Artikel Hipotesis

Laktat Sebagai Substrat Energi Oksidatif Terakhir di Otak dan Jaringan

Lainnya

Avital Schurr

Abstrak

Saat ini, fokus pada laktat dikarenakan laktat adalah substrat oksidatif untuk

metabolisme energi di otak (dan jaringan lainnya), bukan produk akhir tak berguna

dari glikolisis anaerobik. Beberapa bukti menunjukkan laktat yang memainkan peran

utama dalam metabolisme energi aerobik di otak, jantung, otot rangka dan mungkin

dalam jaringan dan organ lainnya. Namun demikian, bukti ini telah menantang

konsep lama laktat sebagai produk limbah anaerobik dan memicu perdebatan sengit

antara pendukung glukosa sebagai substrat energi oksidatif utama dan mereka yang

mendukung laktat sebagai alternatif yang mungkin untuk glukosa dalam kondisi

tertentu. Sementara para peneliti bekerja pada metabolisme energi dalam otot rangka

telah mengambil langkah besar untuk menjembatani antara dua posisi ekstrim,

menerima peran laktat sebagai substrat energi oksidatif, ahli saraf tampaknya agak

lebih emosional tentang perbedaan mereka dan kurang setuju. Dalam tulisan ini saya

telah berusaha menemukan dari penelitian tentang otot rangka menggunakan data

lama dan baru yang ada pada metabolisme energi otak, untuk mengungkapkan laktat

yang merupakan satu-satunya produk utama dari glikolisis otak (dan jaringan lain),

apakah aerobik atau anaerobik, saraf atau astrositik, selama istirahat atau selama

aktivasi. Oleh karena itu laktat adalah utama, tapi bukan satu-satunya substrat yang

digunakan oleh siklus asam trikarboksilat mitokondria. Jika terbukti benar, hipotesis

ini harus memberikan pemahaman yang lebih baik dari sisi biokimia dan fisiologi

metabolisme energi (otak) dan implikasi penting di mana pencitraan neuro

bersangkutan.

Kata kunci: metabolisme energi otak, glukosa, glikolisis, laktat, siklus asam

trikarboksilat

Pendahuluan

Selama bertahun-tahun, kebanyakan ilmuwan setuju bahwa laktat adalah

produk akhir yang tidak berguna dari metabolisme energi anaerobik, yang kadang-

kadang bisa menjadi berbahaya. Gagasan ini telah diwujudkan, antara lain, konsep

bahwa akumulasi laktat dalam jaringan otot menyebaban kelelahan otot, sebuah

konsep yang baru-baru ini dibantah [1]. Di otak, laktat telah dianggap sebagai faktor

utama yang memperburuk kerusakan akibat iskemik otak. Reputasi buruk seperti itu

akan menjelaskan mengapa penelitian tentang tubuh kita sangat penting tentang

oksidasi monokarboksilat di otak, yang saat ini diabaikan dan sebab utama mengapa

bukti terbaru yang menunjukkan laktat menjadi substrat energi oksidatif penting otak

masih penuh dengan keragu-raguan. Sebuah hipotesis yang diajukan oleh Magistretti

dan rekan-rekannya [2], yang dikenal sebagai astrocyte-neuron lactate shuttle

hypothesis (ANLSH), semakin menambah panas perdebatan tentang mana di antara

glukosa atau laktat yang merupakan substrat energi yang lebih penting selama

aktivasi otak [3-6]. Baru-baru ini, ANLSH memicu kontroversi lama lainnya

menyangkut peran hipotesis dalam penelitian ilmiah [7-8].

Apapun itu, tulisan ini mengajukan hipotesis baru pada laktat yang

memainkan peran metabolisme energi dalam otak (dan jaringan lainnya). Dalam

mengumpulkan hipotesis, saya telah menggunakan studi lama dan baru yang

dilakukan baik di otak dan jaringan lain. 'De facto,' ada banyak kesepakatan di antara

para ilmuwan saat ini tentang peran laktat dalam metabolisme energi. Pada bagian ini,

setidaknya di antara ahli saraf, tampaknya fokus terutama pada apakah laktat

memainkan peran penting atau tidak dalam metabolisme energi oksidatif otak seperti

halnya glukosa. Jika seseorang menerima laktat yang bukan substrat oksidatif energi

otak yang signifikan maka, setiap hipotesis yang mempromosikan laktat sebagai

substrat tersebut, termasuk ANLSH, tidak akan dapat diterima. Ini adalah keyakinan

saya bahwa perdebatan 'yang lebih penting' mulai menyadari kemungkinan yang lebih

signifikan, yaitu, bahwa glukosa dan laktat adalah integral dan wujud penting dari

metabolisme energi.

Pertimbangan Sejarah

Sebagian besar pengetahuan terkini mengenai pembentukan dan nasib laktat

berasal dari studi awal pada latihan otot [9]. Para penulis studi tersebut juga

menciptakan terminologi utama yang berhubungan dengan jaringan laktat dan pada

akhirnya, bertanggung jawab dalam sebagian besar kesalahpahaman tentang laktat.

Oleh karena itu, hingga akhir tahun 1958, laktat digambarkan sebagai produk akhir

dari pengurangan sistem LDH (lactate dehydrogenase), yang tidak memiliki fungsi

lain dalam metabolisme [10]. Selain itu, LDH digambarkan sebagai sistem buntu

yang unik di mana laktat endogen tidak berpartisipasi dalam reaksi lain yang akan

terpengaruh oleh akumulasinya dalam sel.

