuǎn)移能力7有氧糖酵解能力非常強(qiáng) 其中有氧糖酵解是腫瘤的最重要特征之一，他為腫瘤細(xì)胞提供了生存優(yōu)勢(shì)目前多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為惡性腫瘤不僅是一種基因病。也是一種能量代謝性疾病。腫瘤細(xì)胞糖酵解代謝活躍的機(jī)制1：HIF的激活導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞糖酵解增加 腫瘤組織由于其快速生長(zhǎng)的特點(diǎn), 加之腫瘤組織的血管結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致供血減少, 因此缺氧是腫瘤細(xì)胞普遍存在的狀態(tài)。缺氧的微環(huán)境會(huì)刺激細(xì)胞低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia induciblef

8、actor, HIF)基因的轉(zhuǎn)錄而HIF1的激活使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子糖酵解酶的表達(dá)增加并加速糖酵解，結(jié)果使乳酸產(chǎn)生增多，增加腫瘤微環(huán)境的酸性進(jìn)而促進(jìn)糖酵解，此外，HIF1也能激活丙酮酸脫氫酶激酶 （PDKs) ， PDKs使線粒體中的丙酮酸脫氫酶復(fù)合體失活，減少葡萄糖來(lái)源的丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，因此使氧化磷酸化和氧消耗減少，使腫瘤細(xì)胞的糖酵解增加，并在低氧條件下節(jié)約氧，因此進(jìn)一步促進(jìn)了腫瘤的有氧糖酵解的發(fā)生。2 2基因表達(dá)的異常改變基因表達(dá)的異常改變 糖酵解關(guān)鍵酶或載體活性或數(shù)量的改變也與基因的異常改變密切相關(guān)，如原癌基因Ras,Myc等異常活化，或是抑癌基因如P53突變等的失活。癌組織中普遍存在的

9、缺氧微環(huán)境會(huì)進(jìn)一步增加這些基因和酶的活性。缺氧和Ras蛋白也通過(guò)增加 HIF-1和HIF-2上調(diào)糖酵解。HIF-1的激活在癌細(xì)胞糖酵解相關(guān)酶或載體的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中扮演重要角色。3 3線粒體氧化磷酸化功能的損害線粒體氧化磷酸化功能的損害 有氧糖酵解的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是線粒體功能缺陷, 會(huì)造成線粒體氧化磷酸化功能的損害。引起線粒體氧化磷酸化功能的損害的原因有多種, 如線粒體DNA變異、電子傳遞鏈機(jī)能障礙、能量代謝相關(guān)酶類的表達(dá)異常等。 葡萄糖經(jīng)GLUT進(jìn)入細(xì)胞后經(jīng)糖酵解生成丙酮酸，在正常條件下丙酮酸在線粒體內(nèi)進(jìn)行氧化磷酸化，而在缺氧條件下丙酮酸被LDH-A還原為乳酸，癌細(xì)胞即使在有氧條件下也將丙酮

10、酸轉(zhuǎn)化成乳酸癌細(xì)胞還具有大量攝入谷氨酰胺供其生長(zhǎng)的能力Myc和P53分別在不同層面影響細(xì)胞能量代謝myc激活或p53失活使癌細(xì)胞能量代謝向有氧糖酵解傾斜某些癌細(xì)胞線粒體中高濃度的ROS抑制了順烏頭酸酶活性, 結(jié)果檸檬酸被運(yùn)送到胞質(zhì), 由檸檬酸裂解酶(ACL)分解為草酰乙酸(OAA)和AcCoA。OAA被還原成蘋果酸再被運(yùn)回到線粒體中。在線粒體中蘋果酸又被轉(zhuǎn)換成OAA (在此過(guò)程中產(chǎn)生的NADH抑制三羧酸循環(huán)), 與Ac-CoA反應(yīng)生成檸檬酸完成三羧酸循環(huán)。Ac-CoA (包括來(lái)自線粒體的)主要用來(lái)合成脂肪酸和膽固醇。截短的三羧酸循環(huán)是不完全的三羧酸循環(huán), 幾乎不產(chǎn)生能量, 但它卻為快速生長(zhǎng)的腫

