Cell Metabolism：代谢流分析揭示TCA循环分解代谢的营养来源
2020年9月，杜克大学医学院等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》上发表了题为“Quantitative Analysis of the Physiological Contributions of Glucose to the TCA Cycle”的研究论文，阐明了在大多数情况下葡萄糖是TCA循环的主要营养来源。
进行了生理学中碳代谢的定量分析
发现葡萄糖是TCA循环的主要营养来源
乳酸具有较高的交换通量并且具有较低的净循环通量
结论在许多实验条件下都是可靠的
组织内的细胞代谢利用葡萄糖、乳酸、氨基酸和脂肪酸等许多代谢物作为它们在TCA循环中的营养物质来源。作为全身代谢的一部分，每个细胞对特定代谢物的利用都有独特的偏好，这受组织类型，细胞状态，环境因素（如营养和生理状况）的影响。营养源的选择对于正常的器官功能至关重要，并且与疾病密切相关。因此，对营养源利用在生理条件下的研究至关重要。
为了量化不同的营养来源，长期以来一直使用基于同位素标记的方法。用同位素标记的底物喂养或注入细胞或动物，并通过质谱（MS）或核磁共振（NMR）分析代谢物的标记率。但是，这些研究受到测量的限制，这些测量通常仅包括一些代谢物。最近的研究试图使用代谢流分析（MFA）在系统水平上定量测量养分来源的利用。所用的生化模型对最终的解决方案至关重要。然而，许多MFA模型没有考虑交换通量。另一个要点是新陈代谢的异质性，生物代谢依赖于数十个器官和组织之间的相互合作。但是，当前大多数MFA模型都考虑一种组织中的通量计算，并假定该组织是均匀系统。
在禁食状态下，系统代谢涉及将循环乳酸转化为血液中葡萄糖的源组织（通常为肝脏），以及将葡萄糖消耗回乳酸的库组织，称为Cori循环。源组织和库组织中的葡萄糖和乳酸通过丙酮酸相互转化。库和源组织通过血浆连接，血浆允许葡萄糖和乳酸的运输。
研究人员首先构建了代谢流分析的通用方法。根据13 C-葡萄糖灌注小鼠的MS数据计算通量。输注后，用MS收集和分析组织。不同位置的13C代谢物被区分，它们的相对丰度被称为质量同位素分布（MID）。代谢物（如葡萄糖、乳酸和丙酮酸）的MID可用于求解通量。用信息论中使用的标准度量标准Kull-back-Leibler散度来衡量估计的MID和实验之间的差异（即成本函数），以找到一组最适合数据的通量。成本函数低于阈值的解决方案被认为是可行的解决方案，并将在以下分析中使用。
通量网络可以用一个简化的图表从数学上定义：源和库组织中的TCA循环由血浆中葡萄糖和乳酸的两种通量供给。研究人员接着根据相关反应和扩散的净通量（STAR法）计算葡萄糖或乳酸对TCA循环的非负贡献通量。根据计算的通量，定义了两种葡萄糖贡献率来反映葡萄糖对TCA循环的相对贡献率。源组织为肝，库组织为心、脑、骨骼肌、肾、肺、胰腺、小肠、脾。对于库和源组织的每一个组合，该模型均采用小鼠输注葡萄糖和乳酸的数据进行拟合。结果表明，在几乎所有的情况下，葡萄糖对TCA循环的贡献均大于乳酸。
循环葡萄糖对TCA循环的贡献
这两个组织模型的结果依赖于MID数据和一些参数。为了评估这些依赖性，研究人员随后实施了敏感性分析。将原始数据和参数被随机扰动，结果在大多数参数集中，葡萄糖对TCA循环的贡献仍大于乳酸，表现出先前此结论的稳定性。
为了进一步研究这一结论的普遍性，研究人员考虑了不同的动物品系、不同的饮食和不同的输注方案，以更高的输注速率输注13 C葡萄糖，这是这些研究中考虑的关键技术变量之一。结果再次显示葡萄糖对TCA循环的贡献大于乳酸。
目前的模型是基于源和库组织的。然而，哺乳动物由数十种不同的组织组成，它们相互合作，相互作用。为了证明该模型在多个组织室的实用性，研究人员引入了更多的库组织，并分析了在这些条件下葡萄糖的贡献。该模型包含一个源组织和两个库组织，它们通过血浆中的葡萄糖和乳酸连接。拟合结果表明，在两个库组织的所有三个组合中，无论使用的葡萄糖贡献率（即局部或整体贡献率）的定义如何，葡萄糖对TCA循环的贡献都大于乳酸。
多个组织的通量分析
目前的分析认为两种循环代谢物是TCA循环的来源：葡萄糖和乳酸。然而，许多其他代谢物在组织和血浆之间循环和交换，如醋酸、丙氨酸和丙酮酸。因此，为了研究该模型的适用性，研究人员最后引入循环丙酮酸。循环丙酮酸也可以代表其他营养来源，包括但不限于丙氨酸、谷氨酰胺、醋酸盐或脂肪酸。在该模型中，循环丙酮酸不仅与库和源组织交换，而且在血浆中转化为乳酸。血浆中的葡萄糖和乳酸也可以直接转化为丙酮酸。
结果表明，对于低输注速率数据，葡萄糖的局部贡献主要高于乳酸和丙酮酸，高输注速度数据中的情况与此类似，其中葡萄糖的局部贡献在所有采样模型中均占主导地位，但葡萄糖的整体贡献与乳酸接近。因此，在循环系统中含有更多代谢物的模型中，循环葡萄糖对多个库组织的TCA循环的贡献大于乳酸，而在同时考虑库和源组织时，循环葡萄糖的贡献与乳酸相似。
多循环代谢物供给TCA循环的模型
综上所述， 该研究利用体内不同实验条件下的同位素标记数据，构建了多个中心碳代谢模型，并开发了基于代谢流分析（MFA）的方法来解决TCA循环中葡萄糖、乳酸和其他营养来源的偏好。这种对生物体代谢的定量分析确定了营养通量在生理学中的相对贡献，为体内同位素示踪数据的分析提供了资源，并得出结论，葡萄糖是哺乳动物所用的主要营养来源。
