從科學(xué)史視角探討乳酸的認(rèn)知演變

摘 要：傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，乳酸是細(xì)胞在缺氧條件下的代謝產(chǎn)物。然而，乳酸的產(chǎn)生機(jī)制并非僅限于缺氧條件，其在氧氣充足條件下也能產(chǎn)生。除“異生為葡萄糖”以外，乳酸還具有其他重要的生理功能。這一錯(cuò)誤認(rèn)知導(dǎo)致許多教師對(duì)細(xì)胞“缺氧條件”的理解存在一定的誤區(qū)。本文簡(jiǎn)要梳理了乳酸與氧氣之間的關(guān)系以及乳酸的功能，以期為生物學(xué)教師更全面地了解乳酸提供有效指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：乳酸；無(wú)氧呼吸；氧化供能；功能

文章編號(hào)：1003-7586（2024）07-0059-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教材”）新增了“肌細(xì)胞無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的乳酸，能在肝臟中再次轉(zhuǎn)化為葡萄糖”這一對(duì)乳酸的描述，但教材仍保留了“提倡慢跑等有氧運(yùn)動(dòng)的原因之一是：有氧運(yùn)動(dòng)能避免肌細(xì)胞因供氧不足進(jìn)行無(wú)氧呼吸產(chǎn)生大量乳酸。乳酸的大量積累會(huì)使肌肉酸脹乏力”的說(shuō)法。這一觀點(diǎn)的保留，使得中學(xué)生以及多數(shù)生物學(xué)教師誤認(rèn)為乳酸是細(xì)胞無(wú)氧條件下的一種代謝產(chǎn)物。

然而隨著深入研究，人們發(fā)現(xiàn)乳酸的產(chǎn)生和細(xì)胞缺氧并沒(méi)有直接關(guān)系。本文將通過(guò)整理相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)乳酸的產(chǎn)生條件及其功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 乳酸與缺氧的認(rèn)識(shí)概述

1808年，瑞典化學(xué)家貝采利烏斯（Berzelius）首次在動(dòng)物肌肉中發(fā)現(xiàn)乳酸的存在。此后百年，關(guān)于運(yùn)動(dòng)與乳酸代謝之間的研究停滯不前。直至19世紀(jì)，巴期德（L. Pasteur）通過(guò)研究得到“乳酸是由于細(xì)胞缺氧而形成的”這一觀點(diǎn)。1907年弗萊徹（Fletcher）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，青蛙腓腸肌在受到刺激時(shí)收縮并產(chǎn)生乳酸積累和疲勞現(xiàn)象；而置于富氧環(huán)境中時(shí)，乳酸消失。20世紀(jì)初，動(dòng)物生理學(xué)家極大地推動(dòng)了乳酸代謝和肌肉能量學(xué)相關(guān)問(wèn)題的研究發(fā)展。英國(guó)生理學(xué)家希爾（A. V. Hill）及其同事結(jié)合肌肉生物化學(xué)和人體新陳代謝相關(guān)原理，于1923年首次提出“氧債”的概念（即從停止運(yùn)動(dòng)到恢復(fù)正常狀態(tài)所消耗的氧氣總量）。該研究同時(shí)提出：在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段和最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度階段，肌肉細(xì)胞內(nèi)存在著氧氣供給不足的情況。此后，科學(xué)家一直采用巴斯德效應(yīng)—氧債模型來(lái)解釋糖酵解相關(guān)的代謝相關(guān)問(wèn)題，“氧債模型”也隨之發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外教材中的經(jīng)典模型，使“由于缺氧而產(chǎn)生乳酸”成為生物學(xué)界難以撼動(dòng)的觀念。

2 對(duì)乳酸與氧氣之間關(guān)系的重新認(rèn)識(shí)

