乳酸的研究进展

陈 为 ，韩宛娜，刘 铎，金连海

（1.吉林医药学院低压低氧与健康医学研究中心，吉林 132013；2.延边大学医学院，延吉 133002）

1 乳酸与乳酸来源

1.1 乳酸生理

乳酸（2-羟基丙酸）分子式为C3H6O3，是一种羧酸，其分子中羧基α位碳原子为不对称碳原子，有L-乳酸和D-乳酸两种旋光异构体，动物组织中几乎只产生L-乳酸，而微生物可产生D-乳酸或DL-乳酸。乳酸是无氧氧化的终产物，在正常的生理状态下人体每天的乳酸产量约为1.8 g/kg，其中肌肉占25%、皮肤占25%、脑占20%、红细胞占20%、肠道占10%。血清乳酸浓度的正常范围为0.5～1.7 mmol/L，剧烈运动后约为15 mmol/L，在愈合的伤口组织中乳酸浓度可达到5～15 mmol/L，而在某些癌组织中可达到30 mmol/L。

1.2 乳酸来源

糖类是饮食的主要成分之一，其生理功能是为生命活动提供能量来源。日常饮食中糖类的主要来源是淀粉，淀粉经消化分解为葡萄糖后在小肠被人体所吸收。经吸收后，一部分葡萄糖在肝脏被储存为肝糖原，其余部分则被传递到身体各处进行供能。在人体细胞中，葡萄糖通过无氧氧化和有氧氧化两种方式转化为能量。在细胞质中，1分子的葡萄糖可裂解为2分子的丙酮酸，这一过程称为糖酵解，是葡萄糖分解供能的起始途径。当细胞利用氧或氧供应不足时，在细胞质中的丙酮酸被还原成乳酸并释放少量能量，该过程为无氧氧化。无氧氧化的意义是在特殊生理或病理情况下为细胞迅速提供能量，例如机体缺氧、伤口愈合、癌细胞增殖等。而当细胞利用氧或氧供应充分时，丙酮酸进入线粒体氧化脱羧形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入三羧酸循环被彻底氧化成二氧化碳和水并释放大量能量，该过程为有氧氧化。

2 乳酸的发现与经典研究

2.1 乳酸的发现

1780年，瑞典化学家舍勒在酸奶中发现了一种新的酸，并将其并命为“acid of milk”。1808年，Berzelius在猎杀的雄鹿肌肉中发现了一种新的游离酸，并认为这种游离酸和舍勒当初发现的是一种酸。之后的研究表明，在雄鹿肌肉和酸奶中新发现的酸分别为乳酸的不同构型，即L-乳酸和D-乳酸[1-2]。

1843年和1851年，Scherer先后两次报道了在人死后的病理状态下血液中存在乳酸[3]。之后，不同病理状态下患者血液中存在乳酸的类似现象被不断报道。同时期，也有研究者证实在不同状态下肌肉中乳酸的存在和释放，例如死亡有机体的肌肉组织、牛胎肌肉等。1861年，著名微生物学家巴斯德观察到氧抑制酒精发酵的现象，即氧可以降低糖类的分解代谢，减少糖酵解产物积累，而后，研究人员在肌肉中也发现了类似的现象，但直到1926年被Warburg命名为“巴斯德效应”[4]。进一步研究发现乳酸的数量随着运动量增加而增加，乳酸来源为糖原等[5]。由于受到方法和技术的限制，乳酸的研究在这一时期并未发生巨大的突破。

