Фруктолиз - Fructolysis

Фруктолиз относится к метаболизм из фруктоза из диетический источники. Хотя метаболизм из глюкоза через гликолиз использует многие из тех же ферменты и промежуточные структуры, такие как при фруктолизе, эти два сахара имеют очень разные метаболические судьбы в метаболизме человека. В отличие от глюкозы, которая напрямую метаболизируется в организме, фруктоза почти полностью метаболизируется в печени человека, где она направлена ​​на восполнение запасов печени. гликоген и триглицерид синтез.[1] Менее одного процента съеденной фруктозы непосредственно превращается в триглицерид плазмы.[2] 29% - 54% фруктозы превращается в печени в глюкозу, а около четверти фруктозы превращается в лактат. 15% - 18% конвертируется в гликоген.[3] Затем глюкоза и лактат обычно используются в качестве энергии для топливных элементов по всему телу.[2]

Фруктоза диетическая моносахарид естественно присутствовать в фрукты и овощи либо в виде свободной фруктозы, либо в составе дисахарид сахароза, и как его полимер инулин. Он также присутствует в форме рафинированного сахара, включая гранулированный сахар (сахар белый кристаллический столовый, коричневый сахар, кондитерский сахар, и сахар турбинадо ), уточненный кристаллическая фруктоза , так как кукурузные сиропы с высоким содержанием фруктозы а также в мёде. Около 10% калорий, содержащихся в западной диете, поступает из фруктозы (примерно 55 г / день).[4]

В отличие от глюкозы, фруктоза не инсулин секретагог, и фактически может снизить циркулирующий инсулин.[5] Помимо печени, фруктоза метаболизируется в кишечнике, семенниках, почках, скелетных мышцах, жировой ткани и головном мозге.[6][7] но он не транспортируется в клетки через инсулино-чувствительные пути (регулируемые инсулином транспортеры GLUT1 и GLUT4 ). Вместо этого фруктоза попадает в организм GLUT5. Фруктоза в мышцах и жировой ткани фосфорилируется гексокиназой.

Фруктолиз и гликолиз - независимые пути

Хотя метаболизм фруктозы и глюкоза имеют много одинаковых промежуточных структур, у них очень разные метаболические судьбы в метаболизме человека. Фруктоза почти полностью метаболизируется в печени у человека и направлена ​​на восполнение запасов печени. гликоген и триглицерид синтез, в то время как большая часть пищевой глюкозы проходит через печень и попадает в скелетные мышцы, где метаболизируется до CO2, H2O и АТФ и в жировые клетки, где он метаболизируется в основном до глицеринфосфата для синтеза триглицеридов, а также для производства энергии.[1] Продуктами метаболизма фруктозы являются гликоген печени и de novo липогенез жирных кислот и возможный синтез эндогенных триглицеридов. Этот синтез можно разделить на две основные фазы: первая фаза - синтез триозы, дигидроксиацетон (DHAP) и глицеральдегид; вторая фаза - это последующий метаболизм этих триоз либо в глюконеогенный путь пополнения запасов гликогена и / или полный метаболизм фруктолитического пути к пируват, который входит в Цикл Кребса, преобразуется в цитрат и впоследствии направлен на de novo синтез свободной жирной кислоты пальмитат.[1]

Метаболизм фруктозы до DHAP и глицеральдегида

Первым шагом в метаболизме фруктозы является фосфорилирование фруктозы до фруктозо-1-фосфат к фруктокиназа (Км = 0,5 мМ, ≈ 9 мг / 100 мл), таким образом улавливая фруктозу для метаболизма в печени. Гексокиназа IV (Глюкокиназа ), также происходит в печени и может фосфорилировать фруктозу до фруктозо-6-фосфат (промежуточное звено в глюконеогенный путь); однако он имеет относительно высокий Km (12 мМ) для фруктозы, и, следовательно, практически вся фруктоза превращается в фруктозо-1-фосфат в печени человека. С другой стороны, большая часть глюкозы не фосфорилируется (Km печеночной глюкокиназы (гексокиназа IV) = 10 мМ), проходит через печень в направлении периферических тканей и поглощается инсулинозависимым переносчиком глюкозы, GLUT 4, присутствовать на жировая ткань и скелетные мышцы.

