【Cell Metabolism】无效代谢循环综述

在生命系统中，酶降低活化能以促进生化反应，从而决定底物的方向性。第一类， 对于不可逆/单向反应，酶催化底物转化为产物，单向性导致产物的净积累。第二类，可逆酶促反应由酶催化，可以将底物转化为产物并返回。可逆反应可平衡底物/产物丰度。变构和反馈机制通常调节此类酶的活性。例如，在糖酵解中，磷酸甘油酸激酶将 1,3-二磷酸甘油酸转化为 3-磷酸甘油酸。在糖异生过程中，相同的酶催化相反的反应，从 3-磷酸甘油酸生成 1,3-二磷酸甘油酸。第三类生化反应，利用一对催化方向相反的反应的酶，使得一种酶的产物充当另一种酶的底物。当相反的反应同时活跃时，它们构成无效循环或底物循环（futile cycle or substrate cycle）。在反应平衡时，不形成净产物。然而，如果至少一个反应依赖于能量，那么能量输入就会被浪费，而没有明显的输出（图 1A 和 1B）。

仅仅存在两种相反的酶并不需要同时激活两个反应。相反反应的活性可以通过以下因素的组合来调节：(1) 酶可用性、(2) 辅助（辅）因子和/或修饰、(3) 底物可用性、(4) 对底物的相对亲和力和 (5) 变构由质量作用定律的动力学的调节。对于一对相反的反应，逆反应主要受底物可用性的调节，这是第一个反应的结果。此外，区室化（compartmentalization，亚细胞、组织或器官水平）和相反酶的临时调节表达/激活有效地限制了无效性。然而，可逆反应的调节并不是绝对的。在能量/代谢物匮乏的时期，逆反应可能成为生存的必需，因此徒劳性变得不可避免。在这种情况下，细胞/生物体会利用无用的反应作为适应性的妥协。一些无效周期是可恢复的，并且其程度可以通过各种细胞（/细胞外）因素或干预措施进一步增强。细胞/生物体似乎已经进化并适应利用相反的酶促反应来调节代谢流，以获得更高的代谢敏感性和以避免饥饿期间的有机体衰竭。

细胞能量存储、及其及时使用是通过可能涉及多个底物/无效循环步骤的复杂途径来促进的。在能量过剩阶段，多余的能量以脂质或糖原的形式储存。相反，在能量供应有限的情况下，逆反应提供了从存储的生物分子生成底物的快速途径。例如，脂肪酸 (FA) 和甘油是通过脂肪分解从甘油三酯 (TG) 储存中产生的。类似地，其他复杂的多步骤途径，例如糖原分解/糖异生，可以从糖原产生葡萄糖。这些相反的反应作为一个相互调节系统发挥作用，可以实现更好的代谢调节以及能量和生物分子的微调利用（图 1A 和 1B）。这样的系统确保了基本底物的可用性，即使它们不能从外部来源获得，从而以时空调节的方式促进代谢的灵活性和稳定性。

无效循环的功能结果取决于时间、宿主的能量状态、亚细胞位置以及参与无用循环的代谢途径。细胞、组织和器官内代谢途径的划分是一种限制无效性的进化性适应。例如，由于甘油激酶的差异表达，脂肪细胞脂肪分解产生的甘油主要被释放并用于肝脏中的糖异生。这最大限度地减少了脂肪细胞中甘油和 FA 的再酯化，这将导致 TG 水解和 FA 再酯化的能量消耗巨大的无效循环。在能量缺乏的情况下，例如脂肪营养不良和恶病质，这种无效的循环可能特别繁重。相比之下，无效循环在其他情况下可能是有益的。无用循环还可以充当瞬时代谢物库，可以提高代谢敏感性和防止底物或产物的潜在毒性。通过创建无效循环，细胞可以响应相对较小的上游信号放大输出幅度，以控制底物/产物转化的速率。此外，无用能量消耗（EE）是预防和/或管理肥胖的一个有吸引力的选择，使其引起临床兴趣。总之，对于无效循环的生物效用问题，一个合适的回答是：这取决于具体情况。

无效循环的研究背景和分类

无效循环的存在早已众所周知。早期的研究集中在糖酵解的不可逆反应上。从 20 世纪 50 年代到 1980 年代，即证明了 G6Pase 和 1,6FBPase 介导的无效性的存在。