Meskipun demikian, banyak makalah tentang metabolisme energi otak yang

diterbitkan pada akhir tahun 1920 dan awal 1930-an telah benar-benar diabaikan

selama bertahun-tahun. Setelah meninjau makalah ini, kita harus memperhitungkan

fakta bahwa pada saat publikasi mereka tidak ada siklus mitokondria tricarboxylic

acid (TCA) maupun jalur glikolisis telah diusulkan. Namun demikian, fakta bahwa

siklus TCA dirumuskan pada tahun 1937 (Krebs dan Johnson), tiga tahun sebelum

perumusan jalur glikolisis, bisa berkontribusi, dengan konsep yang berlaku tentang

peranan substrat tertentu dan produk dari jalur glikolisis (lihat di bawah). Para

peneliti paling aktif di bidang metabolisme sistem saraf selama periode awal adalah

Holmes dan Ashford. Keduanya menerbitkan sejumlah studi mengenai oksidasi

glukosa dan terutama laktat pada jaringan otak. Dalam sebuah studi awal mereka

menyimpulkan bahwa jaringan otak memiliki dua mekanisme pembentukan laktat,

satu, melibatkan glukosa, yang secara kuantitatif lebih penting dan independen dari

fosfat, yang lain, yang jauh lebih kecil, melibatkan glikogen dan tergantung pada

ketersediaan fosfat [11]. Kemudian, mereka menerbitkan studi rinci tentang oksidasi

asam laktat di otak [12,13]. Dalam studi ini mereka menunjukkan bahwa tidak ada

sintesis karbohidrat dari porsi asam laktat yang menghilang tetapi tidak dicatat oleh

penyerapan O2. Selain itu, mereka menemukan bahwa penyerapan oksigen dengan

adanya glukosa dihambat oleh NaF, sedangkan serapan tersebut dengan adanya asam

laktat kebal terhadap fluoride [14]. Dengan demikian, mereka adalah yang pertama

menunjukkan pemanfaatan aerobik laktat dalam jaringan otak, yaitu hubungan antara

hilangnya asam laktat dan konsumsi oksigen. Mereka juga menunjukkan bahwa hasil

bagi pernapasan, baik jaringan otak dengan dan tanpa suplementasi laktat, yang dekat

dengan kesatuan, bahkan ketika hewan yang dipakai jaringan otaknya mengalami

hipoglikemik setelah diberikan suntikan insulin [13]. Mereka juga menyimpulkan

bahwa oksidasi laktat tidak mungkin untuk cadangan pemanfaatan substrat lain [13].

Satu hal yang mungkin agak membingungkan, jika ada yang menganggap bahwa

pemanfaatan laktat menggantikan glukosa. Namun, in vivo, laktat berasal dari glukosa

dan oksidasi terdahulu yang telah digunakan sebelumnya, daripada menghematnya.

Penghematan glukosa dapat terjadi hanya ketika laktat (atau piruvat) digunakan

secara eksogen dalam tingkat yang cukup tinggi langsung ke otak, melewati hati.

Selain itu, para peneliti ini tidak dilengkapi dengan peralatan yang memadai untuk

bereksperimen dengan dua substrat yang berbeda (glukosa dan laktat) secara

bersamaan untuk langsung menilai apakah dengan penambahan laktat mereka bisa

menyisihkan pemanfaatan glukosa atau sebaliknya. Dengan demikian, kesimpulan

mereka harus dipandang terutama sebagai sebuah perkiraan. Jelas, Holmes dan

Ashford tidak menyadari, hingga kini tidak ada, gagasan bahwa dalam kondisi

aerobik glukosa seharusnya dikurangi menjadi piruvat, bukan laktat. Konsep piruvat

sebagai produk akhir dari glikolisis aerobik dirumuskan dengan pengenalan jalur

glikolisis. Yang paling masuk akal penjelasan untuk keputusan jalur formulator untuk

menempatkan piruvat sebagai produk akhir aerobic harus dilakukan dengan

pengenalan siklus TCA tiga tahun sebelumnya, di mana piruvat diusulkan untuk

memainkan peran utama dalam pembentukan siklus sitrat dari oksaloasetat dan asetil-

SCoA [15]. Jelas, banyak ahli biokimia periode ini sudah akrab dengan persyaratan

siklus TCA untuk piruvat sebagai substrat utamanya. Glikolisis baik dulu maupun

sekarang, masih dianggap sebagai sumber terbaik untuk piruvat dalam jumlah yang

cukup. Sementara itu ada laporan tersendiri tentang konversi laktat menjadi piruvat

[16], kebanyakan studi telah menunjukkan reaksi sebaliknya, yaitu, produksi laktat

dari glukosa, fruktosa, heksosedifosfat atau piruvat [17-22].

Dengan demikian, lebih dari 60 tahun setelah glikolisis diperkenalkan, sebuah

peristiwa yang meluncurkan era biokimia modern, hal ini dijelaskan dalam semua

buku teks sebagai jalur yang dimulai dengan fosforilasi glukosa dan diakhiri dengan

pembentukan laktat (reaksi I dan Gambar 1).

I. Glukosa+2ATP+4ADP+2Pi+2NAD+

2laktat+2ADP+4ATP+2NAD+

Gambar 1. Ilustrasi skematik jalur glikolisis anaerobik. Seperti digambarkan dalam kebanyakan buku

glukosa adalah substrat glikolisis, yang melalui serangkaian reaksi enzimatis, dikonversi menjadi

laktat. Reaksi memerlukan 2 molekulATP untuk setiap molekul glukosa dan menghasilkan 2 molekul

laktat dan 4 molekul ATP.