Затем фруктозо-1-фосфат подвергается гидролизу фруктозо-1-фосфатальдолаза (альдолаза B) формировать дигидроксиацетонфосфат (DHAP) и глицеральдегид; DHAP может быть изомеризованный до глицеральдегид-3-фосфата под действием триозофосфат-изомеразы или подвергается восстановлению до глицерин-3-фосфата под действием глицерин-3-фосфатдегидрогеназы. Полученный глицеральдегид также может быть преобразован в глицеральдегид-3-фосфат путем глицеральдегидкиназа или преобразованный в глицерин-3-фосфат глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой. Метаболизм фруктозы в этот момент дает промежуточные продукты в глюконеогенном пути, ведущие к синтезу гликогена, или может быть окислен до пирувата и восстановлен до лактата, или декарбоксилирован до ацетил-КоА в митохондриях и направлен на синтез свободной жирной кислоты, что в конечном итоге приводит к Синтез ТГ.

Рисунок 1: Метаболическое превращение фруктозы в DHAP, глицеральдегид и глицеральдегид-3-фосфат в печени.

Синтез гликогена из DHAP и глицеральдегид-3-фосфата

Синтез гликогена в печени после приема пищи, содержащей фруктозу, происходит из глюконеогенных предшественников. Фруктоза первоначально превращается в DHAP и глицеральдегид с помощью фруктокиназы и альдолазы B. Полученный глицеральдегид затем подвергается фосфорилированию до глицеральдегид-3-фосфата. Повышенные концентрации DHAP и глицеральдегид-3-фосфата в печени приводят глюконеогенный путь к образованию глюкозо-6-фосфата, глюкозо-1-фосфата и гликогена. Похоже, что фруктоза является лучшим субстратом для синтеза гликогена, чем глюкоза, и что восполнение запасов гликогена имеет приоритет над образованием триглицеридов.[8] После восполнения запасов гликогена в печени промежуточные продукты метаболизма фруктозы в первую очередь направляются на синтез триглицеридов.

Рисунок 2: Метаболическое превращение фруктозы в гликоген в печени.

Синтез триглицерида из DHAP и глицеральдегид-3-фосфата

Углероды из диетической фруктозы обнаруживаются как в FFA, так и в глицериновой части TG плазмы. Избыточная диетическая фруктоза может быть преобразована в пируват, вводимый Цикл Кребса и появляется как цитрат направлен на свободная жирная кислота синтез в цитозоль из гепатоциты. DHAP, образующийся во время фруктолиза, также может быть преобразован в глицерин, а затем в глицерин-3-фосфат для синтеза TG. Таким образом, фруктоза может обеспечивать триозы как для глицерин-3-фосфатного остова, так и для свободных жирных кислот в синтезе ТГ. Действительно, фруктоза может обеспечивать основную часть углеводов, направленных на de novo Синтез ТГ у человека.[9]

Рисунок 3: Метаболическое превращение фруктозы в триглицерид (ТГ) в печени.

Фруктоза индуцирует липогенные ферменты печени

Потребление фруктозы приводит к инсулиннезависимой индукции нескольких важных липогенных ферментов печени, включая пируваткиназа, НАДФ+-зависимая малатдегидрогеназа, цитрат-лиаза, ацетил-КоА карбоксилаза, синтаза жирных кислот, а также пируватдегидрогеназа. Несмотря на то, что это не является постоянным выводом среди исследований метаболического кормления, было показано, что диеты с высоким содержанием рафинированной фруктозы гипертриглицеридемия в широком диапазоне групп населения, включая лиц с нормальным метаболизмом глюкозы, а также лиц с нарушенной толерантностью к глюкозе, диабетом, гипертриглицеридемией и гипертонией. Наблюдаемые гипертриглицеридемические эффекты являются отличительным признаком увеличения количества пищевых углеводов, а фруктоза, по-видимому, зависит от ряда факторов, включая количество потребляемой фруктозы с пищей и степень ее употребления. резистентность к инсулину.

