V tomto blogovom príspevku sa pozrieme na to, prečo rakovinové bunky uprednostňujú prítomnosť kyslíka, a budeme diskutovať o moderných interpretáciách biologických vied, či je Warburgov efekt príčinou karcinogenézy alebo dôsledkom genetických mutácií.
Je známe, že metabolické procesy rakovinových buniek sa líšia od metabolických procesov normálnych buniek. Podľa „Barburgovho efektu“ Otta Barburga majú rakovinové bunky tendenciu využívať glykolýzu ako svoj primárny mechanizmus získavania energie a inhibujú oxidačnú fosforyláciu, ďalšiu hlavnú metódu produkcie energie. Bunky produkujú ATP rozkladom veľkých molekúl z živín na menšie molekuly, čo je proces nazývaný katabolizmus. Okrem toho bunky využívajú energiu vysokoenergetických molekúl, ako je ATP, na syntézu makromolekúl, ako sú proteíny a nukleové kyseliny, z malých molekúl pre rast a delenie buniek, čo je proces nazývaný anabolizmus.
Aby sa ATP produkoval katabolizmom, bunky transportujú živiny do bunky a glukóza, typická živina, sa transportuje do bunky a rozkladá na menšie molekuly prostredníctvom glykolýzy a oxidačnej fosforylácie. Teoreticky, ak sa všetka energia v jednej molekule glukózy premení na ATP, vyprodukuje sa 36 alebo 38 ATP. Dva z týchto ATP sa produkujú glykolýzou v cytoplazme a zvyšok sa produkuje oxidačnou fosforyláciou, najmä v mitochondriách.
Glykolýza a oxidačná fosforylácia sa líšia nielen miestom, kde prebiehajú, ale aj podmienkami, ktoré vyžadujú. Glykolýza nevyžaduje kyslík, zatiaľ čo oxidačná fosforylácia áno. Preto ak je v bunke nedostatok kyslíka, oxidačná fosforylácia nemôže prebiehať a môže prebiehať iba glykolýza, ktorá vedie k fermentácii kyseliny mliečnej, pri ktorej sa pyruvát, konečný produkt glykolýzy, premieňa na kyselinu mliečnu. Je to ten istý princíp, ktorý spôsobuje hromadenie kyseliny mliečnej produkovanej svalovými bunkami vo svaloch pri intenzívnom cvičení v porovnaní s kardiorespiračnou kapacitou. Proces fermentácie kyseliny mliečnej je nevyhnutný na reprodukciu koenzýmu NAD⁺, ktorý je nevyhnutný pre glykolýzu, pretože z NAD⁺ sa produkuje ďalší produkt glykolýzy, NADH.
Keď glykolýza rozloží jednu glukózu na dva pyruváty, vzniknú dva NADH a na jednu molekulu NADH sa prostredníctvom oxidačnej fosforylácie môže vytvoriť približne tri ATP. V bunkách fermentujúcich kyselinu mliečnu však dochádza k strate NADH späť do menej energetického stavu NAD⁺.
Warburgov efekt označuje „aeróbnu glykolýzu“, metabolický proces špecifický pre rakovinové bunky, ktorý uprednostňuje glykolýzu pred oxidačnou fosforyláciou, a to aj v prostredí bohatom na kyslík. Keď sa rakovinové bunky transformujú na malígne rakovinové bunky, ktoré sa delia rýchlejšie, ich závislosť od oxidačnej fosforylácie sa znižuje a ich závislosť od glykolýzy sa zvyšuje. Naopak, keď je oxidačná fosforylácia aktivovaná, napríklad liečbou liekmi, závislosť od glykolýzy sa znižuje a závislosť od oxidačnej fosforylácie sa zvyšuje. Rakovinové bunky, ktoré vykonávajú aeróbnu glykolýzu, sa pri väčšine produkcie energie spoliehajú na neefektívnu glykolýzu, ktorá produkuje iba dve molekuly ATP na molekulu glukózy, takže transportujú do bunky viac glukózy ako normálne bunky a produkcia kyseliny mliečnej sa výrazne zvyšuje.
Pre príčinu Warburgovho efektu boli navrhnuté tri vysvetlenia. Prvé vysvetlenie je, že v dôsledku rýchleho rastu rakovinových buniek sa snažia využiť medziprodukty anabolizmu na syntézu makromolekúl potrebných pre rast buniek prostredníctvom glykolýzy, čo vedie k väčšiemu zameraniu sa na glykolýzu. Druhé vysvetlenie je, že keď sa rakovinové bunky delia a zväčšujú objem rakovinového tkaniva, zásobovanie tela kyslíkom sa nemôže dostať dostatočne hlboko do tkaniva a rakovinové bunky sa vyvinuli tak, aby sa prispôsobili prostrediu chudobnému na kyslík. Tretie vysvetlenie je, že rakovinové bunky sa snažia zabrániť svojej vlastnej smrti tým, že inhibujú funkciu mitochondrií, čím im bránia v vykonaní programu samovraždy buniek, ktorý môžu mitochondrie spustiť.
Barburg interpretoval tieto zmeny v metabolických procesoch špecifické pre rakovinové bunky ako príčinu karcinogenézy. Nedávny výskum však ukázal, že karcinogenézu primárne spôsobuje aktivácia onkogénov a mutácie v génoch potláčajúcich rakovinu a že Barburgov efekt sa chápe skôr ako dôsledok týchto genetických zmien než ako priama príčina rakoviny.