Deskripsi ini berubah ketika oksigen ada, dalam hal ini glikolisis berhenti dari

langkah enzimatik terakhir, yaitu, laktat dehidrogenase (LDH), berakhir dengan

piruvat, substrat ciri khas mitokondria siklus TCA (reaksi II dan Gambar 2).

II. Glukosa+2ATP+4ADP+2Pi+2NAD+

2piruvat+2ADP+4ATP+2NADH

Sementara itu, pengecualian urutan aerobik telah

didokumentasikan, di mana hasil glikolisis untuk membentuk laktat,

seperti sel darah merah, otot jantung dan retina, gagasan yang

berlaku adalah bahwa, di bawah pasokan oksigen yang cukup,

piruvat, bukan laktat, adalah produk akhir dari glikolisis aerobik.

Namun demikian, selama 50 tahun terakhir, bukti telah terkumpul,

yang menunjukkan laktat menjadi substrat energi aerobik yang

cocok untuk jaringan otak [23-43]. Bukti ini tentunya sudah

mengangkat keraguan dalam hal gagasan bahwa laktat adalah

produk buntu. Selain itu, sebuah studi terbaru oleh Dalsgaard dan

rekan-rekannya [44] telah menunjukkan bahwa laktat, yang

dihasilkan selama aktivitas, diambil dan dimetabolisme oleh otak.

Sebuah komentar kritis yang secara luas diterima terhadap

dogma bahwa secara aerobik, piruvat, bukan laktat, adalah produk

akhir dari glikolisis (reaksi II dan Gambar 2) menunjukkan bahwa

baik secara kimiawi dan termodinamika adalah cacat. Pertama,

secara termodinamika, glikolisis harus diproses sampai selesai,

yaitu pembentukan laktat, mulai dari konversi piruvat hingga

menjadi laktat menghasilkan energi bebas (∆G0’ = -6 kkal/mol). Kedua,

secara kimiawi, glikolisis harus harus diproses hingga membentuk laktat, mulai dari

reaksi LDH meregenerasi NAD+ dengan mengoksidasi bentuk NADH selama

gliseraldehida fosfat (GAP) reaksi dehidrogenase, menjamin siklus alamiah glikolisis

(reaksi III dan Gambar 1).

NAD+ NAD+

III. Glukosa GAP 1,3 piruvat

laktat

(glikogen) BPG

NADH NADH

Gambar 2. Ilustrasi skematik glikolisis aerobik. Secara umum diterima bahwa dengan adanya oksigen,

jalur glikolitik memetabolisme glukosa menjadi piruvat, melewatkan langkah terakhir jalur tersebut,

konversi piruvat menjadi laktat oleh laktat dehidrogenase (LDH). Piruvat bukan diangkut ke dalam

mitokondria via monocarboxylate transporter (MCT) untuk digunakan sebagai substrat untuk siklus

asam trikarboksilat (TCA).

Selain itu, asumsi bahwa di bawah kondisi aerobik konversi piruvat menjadi

asetil-SCoA, terjadi reaksi dalam mitokondria dan membutuhkan NAD+, di mana

secara termodinamika lebih baik dari konversi piruvat menjadi laktat, tidak dapat

dibuktikan. Asumsi ini akan memiliki beberapa dasar jika saja enzim glikolitik,

substrat dan produk itu ada, seperti yang diyakini selama bertahun-tahun, berada

bebas di sitosol yang sifatnya seperti media air.

Lehninger [45] secara umum pada glikolisis aerobik menyatakan bahwa baik

laktat atau piruvat dioksidasi menjadi CO2 dan H2O. Namun, dalam berurusan dengan

organisasi intraselular dari sistem glikolitik ia menyatakan bahwa 11 enzim yang

mengkatalisis urutan glikolitik berada dalam sitoplasma, setidaknya di sebagian besar

sel. Jelas, itu tidak terjadi kepada beberapa ahli kimia yang besar bahwa asumsi

tentang urutan glikolitik, reaksi-reaksi dan enzim-enzim seperti yang ada dalam

larutan bebas belum tentu mencerminkan dalam situasi in situ. Dengan demikian,

banyak bahkan sampai hari ini, berpendapat bahwa reaktan glikolisis dan enzim-

enzim mengalir dengan bebas dalam sitosol. Hanya gagasan seperti ini yang akan

menjelaskan mengapa jalur glikolisis digambarkan sebagai rantai cabang, di mana

piruvat, dengan adanya oksigen, tidak sesuai dengan aturan termodinamika dan

mengubah arah untuk mencari mitokondria dan tidak dilanjutkan melalui langkah

terakhir, reaksi LDH.

Meskipun demikian, gagasan Lehninger sebagaimana dikutip di atas, agak

mengejutkan, karena selama 6 tahun sebelum pertanyaan ini dipublikasi telah timbul

mengenai validitas konsep bahwa jalur glikolitik berada bebas dalam larutan. Green

dkk [46] dari studi mereka pada sel darah merah dan ragi menyimpulkan bahwa

dalam sel utuh, kompleks enzim-enzim glikolitik berhubungan dengan membran

plasma dan bukan dalam larutan bebas. Schrier [47], yang meneliti juga

menggunakan eritrosit, mencapai kesimpulan yang sama. Pada tahun 1978, Knull,

yang menggunakan jaringan otak tikus, menunjukkan bahwa semua enzim glikolitik

berhubungan dengan partikel fraksi ujung saraf segaris [48]. Clegg berpendapat

bahwa ada hubungan yang erat antara susunan selular dan kebanyakan, dan mungkin

semua, dari kerja metabolik. Dia juga menyimpulkan bahwa hubungan tersebut

dinamis dan di bawah kontrol ketat, dan apabila terjadi gangguan dapat menyebabkan

kerusakan dan hilangnya regulasi [49].