后来的研究了多个无效循环，并确定了构成无效循环的更复杂的途径（例如甘油酯/FA循环）。因此，在过去的 7-8 年间，出现了许多无效的循环。这些众多的循环不仅让许多人感到困惑，而且可能会引起概念上的误解。最重要的是，对于一般能量无用性和无用循环之间的区别存在广泛的分歧。考虑到报告的无效机制数量不断增加及其不同的作用模式，作者建议将其分为五类（图 1C）：（1）基于解耦器的无效性，（2）基于通道/转运蛋白的无效性，（3）单一反应无效循环(single-reaction)，(4)多步骤无效循环途径，和(5)全身/器官间无效循环。

有几种代谢穿梭机（例如、苹果酸-天冬氨酸穿梭途径、 谷氨酸-谷氨酰胺穿梭途径、 甘油-3-磷酸穿梭途径、 和肉碱穿梭途径），其功能是运输代谢物/以循环方式穿过亚细胞膜的氧化还原当量。然而，由于它们不直接消耗能量，我们不会将它们归类为无用循环。

一般来说，底物循环途径和全身/器官间底物循环由几个单反应底物循环组成，因此在能量上是浪费的。然而，多步途径带来了更好的时空调节，因此，循环的能量成本可以通过底物循环的速率来控制。以下部分通过代表性示例简要介绍了不同的无效/基质循环类别。

1. 基于解耦器的无效性

当生物分子或化学实体为 H+从线粒体膜间隙到基质创建替代通道（通过 ATP 合酶除外）时，H+梯度的势能就会损失作为没有 消化ATP 的能量（图 1D 和 1E）。棕色/米色脂肪细胞由于解偶联蛋白 1 (UCP1) 的高表达，很容易将氧化电子传递链与 ATP 合成解偶联，因为 UCP1一种转运蛋白，可促进 H+穿过线粒体内膜扩散（图 1E）。UCP1 介导的质子泄漏是特征最明确、影响最深远的内源解偶联途径。尽管特定底物没有直接循环，但 H+离子被泵送到线粒体膜间隙，然后以徒劳的散热方式扩散回基质（图 1E）。鉴于产生大量热量，UCP1 介导的解偶联在生理上与适应性产热相关。此外UCP1，线粒体腺嘌呤核苷酸转位酶家族（ANT1-ANT4）也可以充当解偶联剂，尽管其解偶联活性相对较弱。值得注意的是，基于解偶联剂的无效性可以潜在地用于治疗（图 1E）。已知许多小分子，无论是内源性的还是药理学的，都会诱导基于解偶联的无效性。一些临床批准的药物似乎通过解偶联起作用，这强调了无效循环可能的成药性，并将基于解偶联剂的无效性作为具有能量过剩状态的代谢条件的有吸引力的靶标。

2. 基于通道/转运蛋白的无效性

全身和细胞离子稳态（Ca2+、 Mg2+、 Zn2+、 Fe2+/3+、 Na+、K+等）对于细胞存活和功能至关重要。在列出的离子中，Ca2+是一种多功能第二信使，也可作为许多酶/蛋白质的必需辅助因子/调节离子。时空精确的细胞质和细胞器 Ca2+浓度是通过许多蛋白质和通道/泵的协同作用来维持的。肌浆/内质网 Ca2+ATP 酶 (SERCA)/兰尼碱受体 (RyR) 系统是微调胞质/内质网 (ER) 的调节机制的关键组成部分) Ca2+浓度。由于 SERCA 利用 ATPase 活性来调节 Ca2+浓度，其异位激活（例如通过肌磷脂）导致无效ATP 水解。SERCA 和 RyR 介导的 Ca2+循环是具有明确生理相关性的充分表征的无效循环机制之一和产热贡献（图 2A）。骨骼肌以及棕色/米色脂肪细胞利用无效的 Ca2+循环来产热。

除了 SERCA 介导的 Ca2+循环之外，其他几种 ATP 酶通道/转运蛋白系统仍然是有前途但尚未表征的候选者。多药耐药性 1 (MDR1) 是一种具有 ATP 酶活性的异生物质外排泵。除了外源性物质和药物外，MDR1 还识别内源性脂质和肽，而某些脂质则充当其 ATP 酶活性的辅助因子（图 2B）。同样，液泡型 ATP 酶 (V-ATP 酶) 是一类膜蛋白，利用 ATP 水解来维持各种细胞内区室的酸度和渗透压（图 2C）。