Таблица 1: Активность липогенных ферментов печени ‡ у контрольных крыс и крыс с индуцированным стрептозотоцином диабетом§ соблюдайте 14-дневный период с диетой 25% фруктозы или без нее
ГруппаПируват киназаНАДФН-малат
Дегидрогеназа		Цитрат лиазаАцетил КоА
Карбоксилаза		Синтаза жирных кислот
Контрольные животные
Контрольная диета495 ± 2335 ± 521 ± 36.5 ± 1.03.6 ± 0.5
Фруктозная диета1380 ± 110*126 ± 9*69 ± 7*22.5 ± 2.7*10.8 ± 1.4*
Диабетические животные
Контрольная диета196 ± 2114 ± 39 ± 23.1 ± 0.81.4 ± 0.6
Фруктозная диета648 ± 105*70 ± 9*37 ± 6*10.3 ± 2.0*3.9 ± 0.9*

‡ = Среднее значение ± SEM активность в нмоль / мин на мг белка

§ = 12 крыс / группа

* = Значительно отличается от контроля при p <0,05[10]

Нарушения метаболизма фруктозы

Отсутствие двух важных ферментов в метаболизме фруктозы приводит к развитию двух врожденных ошибок в метаболизме углеводов: эссенциальная фруктозурия и наследственная непереносимость фруктозы. Кроме того, снижение потенциала фосфорилирования в гепатоцитах может происходить при внутривенном вливании фруктозы.

Врожденные нарушения метаболизма фруктозы

Эссенциальная фруктозурия

Отсутствие фруктокиназы приводит к неспособности фосфорилировать фруктозу до фруктозо-1-фосфата внутри клетки. В результате фруктоза не захватывается клеткой и не направляется на ее метаболизм. Концентрация свободной фруктозы в печени увеличивается, и фруктоза может свободно покидать клетку и попадать в плазму. Это приводит к увеличению концентрации фруктозы в плазме, что в конечном итоге превышает порог реабсорбции фруктозы почками, что приводит к появлению фруктозы в моче. Эссенциальная фруктозурия доброкачественный бессимптомный условие.

Наследственная непереносимость фруктозы

Отсутствие фруктозо-1-фосфатальдолазы (альдолазы B) приводит к накоплению фруктозо-1 фосфата в гепатоцитах, почках и тонком кишечнике. Накопление фруктозо-1-фосфата после приема фруктозы подавляет гликогенолиз (распад гликогена) и глюконеогенез, что приводит к тяжелой гипогликемии. Это симптоматическое проявление тяжелой гипогликемии, боли в животе, рвоты, кровотечения, желтухи, гепатомегалии и гиперурикемии, что в конечном итоге приводит к поражению печени и / или почечная недостаточность и смерть. Заболеваемость варьируется во всем мире, но оценивается примерно в 1/20 000 (от 1/12 000 до 1/58 000) живорождений.[нужна цитата ]

Сниженный потенциал фосфорилирования

Внутривенное (в / в) вливание фруктозы снижает потенциал фосфорилирования в клетках печени за счет улавливания Pi в виде фруктозо-1-фосфата.[11] Реакция фруктокиназы происходит довольно быстро в гепатоцитах, улавливая фруктозу в клетках путем фосфорилирования. С другой стороны, расщепление фруктозо-1 фосфата на DHAP и глицеральдегид альдолазой B происходит относительно медленно. Следовательно, фруктозо-1-фосфат накапливается с соответствующим уменьшением внутриклеточного Pi, доступного для реакций фосфорилирования в клетке. Вот почему фруктоза противопоказана полное парентеральное питание (TPN) растворы и никогда не вводятся внутривенно как источник углеводов. Было высказано предположение, что чрезмерное потребление фруктозы с пищей может также привести к снижению потенциала фосфорилирования. Однако это все еще спорный вопрос. Пищевая фруктоза плохо всасывается, и повышенное потребление пищи часто приводит к нарушению всасывания. Может ли быть поглощено достаточное количество пищевой фруктозы, чтобы вызвать значительное снижение фосфорилирующего потенциала в клетках печени, остается под вопросом, и в литературе нет четких примеров этого.