Oleh karena itu, pembentukan laktat dari piruvat berlangsung dalam agregat

enzim glikolitik, sementara konversi piruvat menjadi asetil-SCoA, langkah awal

dalam siklus TCA, berlangsung di mitokondria, konversi yang pertama yang

membutuhkan transportasi dari monokarboksilat menuju organel melalui membran

dalamnya. Hal ini juga penting untuk mempertimbangkan bahwa keberadaan

mitokondrial LDH telah ditetapkan dan laktat yang telah terbukti sama baiknya, jika

tidak lebih baik daripada, piruvat sebagai substrat untuk mitokondria siklus TCA [50-

52].

Brandt dkk, dalam penelitian mereka mengenai persiapan mitokondria dari

jaringan yang berbeda, menempatkan bagian besar dari mitokondrial LDH dalam

mitokondria [51]. Mereka membedakannya dari sitosolik LDH, dicirikan oleh mereka

sebagai LDH5 (lihat juga di bawah), yang lebih suka melekat pada membran luar

mitokondria. Dari semua jaringan yang berbeda para peneliti ini mengisolasi

mitokondria, termasuk jantung, ginjal, limfosit hati dan otak, hanya persiapan yang

terakhir agak terkontaminasi dengan 3 enzim glikolitik, fosfoglukomutase, isomerase

fosfoglukosa dan 3-fosfogliserat kinase [51].

Dengan demikian, glikolisis aerobik, ketika digabungkan dengan mitokondrial

siklus TCA, lebih baik dijelaskan oleh reaksi berikut:

IV. Glukosa +2ATP + 4ADP + 2Pi + 2NAD+

2laktat + 2ADP + 4ATP + 2NAD+

(kaskade reaksi yang terjadi dalam agregat glikolitik)

V. 2laktat + 2NAD+ 2piruvat + 2NADH

(konversi yang terjadi di dalam membran dalam mitokondria setelah laktat

diangkut melalui membran luar mitokondria oleh monocarboxylate transporter

[MCT])

Oleh karena itu, satu yang dapat disimpulkan bahwa hasil glikolisis melalui

konversi piruvat menjadi laktat dalam kondisi baik anaerob dan aerob adalah secara

termodinamika, kimia dan spasial. Satu juga harus dipertimbangkan mengenai jumlah

laktat dan piruvat dalam jaringan. Pada tahun-tahun awal setelah perumusan jalur

glikolisis, banyak peneliti mempelajari rasio dalam darah manusia saat istirahat,

selama beraktifitas, setelah makan, setelah pemberian piruvat, laktat atau glukosa dan

dalam berbagai keadaan patologis [10, 18,19,53-55]. Dalam semua studi jumlah

piruvat selalu ditemukan lebih rendah dibandingkan laktat dan dengan demikian rasio

diukur [laktat] / [piruvat] dari jaringan mana saja sekitar 7,0-25,0, tergantung pada

kondisi di mana pengukuran dilakukan. Rasio yang rendah ini biasanya berhubungan

dengan keadaan patologis.

Dengan demikian, Flock dkk [17] menunjukkan perfusi konversi piruvat

menjadi laktat pada anjing. Huckabee [10] mempelajari hubungan piruvat, laktat dan

oksigen dan dapat dirumuskan sebagai berikut:

[NADH][Laktat] = [Piruvat] x K –––––––– [NAD+]

Persamaan di atas menyatakan ketergantungan pembentukan laktat pada

piruvat dan konstanta K x [NADH / NAD+]. Oleh karena itu, dalam kondisi penuh

oksigen, ketika rasio [NADH] / [NAD+] diadakan, lebih atau kurang, konstan,

perubahan konsentrasi piruvat harus membawa perubahan yang sesuai dalam

konsentrasi laktat, yaitu peningkatan [piruvat] akan segera diikuti dengan

peningkatan [laktat] tanpa adanya perubahan dalam konsumsi oksigen. Tentu saja,

hubungan ini berlaku asalkan pH darah tidak berubah. Sebagai akibatnya,

peningkatan fluks glikolitik dalam kondisi penuh oksigen harus menghasilkan

peningkatan piruvat yang diikuti bertambahnya konsentrasi laktat, rasio [laktat] /

[piruvat] konstan. Menurut persamaan di atas dan rasio tinggi [laktat] / [piruvat] yang

biasanya dipertahankan, jelas bahwa bahkan di bawah kondisi penuh aerobik, laktat

adalah produk akhir dari glikolisis.

Menariknya, Huckabee [10] tidak mempertimbangkan dalam perhitungannya

dua faktor penting: a) perubahan lokal dalam konsentrasi oksigen, yang dapat

menyebabkan perubahan dalam [NADH / NAD+] dan b) penurunan konsentrasi laktat

yang akan menurunkan [NADH]. Saya menguraikan kedua faktor ini kemudian.

Beberapa pertimbangan di atas berkaitan dengan metabolisme energi otot

rangka dan jantung dan peran laktat dalam metabolisme ini dirinci dalam review yang

sangat bagus oleh Gladden [56].

Hipotesis

Berdasarkan pertimbangan sebelumnya, dihipotesiskan bahwa di otak, dan

kemungkinan besar di jaringan lainnya, baik saat istirahat (pernahkah otak

beristirahat?) atau selama aktifitas, baik dalam kondisi aerobik dan anaerobik,

glikolisis selalu berproses hingga ke langkah akhir, reaksi LDH dimana piruvat

diubah menjadi laktat. Dengan demikian, hipotesis ini mendalilkan bahwa laktat,

bukan piruvat, merupakan substrat oksidatif untuk mitokondrial siklus TCA in situ

(Gambar 3).