20世紀(jì)50年代，威廉姆斯（Chance Williams）證明，當(dāng)機(jī)體因超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肌肉組織產(chǎn)生乳酸時(shí)，肌肉細(xì)胞的線粒體并沒(méi)有出現(xiàn)缺氧的情況，即使處于接近最大攝氧量的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度中，氧分壓依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線粒體臨界氧分壓。［1］ 1966年，斯坦斯比（Stainsby）等人發(fā)現(xiàn)在休息期間，狗的骨骼肌充滿血液并持續(xù)釋放乳酸。當(dāng)肌肉開(kāi)始收縮時(shí)，乳酸的釋放量增加。而隨著收縮的持續(xù)和耗氧量的增加，肌肉會(huì)吸收乳酸并將其轉(zhuǎn)化利用。之后，斯坦利（Stanley）和貝挌曼（Bergman）分別在人體骨骼肌內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的乳酸釋放—攝取現(xiàn)象。［2］

隨后，約伯斯（Jbsis）在研究線粒體內(nèi)還原態(tài)輔酶Ⅰ（NADH）的氧化還原狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)肌肉在血紅蛋白充分氧合狀態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生乳酸。同時(shí)，肌肉組織中乳酸水平的升高還伴隨著線粒體內(nèi)NADH濃度的下降，證明呼吸鏈中的氧化磷酸化過(guò)程充分，線粒體內(nèi)不存在缺氧狀態(tài)。［3］

理查森（Richardson）及其同事發(fā)現(xiàn)，隨著人體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的提高，在一定比例的氧濃度條件下，肌肉中乳酸的釋放與肌肉細(xì)胞內(nèi)氧濃度無(wú)關(guān)，但是在缺氧情況下，乳酸的釋放量會(huì)更多。［4］

2006年，王鳳陽(yáng)等通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)前和乳酸閾強(qiáng)度下人和大鼠的靜脈血氧分壓和乳酸含量，發(fā)現(xiàn)在吸氧和不吸氧兩種實(shí)驗(yàn)條件下，靜脈血氧分壓和乳酸含量均沒(méi)有相關(guān)性。其研究結(jié)果證實(shí)，機(jī)體從有氧到無(wú)氧代謝的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，也并未出現(xiàn)缺氧的狀況。

基于上述相關(guān)研究結(jié)果，有學(xué)者提出：在有氧條件下，肌肉細(xì)胞也可以產(chǎn)生乳酸，并且隨著耗氧量的變化轉(zhuǎn)而攝取乳酸加以利用，以滿足代謝的需求。

3 細(xì)胞在有氧條件下產(chǎn)生乳酸的原因

丙酮酸和乳酸在乳酸脫氫酶（LDH）的催化下存在著如下可逆反應(yīng)關(guān)系：

丙酮酸LDH乳酸細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中含有豐富的LDH，可催化丙酮酸轉(zhuǎn)化成乳酸，該反應(yīng)的化學(xué)平衡點(diǎn)極端偏向于乳酸的生成。［5］在哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生糖酵解的過(guò)程中，血氧含量過(guò)低時(shí)，3-磷酸甘油醛脫氫反應(yīng)（產(chǎn)生NADH）速率超過(guò)線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生NAD＋的反應(yīng)速率，細(xì)胞必須通過(guò)LDH將NADH氧化為NAD＋，同時(shí)將丙酮酸還原為乳酸，以維持細(xì)胞內(nèi)NADH／NAD＋的平衡，從而保證糖酵解過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行及能量的供應(yīng)。［6］此外，即使處于氧氣充足的條件下，該現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)在中等強(qiáng)度收縮的骨骼肌細(xì)胞或者代謝活躍的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，此時(shí)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中過(guò)量的丙酮酸將還原為乳酸，并沿濃度梯度從細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散至細(xì)胞外。由此可見(jiàn)，當(dāng)細(xì)胞產(chǎn)生乳酸或者機(jī)體內(nèi)乳酸產(chǎn)量增加的時(shí)候，細(xì)胞并不一定處于缺氧狀態(tài)。