Рекомендации

  1. ^ а б c МакГрейн, ММ (2006). Углеводный обмен: синтез и окисление. Миссури: Сондерс, Эльзевьер. С. 258–277.
  2. ^ а б Sun, Sam Z .; Эмпи, Марк В. (2012-10-02). «Метаболизм фруктозы в организме человека - что говорят нам исследования изотопных индикаторов». Питание и обмен веществ. 9 (1): 89. Дои:10.1186/1743-7075-9-89. ISSN  1743-7075. ЧВК  3533803. PMID  23031075.
  3. ^ Риппе, JM; Ангелопулос, Т.Дж. (2013). «Сахароза, кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы и фруктоза, их метаболизм и потенциальное воздействие на здоровье: что мы на самом деле знаем?». Adv Nutr. 4 (2): 236–45. Дои:10.3945 / ан.112.002824. ЧВК  3649104. PMID  23493540.
  4. ^ Харви, Ричард А .; Феррье, Дениз Р. (2011). «Метаболизм фруктозы». Биохимия (5-е изд.). Филадельфия: Wolters Kluwer Health / Lippincott Williams & Wilkins. ISBN  9781608314126. OCLC  551719648.
  5. ^ Гавел, Питер Дж .; Д’Алессио, Дэвид; Keim, Nancy L .; Townsend, Raymond R .; Хейман, Марк; Рейдер, Дэниел; Киффер, Тимоти Дж .; Чёп, Матиас; Эллиотт, Шэрон С. (2004-06-01). «Диетическая фруктоза снижает циркуляцию инсулина и лептина, снижает постпрандиальное подавление грелина и повышает уровень триглицеридов у женщин». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма. 89 (6): 2963–2972. Дои:10.1210 / jc.2003-031855. ISSN  0021-972X. PMID  15181085.
  6. ^ Дуард, V; Феррарис, Р. П. (2008). «Регулирование переносчика фруктозы GLUT5 в здоровье и болезни». AJP: Эндокринология и метаболизм. 295 (2): E227-37. Дои:10.1152 / ajpendo.90245.2008. ЧВК  2652499. PMID  18398011.
  7. ^ Hundal, H.S .; Дарахшан, Ф; Кристиансен, S; Blakemore, S.J .; Рихтер, Э. А. (1998). «Экспрессия GLUT5 и транспорт фруктозы в скелетных мышцах человека». Достижения экспериментальной медицины и биологии. 441: 35–45. Дои:10.1007/978-1-4899-1928-1_4. ISBN  978-1-4899-1930-4. PMID  9781312.
  8. ^ Парняк, Массачусетс; Калант Н (1988). «Повышение концентрации гликогена в первичных культурах гепатоцитов крыс, подвергшихся воздействию глюкозы и фруктозы». Биохимический журнал. 251 (3): 795–802. Дои:10.1042 / bj2510795. ЧВК  1149073. PMID  3415647.
  9. ^ Харрис, Дж. Робин (1996). Субклеточная биохимия: биохимия и биохимическая клеточная биология. Springer Science & Business Media. п. 98.
  10. ^ Кретчмер, Норман; Холленбек, Клари (1991). «Метаболизм фруктозы / сахарозы, его физиологические и патологические последствия». Сахара и подсластители. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  084938835X. OCLC  23769501.
  11. ^ Segebarth C, Grivegnée AR, Longo R, Luyten PR, den Hollander JA (1991). "Мониторинг метаболизма фруктозы в печени человека in vivo с помощью 32Магнитно-резонансная спектроскопия "П". Биохимия. 73 (1): 105–108. Дои:10.1016 / 0300-9084 (91) 90082-С. PMID  2031955.

внешняя ссылка