過量攝入糖分越來越多地被認為是導致肥胖和相關心臟代謝疾病流行的原因之一。糖以蔗糖或高果糖玉米糖漿形式添加到飲食中，兩者都包含幾乎等量的葡萄糖和果糖。果糖代謝和其衍生代謝物的特性使果糖成為正常膳食糖消耗的生理信號。當果糖攝入過量時，這些特性可能會導致心臟代謝疾病。本研究回顧了果糖代謝的生物化學、遺傳學和生理學相關研究，揭示了過量攝入果糖可能導致代謝疾病的機制，并提出治療代謝疾病的新治療方案。相關成果發表于《Cell Metabolism》。
甜味感知
動物進化出復雜的機制來感知糖分并促使其消耗。單糖（包括葡萄糖和果糖）以及雙糖（如蔗糖）可激活位于舌頭和上顎上皮細胞G蛋白偶聯受體Tas1R2和Tas1R3。這些受體刺激神經元回路，投射到參與處理享樂和厭惡刺激的杏仁核區域。除了甜味感知機制，也有存在促進含糖食物消耗機制。Tas1R2和Tas1R3缺乏小鼠無法嘗到糖或其他甜味劑的味道，但它們更喜好葡萄糖（而不是果糖或其他無熱量甜味劑）含量高的食物。這種偏好需要腸鈉-葡萄糖共轉運蛋白（SLC5A1，也稱為SGLT1），這是由腸細胞和腸內分泌細胞表達的主要轉運蛋白，負責通過腸腔膜攝取葡萄糖和半乳糖。SGLT1依賴性的糖消耗由迷走神經攜帶的信號介導，以激活孤束觸覺尾側核內的神經元。在另一種無味覺遺傳小鼠模型研究中發現缺少味覺細胞向味覺神經發出信號所需的P2X2和P2X3嘌呤能受體。這些研究表明，果糖可以提高糖的消耗量，而不受口味的影響。甜味感覺和糖分攝入后感知的結合可能會相互作用，從而提高對富含糖分食物的偏好。
過量攝入果糖會導致代謝疾病
早期研究發現高果糖飲食可以在幾天內誘發高甘油三酯血癥，比相同含量淀粉或葡萄糖飲食更強烈，這使人們對果糖作為代謝疾病的促因產生興趣。高果糖飲食可誘發許多代謝障礙特征，包括高血壓，這是代謝綜合征的典型特征，也被稱為心臟代謝疾病綜合征。近年來的干預研究表明，過量攝入中-高劑量的果糖會對人體代謝結果產生不利影響。并且不同糖之間（如葡萄糖和果糖）或糖和其他飲食營養素（包括脂肪和蛋白質）之間可能存在復雜的相互作用從而影響代謝健康。盡管含有果糖的添加糖會對健康產生負面影響的證據令人信服，但這些不利影響是完全通過增加能量攝入以促進體重增加的影響還是通過獨立于肥胖的機制尚不清楚。
盡管文獻主要關注糖含量增加導致的健康風險，但糖暴露模式也可能影響其生物學效應。動物研究發現以液體形式提供的糖可能比固體食物形式影響更大。每天大劑量單次攝入可能比頻繁攝入少量果糖更有害。此外，有證據表明運動期間補充果糖有助于保持精力充沛，因此推測果糖在久坐人群中的不利影響會放大。
果糖吸收與腸道
果糖攝入后，果糖通過胃腸道進入小腸，通過腸上皮細胞刷狀緣上的轉運體被吸收。GLUT5（也稱為Slc2a5）對果糖比葡萄糖具有更顯著的特異性，果糖的親和力（Km 6-15mM）范圍較廣。GLUT5在小腸管腔膜上高水平表達，在基底外側膜上表達較少。其表達和活性在近端十二指腸中最高，并沿小腸長度下降。GLUT5對膳食果糖的腸道吸收至關重要，果糖轉運進入腸細胞的水平與腸細胞腔膜的濃度梯度成正比。這與腸道葡萄糖吸收形成對比，后者由鈉連接的協同轉運蛋白SGLT1介導，SGLT1可以有效地將葡萄糖泵入腸細胞，對抗濃度梯度。因此腸道葡萄糖吸收比果糖更快、更徹底。不過，腸上皮細胞穩定的果糖磷酸化對于維持管腔-腸細胞果糖梯度以促進果糖吸收更完全很重要。與葡萄糖在小腸內幾乎完全吸收相比，腸內果糖轉運能力會達到飽和狀態，一部分果糖會到達大腸被腸道微生物群分解代謝。GLUT5也會在其他組織和細胞類型中表達，包括骨骼肌、前脂肪細胞、前列腺、精子和紅細胞，然而果糖轉運到這些組織中的重要性仍不清楚。