3. 单反应无效循环

任何具有逆（酶）反应的生化反应都可能导致无效循环。葡萄糖激酶/葡萄糖-6 磷酸磷酸酶 (G6Pase) 对是无效循环的典型示例，其中葡萄糖激酶将磷酸基团从 ATP 转移到葡萄糖，而 G6Pase 则去除磷酸基团组，以消耗 ATP 为代价再生葡萄糖（图 1B）。另一个相关的酶对磷酸果糖激酶 (PFK) 和果糖 1,6-二磷酸酶 (FBPase) 穿梭果糖 6-磷酸和果糖 1,6-二磷酸，同时每轮循环消耗 1 个 ATP（图 2D）。因此，具有相反活性的类似酶对在代谢途径中普遍存在。例如，酰基辅酶 A 合成酶长链 (ACSL) 成员依赖 ATP 将 FA 激活为酰基辅酶 A (CoA)，并通过酰基辅酶 A 硫酯酶 (ACOTs）平行水解酰基辅酶 A（生成 FA 和 -CoA）。 类似地，甘油激酶将甘油磷酸化为甘油3-磷酸(G3P)，并通过G3P磷酸酶。在此讨论的潜在无效循环中，通常控制逆反应以允许底物沿着代谢途径流动，只有偶尔的并行激活才构成无用的循环。

一些无用的酶对似乎同时被招募来执行与代谢无关的生物功能。作为能量货币的肌酸/磷酸肌酸系统就是这样的一个例子。肌酸磷酸化/去磷酸化的无效循环，从而以热量的形式耗散化学能，从而有助于适应性生热（图 2E）。正常情况下，线粒体肌酸激酶将磷酸基团从 ATP 转移到肌酸。生成的磷酸肌酸被运送到细胞质，在那里它充当磷酸盐供体。在无效循环的情况下，线粒体磷酸酶会水解磷酸肌酸，从而以无效的方式促进产热（图 2E）。在产热脂肪细胞中，组织非特异性碱性磷酸酶可水解磷酸肌酸。 与其他无效循环类似，无效肌酸循环造成能量损失的分子机制可能需要进一步研究勘探。

值得注意的是，许多无效反应（即一对相反的酶）是可诱导的，因此有可能被用于治疗。冷暴露会导致两种相反酶（即 ACSL 和 ACOT）同时上调。它们是否构成无效的 FA 激活/水解循环并有助于适应性产热仍有待检验。在这种情况下，ACOT11 和 ACOT1 特别令人感兴趣。由于寒冷诱导小鼠棕色脂肪组织中 Acot11 显著上调，因此它也被称为棕色脂肪诱导硫酯酶 (BFIT)。Acot11 的整体敲除会促进 FA 氧化 (FAO)，从而增加 能量消耗 并增强对饮食引起的肥胖的抵抗力。这些发现表明，ACOT11 与 ACSL 构成了 FA 激活/水解的无效循环，以调节 FAO 和 能量消耗。因此，选择性 ACOT11 抑制可能是增加 能量消耗 的治疗靶点。在 Acot1 敲除小鼠中观察到类似的表型，这表明 FA 激活/水解无效循环可能涉及多种同工酶，并且在全身代谢中具有比先前认识的更显着的调节作用。

考虑到各个无效循环的多样性和多重性，即使这些循环的部分同时活动（在遥远的细胞/组织内或远处的细胞/组织内）也可能对细胞能量学和代谢物稳态产生巨大影响。

然而，在连续糖酵解和平行糖异生的状态下，可以设想无效的葡萄糖循环。丙酮酸是糖酵解的最终产物，显示可通过草酰乙酸中间态在磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 和丙酮酸之间穿梭。同样，各种（磷酸）脂质的持续分解和重新合成，尤其是具有非常高周转率的信号脂质，可以与磷脂酰肌醇构成无效循环循环是一条重要的途径（图 3D）。

4. 多步骤无效循环途径

生命的中心法则概述了活细胞中信息流的方向性。信息流过程中的错误率必须保持在最低限度。通过挽救突变的生物分子，无效循环似乎在维持整个信息流的保真度方面发挥着至关重要的作用（图 3）。为了控制 DNA 复制、转录或翻译过程中的错配/错误，专用于调节起始、进展和终止，然后进行最后一轮校对以确保质量和精度。如果最终转录本/多肽出现错误，或任何检查点失败，有缺陷的 RNA/蛋白质就会被降解。这些调控步骤中任何一个的遗传/环境缺陷都会导致 RNA/蛋白质的不断合成和降解，从而造成大分子合成和降解的无效循环（图 3）。

