1、癌細(xì)胞能量代謝的特點及代謝中的應(yīng)用,主講人：陳偉,1,了解能量代謝,1,2,3,生物氧化,腫瘤細(xì)胞能量代謝特點和應(yīng)用,能量代謝的定義？,能量代謝:指體內(nèi)物質(zhì)代謝過程中所伴隨的能量釋放、轉(zhuǎn)移、貯存和利用的過程。也就是從能量方面來觀察物質(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30—60％，轉(zhuǎn)化成熱能的一部分用于維持體溫，或補償由于蒸發(fā)而散失的熱量等。捕獲和貯藏的化學(xué)

2、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。如果對生物界能量代謝的能流追根問底的話，那么太陽能幾乎是一切能的來源。,Part1：了解能量代謝,動物機體能量來源與去路圖,植物能量代謝圖,微生物能量代謝圖,Part2：生物氧化,生物氧化 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation），其實質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼

3、吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。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. 生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）。2. 氧化進(jìn)行過程中，必然伴隨還原反應(yīng)的發(fā)生。同時，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。3. 在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和

4、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,高能磷酸化合物,高能磷酸化合物在生物機體的能量轉(zhuǎn)換過程中起著很重要的作用，在機體內(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),其他高能化合物,高能化合物之間的轉(zhuǎn)換,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。

5、,氧化磷酸化呼吸鏈中電子的傳遞過程偶聯(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 代謝脫下的成對氫原子（2H）通過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 此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)。因此，稱為呼吸鏈。,NADH?FMN(Fe-S)?Q?b?c1?c?aa3?O2,琥珀酸?FAD(Fe-S)?Q?b?c1?c?aa3?O2,NADH氧

6、化呼吸鏈,琥珀酸氧化呼吸鏈,氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）,呼吸鏈中電子的傳遞過程偶聯(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)胞能量代謝的特點表現(xiàn)在活躍地攝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)濟的能量供給方式

7、對腫瘤細(xì)胞卻是必需的, 它既為腫瘤細(xì)胞的不斷生長提供能量, 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程, 此過程僅產(chǎn)生2個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

8、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)還原為乳酸, 伴有NADH的氧化過程, 形成的NAD+對維持糖酵解過程是必需的,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無限的復(fù)制潛能4對抗生長信號的不敏感性,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,其中

9、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)勢目前多數(shù)觀點認(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的特點, 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)境會刺激細(xì)胞低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia induciblefactor, HIF)基因的轉(zhuǎn)錄而HIF1的激活使葡萄糖

10、轉(zhuǎn)運子糖酵解酶的表達(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

11、癌基因Ras,Myc等異?；罨?，或是抑癌基因如P53突變等的失活。癌組織中普遍存在的缺氧微環(huán)境會進(jìn)一步增加這些基因和酶的活性。缺氧和Ras蛋白也通過增加 HIF-1α和HIF-β2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)錄和翻譯過程中扮演重要角色。,3線粒體氧化磷酸化功能的損害,有氧糖酵解的另一個重要環(huán)節(jié)是線粒體功能缺陷, 會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

12、異、電子傳遞鏈機能障礙、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

13、被運送到胞質(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回到線粒體中。在線粒體中蘋果酸又被轉(zhuǎn)換成OAA (在此過程中產(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 (包括來自線粒體的)主要用來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, 但它卻為快速生長的腫瘤細(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

14、現(xiàn)途徑,1.癌細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體的活性增高 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)胞糖酵解增強的重要原因是一些關(guān)鍵酶的基因表達(dá)增強，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

15、：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)胞對周圍組織的侵襲,3 磷酸戊糖旁路途徑活性增強導(dǎo)至NADPPH和谷胱甘肽的產(chǎn)量增加，兩者將會增加腫瘤細(xì)胞對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

16、速分裂生長的需求 。,臨床應(yīng)用 以能量代謝作為靶點進(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 1：HK-2是Myc和HIF-1的重要調(diào)節(jié)靶點，多年前已被作為分子靶向治療的靶點。而最近的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明3-溴丙酮酸實為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)具有強大的抗腫瘤效應(yīng)。 2：作為另一個Myc和HI

17、F-1的下游調(diào)節(jié)位點，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，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“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Ⅰ 也可作為腫瘤治療的潛在靶點。另外

18、，癌細(xì)胞的氨基酸和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與葡萄糖一樣通過細(xì)胞膜上GLUT進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。18F-FDG

19、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,故能聚集較多的18F-FDG,結(jié)語,細(xì)胞無氧糖酵解的發(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)的表型改變。未來深入研究癌細(xì)胞的能量代謝特點及其與環(huán)境及基因表達(dá)的關(guān)系有助于深入了解癌細(xì)胞的生物學(xué)