2.2 乳酸的经典研究

直到1907年，Fletche和Hopkins的经典研究使得肌肉与乳酸的研究有了标志性的进展[6]。研究证实新鲜的静息肌肉含有较低的乳酸；乳酸在经过训练、无氧的肌肉中增加；在肌肉刺激到疲劳过程中，乳酸积聚并升高到较高水平；当疲劳的肌肉被置于富氧环境中乳酸消失。这一时期，在“巴斯德效应”的研究背景下，Hill等通过肌肉热力学研究以及Meyerhof所发现的肌肉中氧的消耗同乳酸代谢之间的固定关系为乳酸研究起到巨大的推进作用，并于1922年获得诺贝尔生理学或医学奖[7]。1923年，Hill[8]提出氧债学说，该学说认为运动后氧债的产生源于乳酸的氧化，并将氧债的快、慢分别对应于清除肌肉内和肌肉外乳酸的阶段。之后的10余年氧债学说得到进一步研究和完善，氧债学说在生理学中被普遍视为指导性准则[9]。1960-1970年初，Wasserman等[10]以氧债学说为理论依据提出无氧阈的概念，即肌肉收缩或运动导致乳酸生成量激增是由于缺氧引起氧化磷酸化而被抑制。无氧阈的提出，较好地解释了运动过程中有氧代谢和无氧代谢供能理论的有机衔接，成为运动做功过程的重要标志物之一，对当今运动训练的发展产生了深远的影响。

3 乳酸研究的转变

根据经典乳酸研究理论认为，在高强度运动或严重疾病状态（如脓毒症和感染性休克）时乳酸生成过多是酸中毒的传统解释；而高水平的血清乳酸是肌肉疲劳的预测指标，通常与组织缺氧和不良的临床结果相关。近年来，不断发现乳酸的多种生物学效应，例如能量代谢底物、调节信号转导、参与蛋白修饰等，对乳酸是代谢废物、是酸中毒的“罪魁祸首”提出了质疑和挑战。

3.1 乳酸穿梭理论

20世纪80年代初，研究者将同位素示踪法应用于糖代谢和乳酸代谢的研究，并发现了肌肉运动产生的乳酸明显被摄取并转化成CO2的现象[11]。1985年，Brooks提出了乳酸穿梭假说[12-13]，认为乳酸可以作为代谢底物，通过单羧酸转运体从一种类型的细胞转移到另一种类型的细胞。乳酸穿梭是一种正常现象，存在于各种细胞、组织和器官，包括肌肉、心脏和肝脏，现在已经扩展到精子、脂肪组织、大脑和肺，在癌组织中也有类似的代谢过程。而后，在此基础上Brooks又于1998年提出“细胞内乳酸穿梭”理论，该理论认为细胞质内由糖酵解或糖原分解生成的乳酸可以直接进入到该细胞的线粒体中被氧化，而不需要在细胞溶质中氧化为丙酮酸后再进入线粒体，但细胞内乳酸穿梭理论在学术界一直存在争议。

3.2 乳酸转运蛋白与乳酸受体

单羧酸转运载体（monocarboxylate transporter，MCT）是一类将乳酸、丙酮酸、酮体以及短链脂肪酸等单羧酸类化合物快速转运通过细胞膜的蛋白家族。目前，已知MCT家族成员有14个，其中MCT1-4具有更好的转运特征，且已证实可介导乳酸、丙酮酸、乙酰乙酸和β-羟基丁酸酯的质子连接运输。MCT1（SLC16A1）分布广泛，参与乳酸的输入。MCT4（SLC16A3）在高度糖酵解的细胞或组织中表达，例如白肌纤维、星形胶质细胞、癌细胞和白细胞等，主要参与乳酸的输出。同时，MCT2和MCT3与参与乳酸转运，MCT2主要分布于睾丸、脑、肾、脾、胰等，而MCT3主要分布于视网膜色素上皮细胞、脉络丛等[14]。

乳酸是孤儿G蛋白偶联受体81的配体（GPR81），目前被命名为羟羧酸受体1（HCAR-1或HCA 1）。HCA1主要在脂肪组织中表达，其他组织和器官也有表达但较少，例如骨骼肌、肝脏、脾脏、肾脏和大脑等。除了分布于质膜外，HCA1还存在于细胞内的线粒体上。诸多研究表明，乳酸在炎症和癌症中发挥着重要的作用。HCA1介导的乳酸信号可能影响脂质代谢、神经元兴奋性变化、细胞发育和存活以及炎症调节。癌细胞产生的乳酸也可作用于癌旁细胞的HCA1，包括癌间质中的免疫细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞等，介导血管生成、免疫逃避和耐受等[15]。