4 乳酸既能異生為葡萄糖，也能通過(guò)氧化供能

過(guò)去很多學(xué)者認(rèn)為，肝臟對(duì)乳酸進(jìn)行糖異生，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟牵约澳I臟將乳酸轉(zhuǎn)換成碳酸氫鹽是機(jī)體處理乳酸的主要方式。1985年，布魯克斯（Brooks）提出了“乳酸穿梭”理論，即乳酸在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)跨膜遷移的過(guò)程。［7］這一理論的提出為人們重新認(rèn)識(shí)乳酸的生理作用奠定了基礎(chǔ)。

在細(xì)胞膜或線粒體膜上有一種單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)（Monocarboxylate Transport，MCT）蛋白，能介導(dǎo)乳酸（丙酮酸和質(zhì)子等）的跨膜運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)乳酸在細(xì)胞間的轉(zhuǎn)運(yùn)。目前學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MCT蛋白的14種亞型，在骨骼肌、肝臟、腦細(xì)胞等多種組織細(xì)胞中均有表達(dá)，并且具有物種和組織特異性。MCT蛋白是雙向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，允許組織細(xì)胞根據(jù)細(xì)胞內(nèi)乳酸濃度和pH的變化，在順濃度梯度攝取和釋放乳酸的過(guò)程之間進(jìn)行切換。［8］例如，當(dāng)肌肉開(kāi)始快速收縮，乳酸生產(chǎn)速率增加時(shí)，胞內(nèi)乳酸濃度上升，乳酸從肌肉中釋放。隨著肌肉耗氧量達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，胞內(nèi)乳酸生產(chǎn)速率下降，而胞外乳酸濃度高于胞內(nèi)，細(xì)胞對(duì)乳酸的攝取量也隨之增加。所以，MCT介導(dǎo)的乳酸穿梭是一種協(xié)助擴(kuò)散，并且這種協(xié)助擴(kuò)散具有嚴(yán)格的順序。MCT蛋白優(yōu)先與H＋結(jié)合，然后再結(jié)合乳酸，此時(shí)MCT蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，將結(jié)合的乳酸和H＋同向轉(zhuǎn)運(yùn)到膜的另一側(cè)后，以相反的順序釋放乳酸和H＋。這種位于細(xì)胞膜上以MCT介導(dǎo)的胞間乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)，是血液中的乳酸運(yùn)輸?shù)礁闻K異生為葡萄糖的重要過(guò)程。

傳統(tǒng)研究認(rèn)為，乳酸氧化為丙酮酸的第一步是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的，因?yàn)榧?xì)胞質(zhì)基質(zhì)中存在豐富的LDH。20世紀(jì)80年代后期，勃蘭特（Brandt）等人證明了大鼠肝臟、腎臟和心臟細(xì)胞線粒體中也均存在LDH。［9］由此，更多研究者推測(cè)乳酸氧化的場(chǎng)所很可能為線粒體內(nèi)部。

古特曼（Gutmann）等人使用化合物聯(lián)氨捕獲線粒體內(nèi)的丙酮酸，將線粒體內(nèi)丙酮酸保持在極低水平，使得LDH順利將丙酮酸還原為乳酸，隨后采用分光光度計(jì)測(cè)定乳酸和丙酮酸的含量。這一設(shè)想的前提是線粒體膜上存在可以轉(zhuǎn)運(yùn)乳酸進(jìn)入線粒體的MCT以及內(nèi)部將乳酸氧化為丙酮酸的LDH。［10］Gutmann的設(shè)想后來(lái)通過(guò)透射電鏡和免疫金標(biāo)法的實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。［11］

位于線粒體上的乳酸／丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被鑒定為MCT1。［12］ Brooks等人提出線粒體上存在乳酸氧化復(fù)合物的假設(shè)，并認(rèn)為該氧化復(fù)合物至少包含單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體、膜伴侶堿性蛋白（BSG或者CD147）、LDH、細(xì)胞色素氧化酶（COX）。由于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)LDH豐富，乳酸可在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中產(chǎn)生，并通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)入線粒體外膜和內(nèi)膜之間的膜間腔內(nèi)，被位于內(nèi)膜上的LDH氧化成丙酮酸，進(jìn)而通過(guò)乳酸氧化復(fù)合物中的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體跨線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)，進(jìn)而參與機(jī)體的三羧酸循環(huán)（見(jiàn)圖1）。