11、瘤細(xì)胞提供了大量供生物合成的原料。 癌細(xì)胞能量代謝異常的實(shí)現(xiàn)途徑癌細(xì)胞能量代謝異常的實(shí)現(xiàn)途徑1.癌細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性增高 癌細(xì)胞具有很高的能量需求，而糖酵解是一種相對(duì)低效的代謝方式，這就要求癌細(xì)胞增加葡萄糖的攝取和利用。癌細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（Glut）的表達(dá)水平明顯高于正常細(xì)胞。2.糖酵解關(guān)鍵酶的活性升高 癌細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)的重要原因是一些關(guān)鍵酶的基因表達(dá)增強(qiáng)，相應(yīng)蛋白質(zhì)的合成增加，活性增高。糖酵解的關(guān)鍵酶有已糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶1（PFK-1）和丙酮酸激酶等。癌細(xì)胞進(jìn)行有氧糖酵解的生理意義 1：首先腫瘤細(xì)胞采用有氧糖酵解方式可以代謝更多的葡萄糖，為核酸氨基酸和脂肪酸等生物大分子的

12、合成提供物質(zhì)基礎(chǔ) 2：其次，糖酵解產(chǎn)生的乳酸排出到胞外，使腫瘤 細(xì)胞局部保持酸性環(huán)境，有利于腫瘤細(xì)胞對(duì)周圍組織的侵襲 3 磷酸戊糖旁路途徑活性增強(qiáng)導(dǎo)至NADPPH和谷胱甘肽的產(chǎn)量增加，兩者將會(huì)增加腫瘤細(xì)胞對(duì)氧化損傷和一些化療藥物的抵抗4 糖酵解路徑比氧化磷酸化短，所以通過(guò)糖酵解 方式產(chǎn)生ATP的速度比氧化磷酸化更快，更能滿 足腫瘤細(xì)胞快速分裂生長(zhǎng)的需求 。 臨床應(yīng)用 以能量代謝作為靶點(diǎn)進(jìn)行靶向治療 有氧糖酵解是癌細(xì)胞區(qū)別于正常細(xì)胞的顯著特征，癌細(xì)胞異常的能量代謝有望作為分子靶向治療的重要靶點(diǎn) 1：HK-2是Myc和HIF-1的重要調(diào)節(jié)靶點(diǎn)，多年前已被作為分子靶向治療的靶點(diǎn)。而最近的蛋白質(zhì)組學(xué)研

13、究表明3-溴丙酮酸實(shí)為3-磷酸甘油醛脫氫酶抑制劑。盡管缺乏特異性，并具有烷化作用，但3-溴丙酮酸在體內(nèi)具有強(qiáng)大的抗腫瘤效應(yīng)。 2：作為另一個(gè)Myc和HIF-1的下游調(diào)節(jié)位點(diǎn)，LDH-A在腫瘤形成中扮演關(guān)鍵角色。使用LDH-A抑制劑可抑制體外培養(yǎng)肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)，減少癌細(xì)胞ATP水平，增加化療藥物敏感性，但不影響正常細(xì)胞的糖代謝。3：研究表明，二氯乙酸DCA可通過(guò)“正?；卑┘?xì)胞異常能量代謝殺傷癌細(xì)胞。DCA可抑制癌細(xì)胞糖酵解，促進(jìn)氧化磷酸化，增加線粒體H2O2，激活電壓門控K+通道。4：糖酵解的其他關(guān)鍵酶如丙酮酸激酶、異檸檬酸脫氫酶、磷酸果糖激酶 也可作為腫瘤治療的潛在靶點(diǎn)。另外，癌細(xì)胞的氨基酸和

14、脂肪代謝也存在一定程度的異常改變。屬于氨基酸的谷氨酰胺也與癌細(xì)胞的代謝密切相關(guān)，也可作為治療靶標(biāo)（二）Warburg效應(yīng)用作腫瘤診斷 18F-氟脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose, 18FFDG)為葡萄糖代謝示蹤劑, 是目前臨床和研究應(yīng)用最廣泛、最成熟的腫瘤代謝顯像劑。18F-FDG和葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)相似, 在注入體內(nèi)后,18F-FDG與葡萄糖一樣通過(guò)細(xì)胞膜上GLUT進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。18F-FDG進(jìn)入細(xì)胞后在己糖激酶II (HK-II)的作用下被磷酸化, 形成6-磷酸-18FDG (6-P-18FDG), 但與葡萄糖不同的是, 6-P-18FDG不能被進(jìn)一步代謝, 而是滯留堆積在細(xì)胞內(nèi)。腫瘤細(xì)胞由于具有高攝取葡萄糖的特點(diǎn),故能聚集較多的18F-FDG結(jié)語(yǔ) 細(xì)胞無(wú)氧糖酵解的發(fā)生可以是微環(huán)境的改變，特別是缺氧所致；也可以是基因異常表達(dá)的表型