3.3 Warburg效应

1923年，研究人员在培养的肿瘤组织中发现了很高的糖酵解率，其特征是即使在氧气存在的情况下也会增加葡萄糖摄取和过量产生乳酸（有氧糖酵解）[16]。1972年，肿瘤细胞的这种不受氧气供应影响的嗜糖产乳酸行为命名为Warburg效应，并被认为是恶性肿瘤的重要特征之一[17]。Warburg最初猜测肿瘤细胞的线粒体存在发育缺陷，从而导致有氧呼吸功能受损，依赖糖酵解功能。但随后研究表明，大多数肿瘤细胞中线粒体功能并未受损。一直以来，有关Warburg效应具体的分子通路未被明确。不少研究对这一现象有了深入的阐述，有研究认为由于p53的突变使其失去与G6PD结合抑制的能力，细胞中利用葡萄糖的另一代谢途径即磷酸戊糖途径加速进行，大量消耗葡萄糖，解释了Warburg效应[18]，近年来的研究发现PI3K信号通路参与Warburg效应[19]。

3.4 乳酸与免疫调节

乳酸除了作为能量来源和生物合成途径的中间代谢物的功能外，还在炎症免疫中起着调节作用。研究表明，有氧糖酵解产生的乳酸在各种疾病条件下的局部环境中具有免疫抑制作用，包括脓毒症、癌症、慢性炎症和自身免疫性疾病。局部组织环境中乳酸积聚是炎症性疾病和癌症的共同特征。在慢性炎症性疾病局部组织中观察到乳酸浓度升高有助于CD4+T细胞上调钠偶联乳酸转运体SLC5A12，导致CD4+T细胞滞留在炎症组织中[20]。而肿瘤微环境中的乳酸通过将T细胞和巨噬细胞重塑为免疫抑制表型（促肿瘤Tregs和M2样肿瘤相关巨噬细胞）帮助肿瘤逃脱免疫监视[21]。

3.5 组蛋白的乳酰化修饰

最新研究表明，乳酸参与蛋白翻译后修饰，称为乳酰化修饰[22]。受细胞内代谢物对组蛋白的广泛酰化作用启发，乳酸可以作为组蛋白赖氨酸残基表观遗传乳酰化的前体，从而刺激来自染色质的基因转录。该研究在人类和小鼠细胞的核心组蛋白上鉴定出28个赖氨酸-乳酰化位点。在缺氧、IFN-γ加LPS或细菌激发刺激产生乳酸的巨噬细胞中，在其启动子处累积的组蛋白乳酰化与M1表型转变为M2表型基因表达相关。同时，还检测了从小鼠黑色素瘤和肺癌中分离的巨噬细胞中的组蛋白乳酰化，并观察到组蛋白乳酰化与修复性M2巨噬细胞的致癌作用呈正相关[23]。这些发现提示巨噬细胞中高水平的乳酸和组蛋白乳酰化可能有助于肿瘤的形成和发展。后续研究进一步证实，蛋白的乳酰化修饰是乳酸发挥功能的重要方式，参与糖酵解相关细胞功能、神经系统调控、水稻谷粒发育等重要生命活动[24]。

4 结语

乳酸发现至今已有240余年的历史，以乳酸为核心在化学、生物化学、医学、运动医学等方面开展了大量的研究，形成了影响深远的学说，逐渐使我们对乳酸的理解从代谢废物拓展到检测指标，再到认为乳酸是机体中重要的能量底物和调控因子。这一研究范式的转变浓缩了科技的进步和人类对生命认知的不断探索，相信随着研究的深入，乳酸的神秘面纱将被我们一一揭开。