Gambar 3. Sebuah gambaran skematis penyusunan hipotetis jalur glikolitik yang beragregat dengan

semua enzim, substrat dan produk. Menurut hipotesis pada bagian depan artikel ini, glikolisis, baik

aerobik atau anaerobik, selalu berakhir pada langkah terakhir, pembentukan laktat, substrat in situ

untuk respirasi mitokondria. Langkah enzimatis terakhir dalam glikolisis sitosolik adalah laktat

dehidrogenase umumnya terdiri dari isoform yang mengkatalisis konversi piruvat menjadi laktat

(LDH5). Berbeda dengam hal tersebut, isoform yang mengubah laktat menjadi piruvat (LDH1) adalah

enzim pertama mitokondria jalur oksidatif, yang menyediakan piruvat untuk siklus asam trikarboksilat.

Hal ini penting dan adil untuk menunjukkan bahwa peneliti tentang

metabolisme energi dalam otot rangka dan jantung telah mempertimbangkan gagasan

bahwa laktat adalah produk dari glikolisis aerobic baik secara intrasel maupun

ekstrasel dari tempat pembentukannya hingga teroksidasi dalam mitokondria [52,56-

60].

Percobaan Hipotesis

Gladden [56] mendaftar beberapa pertanyaan kunci tentang ANLSH tersebut.

Sementara pertanyaan ini focus pada validitas ANLSH, salah satu isu utama yang

muncul adalah apakah laktat merupakan substrat energi teroksidasi utama dalam otak.

Tujuan dari hipotesis ini bukan untuk memvalidasi atau mendiskreditkan ANLSH

tersebut. Sebaliknya, itu bertujuan untuk memberikan penjelasan yang masuk akal

akan data yang dalam jumlah besar yang menunjukkan bahwa laktat merupakan

substrat energi teroksidasi penting dalam otak.

Sejak ANLSH telah menjadi isu utama dalam perdebatan peran laktat dalam

metabolisme energi, penjelasan singkat tentang ANLSH bagi mereka yang tidak

akrab dengan perdebatan mulai tertarik. Hipotesis ANLSH bahwa, pada saat aktivasi

saraf dengan glutamat, astrosit mengambil glutamat yang dilepaskan presinaps dari

celah sinaps melalui transporter glutamat spesifik Na+. Hasil peningkatan intraseluler

pada astrositik [Na+] menginduksi aktivitas Na-K-ATPase bertujuan memompa

keluar tambahan Na. Peningkatan permintaan ATP oleh aktifitas pemompaan ini

menginduksi aktifitas glikolitik astrositik dan juga produksi laktat. Jumlah astrositik

laktat diangkut melalui MCT yang ditemukan dalam membran astrosit dan neuron,

pertama ke ruang ekstraseluler dan kemudian ke neuron tetangga, di mana ia

teroksidasi dalam mitokondria. Selain itu, telah dinyatakan bahwa neuron secara

eksklusif mengandung isoform LDH1, sementara astrosit mengandung LDH1 dan

LDH5 [2,61-66].

Pellerin dan Magistretti baru-baru ini merevisi ANLSH (lihat di bawah) dan

dengan demikian tidak semua detail dalam uraian singkat diatas telah diperbarui.

Namun demikian, perlu ditekankan lagi bahwa banyak dari kritik ANLSH, baik

dalam format asli atau revisi, telah mengarahkan gagasan laktat sebagai substrat

energi aerobik utama. Konsekuensinya, setiap hipotesis, termasuk yang diusulkan di

sini, yang mempromosikan laktat sebagai substrat energi oksidatif utama akan dikritik

juga.

Relevansi dari distribusi dari 2 isoform LDH, LDH1 dan LDH5, antara

neuron dan astrosit, masing-masing, telah dipertanyakan oleh para kritikus ANLSH,

karena reaksi LDH dekat-ekuilibrium dan dengan demikian isoform yang melakukan

reaksi ini mungkin hanya memiliki efek kecil pada fluks reaksi in vivo [67]

(Newsholme, 2003). Dan dengan demikian, sementara relevansi distribusi dari

isoform LDH antara neuron dan astrosit belum ditentukan, distribusi intraseluler

mereka, di mana LDH1 adalah isoform mitokondria dan LDH5 adalah satu

sitoplasma, bisa menjadi bagian penting dan relevan untuk alasan hipotesis ini. Chih

dan Roberts, dua kritikus ANLSH, menjelaskan dalam makalah mereka [4] bahwa

"glikolisis mengacu pada konversi glukosa menjadi piruvat dalam kondisi aerobik

dan glikolisis anaerobik mengacu pada konversi glukosa menjadi laktat," definisi

klasik glikolisis. Mereka menolak laktat sebagai substrat energi oksidatif in situ

karena apa yang mereka istilahkan “kelayakan termodinamika untuk konversi laktat

menjadi piruvat”. Menurut Chih dan Roberts [4], pada tahap awal aktivasi saraf,

dengan meningkatnya fluks glikolitik, jumlah piruvat meningkat dan rasio sitosol

NADH / NAD+ meningkat. Perubahan ini bisa dibilang mendorong reaksi katalis

LDH terhadap produksi laktat daripada menggunakan laktat, membuat pemanfaatan

oksidatif laktat tidak mungkin. Namun, argumen ini bertentangan dengan deskripsi

glikolisis aerobik mereka. Sebenarnya, argumen mereka sepenuhnya setuju dengan

hipotesis ini bahwa peningkatan fluks glikolitik karena tuntutan energi yang lebih