转录是最受监管的生物过程之一。一些畸变可能导致危及生命的疾病（例如，DUX4 的异位转录与面肩肱型肌营养不良症 [FSHD] 的病因有因果关系）。因此，胞质 RNA 丰度在表观遗传修饰、转录起始、延伸、终止、核输出、剪接/成熟和降解等多个步骤中受到调节。这种调节的每一步都是一个能源密集型过程，其中一些依赖于 ATP 的步骤在试错模式下工作，每轮试验都会产生大量累积能源消耗（图 3A）。

Maf1 是聚合酶 III (Pol III) 介导的转录调节剂。Maf1 的缺失会导致无效 RNA 循环的异位激活。在 Maf1 缺失的细胞中，Pol III 主动转录靶基因，而所得转录物会立即降解，以挽救核苷酸并避免毒性。鉴于 RNA 生物合成的高 (ATP) 成本，Maf1 敲除会导致 RNA 无效循环，并增加 能量消耗，从而赋予抵抗肥胖和其他代谢益处。如此广泛的无效途径对于探索基本生物过程非常有意义，尽管利用此类循环来调节系统能量稳态实际上具有挑战性（图 3A）。

蛋白质组更新的增加也被认为构成了一个多步骤的无效循环。支链转氨酶 2 (BCAT2) 催化外周支链氨基酸代谢。小鼠体内 Bcat2 的消除可增强对肥胖的抵抗力，并改善胰岛素敏感性和葡萄糖耐量。据推测，其中一些效应源于蛋白质组周转增加，从而导致 能量 增加（图 3B）。同样，通过富含亮氨酸的五肽重复蛋白（Lrpprc）的基因消融或通过喂食低蛋白饮食来激活棕色脂肪中的转录因子4（ATF4），可显著提高蛋白质组周转率，从而导致产热和能量消耗增加。蛋白质折叠是蛋白质组稳态的重要步骤。这是一个 ATP 依赖性过程，容易过早终止、复发，甚至错误折叠后蛋白质降解（图 3B）。因此，无用的循环可能是生物体在细胞（或生物体）的整个生命周期中维持遗传信息保真度所需付出的成本。

看家代谢途径显示出利用底物循环的固有趋势。糖酵解涉及 10 个酶催化的代谢反应，其中除了两个不可逆反应外，大多数中间反应都是可逆的（图 3C）。由于可逆性，代谢流的方向主要由底物/产物浓度决定。

因此，正如所显示的那样，几乎所有细胞通路都容易遭受能量浪费的无效循环。然而，除了稳态调节作用外，这些循环的代谢和能量成本还需要进一步考虑。此外，一些临床药物的副作用可能源于大分子分解代谢和无效循环的激活。在这方面，针对蛋白酶体和/或自噬的药物以及一些皮质类固醇值得进一步研究。

5. 全身/器官间无效循环

当一个器官的代谢产物被另一个器官作为底物，以净能量投入再生原始代谢物时，就构成了器官间的无效循环（图4）。考虑到细胞内反向酶的表达/定位/活性受到严格调节，限制了细胞和/或组织内的异位无效性，多步骤无效循环可能更容易被允许，因此更有可能具有生理相关性。

胆固醇循环

精确控制的循环胆固醇浓度对于维持细胞膜完整性、激素稳态和心血管健康至关重要。脂蛋白颗粒将胆固醇和其他中性脂质从起源部位（即膳食脂质的肠道或内源性脂质的肝脏/脂肪）通过循环携带到目标组织。然而，大部分未使用的内源性脂蛋白颗粒通过低密度脂蛋白受体 (LDLR)/B 类清道夫受体 I 型 (SR-B1) 在肝脏中回收-介导的清除途径。由于脂蛋白颗粒包装、分泌、降解和回收是一个 ATP/GTP 依赖性过程（使用 ATP 酶或 GTP 酶进行囊泡形成、释放和回收，以促进沿着细胞骨架的定向运动），因此消耗大量 ATP 当量（图 4）。胆固醇储存/移动的另一种途径是通过胆汁，其中胆固醇储存在胆囊中。分泌后，几乎一半的总胆汁胆固醇通过肠道再吸收被回收。除了净回收之外，胆固醇还会经历酯化/水解，具体取决于目标组织中胆固醇的命运。因此，胆固醇循环代表了一个无效循环，在脂蛋白吸收不足的情况下，这种循环会加剧。