介導葡萄糖和果糖通過腸細胞基底外側膜流出機制目前還不太確定。GLUT2（也稱為 Slc2a2）可促進葡萄糖和果糖流出，GLUT2在近端小腸細胞基底外側膜上高水平表達。GLUT2是一種低親和力、高容量轉運蛋白促進葡萄糖和果糖轉運，對兩種糖類具有相似的親和力 (Km～11 mM)。然而，GLUT2缺乏的人類或小鼠中葡萄糖外流沒有明顯受損，是基于微粒體膜轉運途徑的胞吐作用作為替代方案在跨細胞單糖流出中發揮主要作用。
果糖介導的腸道GLUT5表達誘導依賴于腸道果糖代謝。響應膳食果糖誘導腸道GLUT5表達是由碳水化合物反應元件結合蛋白（ChREBP，也稱為 Mlxipl）介導，該蛋白是一種在腸上皮細胞和其他關鍵代謝組織高水平表達的碳水化合物感應轉錄因子。果糖吸收情況在兒童和成人中變化很大，這取決于年齡、膳食糖暴露以及可能的其他未確定的遺傳、飲食和環境因素。盡管 GLUT5基因敲除會導致小鼠果糖吸收不良，但臨床上果糖吸收不良與腸道 GLUT5 表達降低沒有必然聯系。硫氧還蛋白相互作用蛋白 (TXNIP)是另一種ChREBP調節的果糖誘導蛋白，在肝臟和腸道等關鍵代謝組織中表達。TXNIP有助于促進性己糖轉運體在質膜上的定位，包括GLUT5在腸細胞管腔膜上的定位。因此，除了調控GLUT5表達外，調節GLUT5適當定位和功能的因素也可能是膳食果糖吸收的重要決定因素。但目前尚不清楚腸道果糖吸收或肝臟果糖代謝的自然變化是否會導致果糖誘導的心臟代謝疾病。
果糖代謝與腸-肝
哺乳動物葡萄糖與果糖代謝的先天差異反映在血液水平上的顯著差異。外周血中正常空腹血糖濃度為～5 mM，而果糖濃度低于～0.02 mM。葡萄糖耐量試驗期間，攝入大量葡萄糖的健康個體外周血糖水平可達～7.5 mM。而大劑量口服果糖會暫時增加其外周循環果糖水平，峰值達～1mM，隨后在數小時內迅速恢復到微摩爾水平。大量口服果糖后，外周循環果糖水平沒有出現相對較大的增加，說明腸道有能力代謝攝入的大部分果糖，外周循環逸出量相對較少（圖 1）。
傳統觀點認為肝臟是果糖清除的主要部位。然而，穩定同位素研究中發現，灌胃果糖的小鼠（劑量為0.5 g/kg體重），～90%吸收的果糖在小腸內代謝，到達肝臟的量相對較少。腸內代謝的果糖在門靜脈中以葡萄糖或其他果糖衍生代謝產物的形式出現，如乳酸、丙氨酸、甘油酸和其他有機酸。小腸表達完整的糖異生酶，能夠將攝入的果糖轉化為循環葡萄糖。除小鼠外，腸道果糖代謝是否占主導地位尚不清楚。不過，腸道果糖代謝的相對重要性可能因物種而異，如大鼠和人的腸道GLUT5表達明顯高于小鼠，因此需要更多研究來闡明腸道與肝臟果糖代謝的重要性。盡管如此，這些研究得出一個新的重要概念，即腸道果糖代謝可能會保護肝臟免受過度暴露膳食果糖的影響。
圖1. 腸道中果糖代謝和首次攝取
細胞間果糖代謝