tinggi akan menghasilkan peningkatan produksi laktat aerobik. Lebih penting lagi,

jika seseorang menerima alasan hipotesis ini bahwa glikolitik (sitosolik) LDH (5)

selalu mengkatalisis konversi piruvat menjadi laktat, sedangkan mitokondria LDH (1)

adalah enzim yang mengubah laktat menjadi piruvat lalu, tidak boleh ada konflik

antara pembentukan glikolitik laktat dan pemanfaatan bersama mitokondria laktat,

apakah laktat berasal intrasel maupun ekstrasel. Selain itu, tidak boleh ada masalah

dengan rasio NADH / NAD+, sejak pembentukan sitosol katalis LDH laktat juga

menjamin oksidasi NADH dan siklus alami glikolisis. Reduksi NAD+ menjadi NADH

selama oksidasi laktat terjadi dalam mitokondria dan harus memiliki efek yang dapat

diabaikan pada glikolisis sitosol. Brooks dan rekan-rekannya [52,57,58,68-70],

menggunakan pelacak isotop, sangat menyiratkan bahwa secara glikolisis produksi

piruvat terutama dikonversi menjadi laktat, bukan asetil-CoA, sementara laktat, yang

secara eksogen, istimewanya dimetabolisme menjadi asetil-CoA. Brooks adalah

orang pertama yang mengusulkan adanya shuttle laktat intraseluler [57], yang tidak

berarti mendukung atau membantah ANLSH. Selain itu, tidak ada alasan bahwa

dengan meningkatkan produksi laktat akan menghasilkan akumulasi laktat dapat

diamati jika kita menganggap bahwa pada awal aktivasi setiap molekul laktat yang

dihasilkan diangkut ke dan dioksidasi oleh mitokondria. Namun, praktik studi Hu dan

Wilson [38] menunjukkan bahwa segera setelah stimulasi saraf ada sebuah lubang

(peningkatan pemanfaatan) di ketiga substrat energi otak, glukosa, oksigen dan laktat.

Jika astrosit adalah sel-sel yang bertanggung jawab untuk kelancaran rangsangan

neurotransmitter dari celah sinaps maka, hal ini adalah sinyal yang menginduksi

peningkatan fluks dari jalur glikolitik dalam astrosit. Seperti yang telah ditunjukkan

oleh Hu dan Wilson [38], peningkatan kadar laktat ekstraseluler pada stimulasi cukup

signifikan (160-200%) dan disertai dengan penurunan kadar glukosa ekstraseluler

tanpa perubahan yang signifikan dari konsentrasi oksigen dalam jaringan [38].

Karena glutamat adalah neurotransmitter yang paling menonjol di otak, peran serapan

astrosit adalah paling utama dalam pengiriman sinyal yang disebutkan di atas. Studi

ini menggunakan irisan hippocampal telah jelas menunjukkan bahwa setiap

peningkatan kadar laktat jaringan akibat aktivasi oleh glutamat hampir tidak

terdeteksi, kecuali transportasi laktat dihambat [30]. Penghambatan transportasi

laktat, baik dari astrosit atau ruang ekstraselular, menuju neuron harus menghasilkan

akumulasi baik dalam astrosit sendiri maupun ekstrasel. Selain itu, N-metil-D-

aspartat (NMDA), analog glutamat tidak diakui oleh transporter astrocytic glutamat,

sementara bisa merangsang neuron, tidak sama dengan induksi glutamat akumulasi

laktat dengan adanya inhibisi MCT [30]. Temuan ini mendukung alasan ANLSH

bahwa sebagian besar produksi laktat selama aktivasi saraf terjadi di astrosit. Selain

itu, karena glikolisis adalah yang responden pertama terhadap kekurangan energy,

satu yang mungkin diharapkan bahwa glikolisis neuronal akan bereaksi sama dengan

glikolisis astrositik, yaitu peningkatan produksi laktat atas gangguan dalam

homeostasis ion. Beberapa skenario setuju dengan argumen Chih & Roberts [4],

meskipun mereka mengklaim bahwa peningkatan kadar laktat ekstraseluler harus

terjadi jika laktat adalah untuk bahan bakar elevasi dalam metabolisme oksidatif

terlihat dengan peningkatan aktivitas saraf. Untuk mendiskreditkan peran laktat

sebagai bahan bakar oksidatif selama aktivasi saraf, kritikus mengutip beberapa

penelitian yang menunjukkan bahwa peningkatan laktat ekstraseluler in situ

ketinggalan dari aktifitas saraf dan kadang-kadang tidak terlihat sampai setelah

aktifitas tersebut berakhir. Namun, pencapaian Hu dan Wilson [38] sangat

menyarankan bahwa induksi stimulasi saraf dengan penurunan singkat jumlah laktat

ekstraseluler seiring dengan penurunan singkat serupa dalam kadar glukosa dan

oksigen. Adalah masuk akal bahwa peningkatan fluks glikolitik akan berlanjut untuk

beberapa saat setelah eksitasi saraf dihentikan, sehingga akumulasi laktat terdeteksi,

sebagaimana telah ditunjukkan oleh Hu dan Wilson [38]. Adalah penting untuk

ditekankan bahwa sesuai dengan hipotesis ini satu-satunya rute dimana glukosa dapat

dimanfaatkan untuk metabolisme energi oksidatif adalah melalui konversi laktat,

bukan piruvat, baik dalam astrosit dan neuron. Perbedaan antara glikolisis astrositik

dan neuron hanya kuantitatif dimana astrosit melebihi neuron 10 sampai 1 [71].