5 乳酸功能的多樣性

綜合以上研究可以得出乳酸不僅不是代謝廢物，還有著重要的生理功能。通過(guò)前文介紹可知，除了異生轉(zhuǎn)化為葡萄糖以外，乳酸還能通過(guò)氧化給細(xì)胞供能。最近有研究進(jìn)一步表明，將使用13C標(biāo)記的乳酸注入血液后，能在身體每個(gè)組織細(xì)胞中的三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)13C標(biāo)記，這表明乳酸通過(guò)轉(zhuǎn)化成為多種物質(zhì)參與三羧酸循環(huán)，是一種參與細(xì)胞代謝活動(dòng)的重要的能源物質(zhì)。

研究表明，若乳酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)生過(guò)程受到影響，將抑制神經(jīng)元軸突和樹(shù)突的生長(zhǎng)發(fā)育，需添加外源性乳酸促進(jìn)其發(fā)育。另外，通過(guò)提升少突膠質(zhì)細(xì)胞的糖酵解速率，其產(chǎn)生的乳酸能為軸突提供能量，而干擾少突膠質(zhì)細(xì)胞膜上MCT1功能，則會(huì)影響神經(jīng)元細(xì)胞的存活和軸突的功能，證明少突膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸為軸突發(fā)育供應(yīng)能量。以上研究成果表明，乳酸能促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，為臨床上早期干預(yù)治療肌萎縮側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病提供了新的理論依據(jù)。［13］此外，在神經(jīng)系統(tǒng)中，乳酸還能作為信號(hào)分子參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性、可塑性、學(xué)習(xí)和記憶等功能活動(dòng)。［14］

6 關(guān)于乳酸的教學(xué)建議

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，其基本要求就是讓學(xué)生具有“生物學(xué)概念都是基于科學(xué)事實(shí)并經(jīng)過(guò)論證形成的”基本意識(shí)。［15］教材關(guān)于乳酸描述的改變體現(xiàn)了人類(lèi)認(rèn)識(shí)生命的過(guò)程。高中生物學(xué)教師在講授無(wú)氧呼吸與乳酸相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以設(shè)問(wèn)：線粒體內(nèi)進(jìn)行有氧呼吸的第二和第三階段，這兩個(gè)階段的反應(yīng)速率是否等同于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中第一階段的反應(yīng)速率？如果不相等，是否會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中丙酮酸和［H］積累的現(xiàn)象？由此引出在線粒體內(nèi)外相關(guān)反應(yīng)速率不匹配的條件下，丙酮酸會(huì)還原為乳酸，從而導(dǎo)致細(xì)胞中乳酸大量積累并排出的現(xiàn)象。教師繼續(xù)展示肌肉細(xì)胞在氧氣充足情況下仍會(huì)產(chǎn)生或積累乳酸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以印證。

教師再進(jìn)一步設(shè)問(wèn)：什么情況可能導(dǎo)致呼吸作用第一步反應(yīng)和第二步、第三步反應(yīng)速率不相等？引導(dǎo)學(xué)生思考并理解引起細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生并積累乳酸的原因之一是細(xì)胞暫時(shí)性缺氧，而不是“無(wú)氧”。最后，教師結(jié)合物質(zhì)跨膜運(yùn)輸知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析丙酮酸和［H］跨線粒體膜運(yùn)輸受阻或線粒體細(xì)胞供能受阻，導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜外反應(yīng)速率不匹配引起的乳酸積累現(xiàn)象。由此不僅可以糾正學(xué)生先前的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，還能幫助學(xué)生理解人體無(wú)氧呼吸作用的內(nèi)在含義，樹(shù)立基于科學(xué)事實(shí)、以發(fā)展眼光看待生物學(xué)現(xiàn)象的意識(shí)。

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