膳食脂质吸收循环

膳食脂质吸收是一个代谢过程，其中膳食甘油三酯(TG,triglyceride)首先被分解成更小的单位，然后重新酯化为甘油三酯，然后分泌到乳糜微粒中。在被目标组织吸收之前，TG 会被水解成更小的单位，并在储存到脂滴 (LD) 之前再次酯化为 TG（图 4）。考虑到当代饮食中的脂肪含量，无效循环也可能导致食物热效应（TEF）。值得注意的是，尽管如果以总/基础 能量消耗 的百分比或脂质总能量含量的百分比形式表示，TEF 的大小可能显得微不足道，但在净 能量消耗 的背景下，TEF 可能仍然与长期相关。体重稳态。

甘油-葡萄糖循环

脂肪组织通过脂肪分解产生大量的甘油。然而，由于白色脂肪组织 (WAT) 中甘油激酶的表达非常低，而白色脂肪组织似乎是循环甘油的主要来源，因此脂肪细胞不会利用游离甘油将 FA 酯化为 TG。相反，脂肪细胞主要使用葡萄糖衍生的 G3P，从而将游离甘油释放到循环中（图 4）。循环中的甘油被肝脏吸收，肝脏将其用作TG合成的底物或通过糖异生过程将其转化为葡萄糖。在这两个过程中，ATP 都会被消耗。

乳酸（Cori）循环

在强烈的能量需求和低细胞内 O2压力的情况下，肌肉-肝脏轴选择通过无氧糖酵解提取能量 (ATP)。肌肉利用无氧糖酵解产生 ATP 并分泌乳酸作为最终产物。肝脏吸收乳酸并通过糖异生途径将其转化为葡萄糖（图 4）。在此过程中，虽然肌肉细胞从每个葡萄糖分子产生 2 个 ATP 分子，但肝细胞在再生每个葡萄糖分子时消耗 6 个 ATP 分子（净损失 4 个 ATP）。因此，Cori循环的能量消耗较高；然而，它只是缺氧下急性能量需求期间激活的短暂状态。

甘油酯/FA循环（脂质循环）

储存在脂肪组织中的甘油三酯每天都会被不断地动员起来，以维持各种脂质种类的健康循环水平。大量脂解衍生的 FA 被重新酯化并储存在脂肪细胞 LD 中，从而构成脂解和重新酯化的循环（图 3D、4、和5)。值得注意的是，脂肪分解途径中的几乎每个反应都有相反的反应，创建部分底物循环。例如，脂肪甘油三酯脂肪酶 (ATGL) 水解 TG 会生成二酰基甘油 (DAG) 和游离 FA。然后，DAG 和 FA (-CoA) 可以通过二酰基甘油酰基转移酶 1/2 (DGAT1/2) 重新酯化，在此过程中消耗 1 个 ATP。总体而言，在回收一摩尔 TG 时，会消耗 >4 摩尔 ATP，从而使甘油酯/ FA 循环是能量最昂贵的无用循环之一（图 3D、4 和 5）。甘油酯/FA循环位于脂质和葡萄糖代谢的交叉点，调节两条途径产物的相互转化，从而通过平衡回补和回补来促进代谢稳态。

总结

一些器官间底物循环涉及跨越两个或多个器官的多个能量依赖步骤（例如，无用的脂质循环），这使得它们在能量上更加昂贵。此外，器官间的无效循环在解剖学上是分散的，因此增加了内化和底物回收的间接能量成本（图 5）。除了能量属性之外，这些循环作为稳态管理机制也很重要。无效途径的各种酶的区室化利用器官的功能专门化来创建代谢物回收的新功能，同时排除细胞毒性。在代谢途径中，无效循环对底物可用性和代谢通量产生显著的调节作用。尽管这些循环似乎通过挽救专门器官/组织中的底物而进化到最大限度地提高代谢效率，但能量低效率变得不可避免。循环介导的 ATP 水解无效的后果是产生热量。几个已建立的无效循环解释了相当大的非颤抖产热（NST）。已知的生热无效循环属于 ATP 酶依赖性过程（例如 Na+/K+泵的突变或SERCA) 或单反应无效循环（肌酸循环）（图 1、5 和 6）。相比之下，在体内，无效途径的生热潜力研究很少。无效的途径应该会导致更大的能量效率、代谢控制和生热反应，因此值得进一步深入研究。