Astrositik akan memompa aktifitas Na+ sambil celah sinaps dibersihkan dari glutamat

harus terus dilanjutkan kadang-kadang setelah aktifasi neuron berakhir. Pemompaan

aktifitas ini akan menyebabkan, setidaknya sebagian, penghentian eksitasi neuronal

dan peningkatan laktat ekstraseluler, yang tersedia untuk pemanfaatan aerobik oleh

neuron. Hal ini tidak akan meminimalkan pentingnya pompa ion neuronal, yang

bertanggung jawab untuk peningkatan kebutuhan energi saraf dan dengan demikian,

akan terjadi pemanfaatan mitokondria aerobik laktat. Para kritikus ANLSH yang

berpendapat bahwa penggunaan oksigen selama aktivitas saraf in situ meningkat

dengan cepat dalam 1 sampai 3 detik dan bahwa kenaikan lambat dalam laktat

ekstraseluler mungkin tidak akan mendapat bahan bakar secara cepat. Hu dan Wilson

[38] telah menunjukkan dengan sangat jelas bahwa laktat sebagai bahan bakar untuk

respon cepat tersebut. Hertz [6], di sisi lain, mengklaim bahwa meskipun, laktat tidak

meningkat pada saat aktifasi, kenaikan ini relatif kecil dan ada ketidakpastian

mengenai apa yang menandakannya, peningkatan tingkat laktat secara statis atau

peningkatan glikolitik fluks. Namun, jika laktat adalah substrat oksidatif, maka fakta

bahwa peningkatan jumlahnya dalam ekstraseluler adalah kecil dan tertinggal dari

peningkatan konsumsi oksigen mengindikasikan laktat merupakan substrat yang

teroksidasi. Apapun itu, satu yang harus ditemukan dari argumen para kritikus

ANLSH bahwa jumlah laktat harus naik bersamaan dengan timbulnya aktifasi agak

aneh. Apakah kritikus berharap glukosa atau oksigen jaringan meningkat pada saat

aktivasi? Sebaliknya, jumlah kedua substrat tersebut, seperti yang ditunjukkan oleh

kritikus sendiri, sebenarnya menurun pada saat aktifasi, yang mereka tafsirkan

sebagai tanda peningkatan pemanfaatan. Hu dan Wilson [38] menggambarkan terjadi

perubahan bifasik dalam jumlah laktat setelah aktifasi, di mana jumlah ekstraseluler

dari monokaarboksilat menurun dalam 10-12 detik pertama aktifasi diikuti dengan

overshoot yang berlangsung pada 60 detik terakhir atau lebih. Sebuah makalah

terbaru oleh Mangia dkk [72] menggambarkan fenomena yang sama menggunakan 1H-NMR pada manusia. Para penulis menafsirkan hasil mereka bahwa penggunaan

awal laktat sebagai tujuan mengganti glukosa ketika glukosa tidak tersedia dalam

jumlah yang cukup. Namun, para penulis masih berpendapat bahwa setelah aliran

darah meningkat, neuron dapat menggunakan glukosa sebagai substrat metabolik

utama. Asumsi bahwa konsentrasi glukosa kurang dari cukup, dibandingkan dengan

laktat dalam otak normal sebelum aktifasi, tidak sesuai dengan konsentrasi normal

istirahat otak kedua substrat tersebut. Lebih mungkin, laktat merupakan substrat yang

nyata baik selama tahap awal aktifasi dan pada tahap kemudian; apapun itu konsumsi

glukosa harus menghasilkan produksi laktat tambahan dan oksidasi, seperti yang

ditunjukkan oleh Hu dan Wilson [38]. Penurunan awal dalam konsentrasi laktat dapat

dijelaskan dengan alasan sederhana, yaitu konsumsi lebih tinggi dari produksi

monokarboksilat ini. Seperti masalah peningkatan kadar substrat, ada banyak contoh

dari peningkatan kadar glukosa jaringan otak pasca aktifasi atau pasca-trauma akibat

penurunan pemanfaatannya [38,73-75]. Hal ini masuk akal untuk mengasumsikan

bahwa setiap kenaikan jumlah laktat pasca aktifasi menunjukkan bahwa jumlah

produksi laktat melebihi laju pemanfaatannya. Sebagai tambahan, ketika jumlah

laktat meningkat secara signifikan, seperti dalam kasus periode anaerob [28-30,76]

atau pada stimulasi terus menerus [38], laktat dapat menjadi substrat oksidatif pilihan

selama reoksigenasi atau penghentian stimulasi. Selain itu, dalam sebuah makalah

baru-baru ini, Kasischke dkk [77], menggunakan pengukuran fluoresensi NADH di

irisan otak, telah menunjukkan bahwa setelah aktifasi jaringan saraf ada metabolisme

oksidatif awal, seperti ditunjukkan secara singkat (~10 detik) menurun pada

fluoresensi NADH terlokalisasi di saraf dendrit, diikuti oleh peningkatan pada

fluoresensi NADH terlokalisasi di astrosit dan peningkatan aktifitas produksi

glikolitik laktat berlangsung selama ~60 detik. Penurunan awal yang diamati pada

konsentrasi laktat dan NADH [38,71,77] berhubungan erat dengan jumlah oksigen

pada saat aktifasi seperti dilansir Malonek dan Grinvald [78] dan Hu dan Wilson [38].

Semua pengamatan ini secara sederhana dapat menjelaskan hipotesis yang diajukan

di sini.