果糖跨細胞膜轉運依賴腸細胞中己糖載體，如GLUT5。在肝臟（果糖代謝的另一個主要部位）中，GLUT5表達水平不高，而GLUT2可能是葡萄糖和果糖的主要膜轉運蛋白。GLUT8（也稱為 Slc2a8）也對果糖具有親和力，它有助于腸細胞和肝細胞中果糖轉運。果糖進入細胞后，由三種果糖分解酶進行級聯代謝（圖2）。這些果糖分解酶有效地將己糖果糖轉化為磷酸三糖，磷酸三糖通過糖酵解和糖異生作用生成。第一步，果糖在酮己糖激酶（KHK，也稱果糖激酶）催化下快速且不可逆的磷酸化生成果糖-1-磷酸（F1P）。該代謝物專用于果糖分解途徑，不與糖酵解或糖異生共享。與葡萄糖相比，果糖是己糖激酶 I、II 和 III 的不良底物（葡萄糖 Km< 0.1 mM；果糖Km～1-10 mM）。在常規循環濃度下，葡萄糖通過這些己糖激酶有效抑制果糖代謝。與許多其他己糖激酶不同，KHK不受ATP變構抑制及其他細胞能量信號抑制，也不受其直接產物抑制。由于KHK對果糖的Km較低且活性較高，同時缺乏對其活性的調節，大部分通過門靜脈循環到達肝臟的果糖很容易被攝取，很少到達體循環。
KHK介導的果糖磷酸化對ATP消耗非常強烈，大量果糖的靜脈輸入會導致肝細胞ATP與AMP比率急劇下降，并且游離磷酸鹽用于合成F1P而顯著下降。F1P可在肝細胞中迅速積累至mM濃度。而口服果糖會導致溫和的變化，這可能是由于果糖在腸道內大量代謝所致。盡管葡萄糖和果糖代謝中磷酸化步驟是由不同酶催化，但葡萄糖和果糖的肝臟代謝并不是完全獨立的。F1P是KHK介導的果糖磷酸化產物，可有效減輕GCKR（葡萄糖激酶調節蛋白）對GCK（葡萄糖激酶）的抑制作用，使其易位至細胞質并增強肝臟葡萄糖攝取和代謝。因此，果糖的催化量可以顯著提高肝臟葡萄糖。F1P 還可以激活丙酮酸激酶（糖酵解最終步驟）并抑制糖原磷酸化酶。通過F1P 介導的調控，膳食果糖可以作為調節肝臟燃料代謝的信號。
第二步，果糖磷酸化后，F1P被醛縮酶 B (ALDOB)代謝為磷酸二羥丙酮 (DHAP)和甘油醛。第三步，甘油醛被三聯激酶（TKFC、三激酶和 FMN 環化酶）磷酸化為甘油醛 3-磷酸 (G3P)。DHAP和G3P進入糖酵解/糖異生。盡管細胞和生物體的燃料狀態并不調節果糖分解通量，但燃料狀態確實影響果糖衍生的磷酸三糖進入中央碳池的命運。例如，在禁食或饑餓的動物中，當PFK活性受到降低的果糖2,6-二磷酸水平限制時，果糖衍生的磷酸丙糖將被用于葡萄糖生產。相反，在喂食動物中，果糖衍生的磷酸丙糖可能優先代謝為丙酮酸并釋放為乳酸或用作脂肪生成的底物。與果糖共同攝入的營養素也可能影響其代謝命運。因此，并且攝入果糖對全身燃料穩態的命運和影響取決于系統燃料狀態。
圖2. 細胞內果糖代謝
酮己糖激酶
KHK催化果糖磷酸化為F1P是果糖代謝中的關鍵步驟。人類KHK基因突變引起的功能喪失導致良性原發性果糖尿癥。當患有這種疾病的人食用含有果糖的食物時，果糖循環水平會持續升高，如果口服或靜脈注射果糖后，尿液中會排出～20%果糖。由于沒有已知或報告與KHK活性喪失相關的不良臨床后果，患有該疾病的個體未被發現。盡管良性原發性果糖尿患者的循環果糖增加，但血液胰島素沒有增加，也沒有糖尿病并發癥或%HbA1c增加的報告。KHK整體失活小鼠研究證實KHK介導的果糖代謝對于果糖誘導代謝疾病的重要性。