Laporan oleh Kasischke dkk [77] membuat Pellerin dan Magistretti untuk

merevisi ANLSH [79]. Oleh karena itu, peningkatan kebutuhan energi pada saat

aktifasi neuron didukung oleh pemanfaatan laktat oksidatif saraf, ditandai dengan

penurunan dentritik mitokondria NADH [77] dan jumlah laktat ekstraseluler [38]

diikuti oleh peningkatan astrositik NADH dan konsentrasi laktat. Oleh karena itu,

sekarang jelas bahwa gagasan asli ANLSH ini, mendalilkan bahwa pengambilan

glutamat astrositik sebagai sinyal aktivitas neuron untuk mengonsumsi glukosa dan

metabolisme energi meningkat, adalah salah. Hal ini lebih mungkin bahwa gerakan

ion neuronal adalah sinyal yang menginduksi peningkatan substrat oksidasi

mitokondria dendritik (penurunan oksigen, laktat dan NADH) yang diikuti elevasi

dalam konsumsi glukosa astrositik (peningkatan laktat dan NADH).

Hertz, kritikus lain ANLSH tersebut, menolak gagasan bahwa laktat

umumnya merupakan substrat energi oksidatif saraf [6]. Untuk mendukung klaimnya,

ia mengerjaka beberapa studi di mana baik [14C] atau [13C] diberi label glukosa atau

laktat. Kemudian, Itoh dkk [80] menemukan bahwa glukosa tidak berlabel tidak

menghambat produksi 14 CO2 dari laktat berlabel dalam neuron kortikal. Namun,

baik Itoh dkk [80] dan Bouzier-Sore dkk [43] telah menunjukkan bahwa laktat tidak

berlabel sangat mengurangi produksi 14CO2 dari glukosa berlabel. Itoh dkk [80]

menjelaskan hasil mereka dengan asumsi bahwa konversi laktat menjadi piruvat juga

mengurangi NAD+ menjadi NADH, meminimalkan ketersediaan sisa untuk oksidasi

gliseraldehida-3-fosfat selama glikolisis. Hertz [6] berpendapat bahwa jika ini adalah

mekanisme di mana laktat menghambat penggunaan glukosa glikolitik, kemudian

piruvat, yang tidak terlibat dalam reaksi oksidasi-reduksi NAD+ / NADH, seharusnya

kurang efisien sebagai penghambat produksi 14CO2 dari glukosa berlabel

dibandingkan laktat. Meskipun demikian, hasil ini dapat membantah penjelasan yang

diberikan oleh Itoh dkk [80] untuk kemungkinan mekanisme penghambatan produksi 14CO2 dari glukosa berlabel, eksperimen Hertz sangat memberikan dukungan yang

kuat untuk hipotesis ini, yaitu bahwa laktat (dan piruvat), bila diaktifkan secara

eksogen, merupakan substrat oksidatif untuk mitokondria siklus TCA. Akibatnya,

pasokan eksogen melimpah baik laktat atau piruvat yang diharapkan menghambat

pemanfaatan glikolitik glukosa, sejak pemanfaatan oksidatif salah satu hasil

monokarboksilat dalam produksi ~15 mol ATP per mol monokarboksilat tanpa perlu

investasi ATP ketika glukosa sebagai substrat. Selain itu, tidak adanya kekurangan

NAD+ diharapkan terjadi ketika laktat sebagai substrat, sejak enzim yang

mengoksidasinya menjadi piruvat bukanlah glikolitik LDH (5), melainkan adalah

LDH mitokondria (1).

Sangat menarik bahwa mereka yang mengabaikan laktat sebagai substrat

energi oksidatif dengan alasan bahwa jumlahnya tidak cukup banyak untuk

mendukung kebutuhan energi untuk aktifitas neuron, tidak seperti piruvat: tidak ada

kritikus ANLSH mengharapkan tingkat piruvat meningkat secara signifikan selama

aktifasi meskipun menurut gagasan utama mereka, piruvat merupakan produk

glikolisis aerobik dan dengan demikian jumlahnya juga harus banyak jika ingin

mendukung tuntutan energi yang lebih tinggi.

Meskipun demikian, harus ditekankan bahwa hipotesis 'laktat sebagai substrat

energi utama oksidatif' tidak dibuat hanya untuk mendukung atau menolak ANLSH

tersebut. Hipotesis ini bertujuan sebagai kerangka untuk menjelaskan hasil dari

berbagai penelitian dari dua dekade terakhir mengenai metabolisme energi otak (dan

jaringan lainnya) yang telah menantang salah satu dari dogma yang paling abadi

dalam biokimia.

Kesimpulan

Ada banyak persamaan antara otak dan jaringan otot rangka. Dalam

keduanya, setidaknya ada dua jenis sel tetangga yang saling mempengaruhi, terutama

selama aktifitas tinggi, neuron dan astrosit di otak dan serat tipe I dan II dalam otot

rangka. Banyak penggambaran dari serat otot rangka, begitu elegan diuraikan oleh

Brooks [52,57,58], penyidik pertama untuk istilah “lactate shuttle”,dan Van Balai

[59], dapat dengan mudah diterapkan untuk jaringan otak. Hipotesis yang diajukan di

sini mendalilkan laktat yang merupakan produk glikolitik utama di otak (dan jaringan

lainnya), baik dalam kondisi aerobik atau anaerobik, dalam neuron atau astrosit. Ini

menyediakan jembatan yang diperlukan antara dua faksi dalam perdebatan tentang

mana yang lebih penting, glukosa atau laktat, untuk metabolisme energi oksidatif.

Dengan demikian, keduanya: glukosa sebagai substrat dari jalur glikolisis dan laktat

sebagai substrat dari mitokondria siklus TCA.