來自同一個基因的KHK編碼KHKa和KHKc兩種蛋白亞型。果糖與KHKc的Km為～0.5 mM，而果糖與KHKa的Km高出一個數量級以上。KHKa普遍以低水平表達。相反，KHKc在關鍵代謝組織（包括肝臟、小腸和腎臟）中選擇性高水平表達。研究表明KHKc對于果糖誘導的代謝疾病至關重要。KHKc在腸道和肝臟中均表達，腸道KHK敲除會加劇果糖誘導的代謝疾病，而肝臟特異性敲除或敲低KHK可防止果糖誘導的代謝疾病。表明腸道果糖代謝可以保護肝臟免受果糖暴露損害。
其他果糖分解酶
盡管整體KHK功能缺失是良性的，但Aldob功能缺失突變（果糖代謝第二步）會導致遺傳性果糖不耐受（HFI），這是一種發病率較高的常染色體隱性孟德爾疾病。患有這種疾病的人可以耐受含有葡萄糖或半乳糖的碳水化合物，而攝入蔗糖或果糖會引發腹痛、惡心和嘔吐，并伴有急性低血糖。這種情況在嬰兒中通常表現為在斷奶或引入含果糖配方奶后發育遲緩并伴有肝毒性，對甜味食物厭惡也很常見。持續接觸果糖最終會導致肝腎衰竭，并最終導致死亡。山梨糖醇通過多元醇途徑內源性地產生果糖，也會引起類似發病率和死亡率。患有這種疾病的人需要避免所有含果糖飲食，并且通常沒有齲齒，表明飲食蔗糖是導致牙齒健康不良的主要原因。消除所有飲食中的蔗糖、果糖和山梨糖醇是治療的主要手段，在果糖限制數天內可以觀察到健康狀況改善。
HFI中果糖毒性部分歸因于F1P在肝細胞、腸細胞和近端小管上皮細胞中顯著的長期累積產生的有害作用。盡管肝、腸和腎中的果糖代謝在HFI中嚴重受損，但在這些患者尿液中回收的果糖負荷不到20%，表明大部分果糖在其他組織中代謝。在這種情況下，脂肪組織通過己糖激酶II將果糖代謝為6-磷酸果糖可能是果糖代謝的主要方式，良性原發性果糖尿也是如此。HFI的分子生理學已在Aldob全基因敲除小鼠模型中得到證實。通過抑制KHK可以逆轉Aldob基因敲除小鼠脂肪變性的增加，進一步支持了F1P是這種疾病發病機制中關鍵信號分子的假設。以上研究揭示KHK抑制劑可能有助于顯著擴大這種疾病患者的食物選擇，并保證使用新開發的有效和特異的KHK抑制劑進行試驗。
Aldob將 F1P 代謝為DHAP和甘油醛兩種代謝物。DHAP無需進一步代謝即可進入糖酵解磷酸三糖池。然而，甘油醛是一種具有反應性和毒性的潛在代謝物，它被Tkfc磷酸化為糖酵解中間體 3-磷酸甘油醛，進而完成果糖分解最后一步。與前兩個步驟相比，Tkfc研究較少，部分原因是沒有發現臨床情況與該酶突變相關。肝臟特異性Tkfc敲除或Tkfc全身敲除小鼠在接受高果糖飲食時表現出肝臟炎癥和果糖吸收不良，可能與甘油醛毒性有關。而這些小鼠甘油酸和絲氨酸合成增加，表明甘油醛通過乙醛脫氫酶代謝。最近小鼠研究發現，攝入的大部分果糖以甘油酸的形式從腸細胞輸出進入門靜脈血，這表明在某些情況下，Tkfc活性可能限制了果糖分解。
繪譜幫你測
與果糖代謝相關的代謝疾病的研究越來越受到關注。靶向代謝組學可對生物樣品中小分子代謝物進行全面、系統的分析，可以靈敏捕捉到機體代謝的細微變化，是尋找疾病生物標志物或藥物靶標的有力工具。麥特繪譜擁有成熟的代謝物定性和定量平臺，開發出Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、宏代謝組、能量代謝，以及同位素示蹤/代謝流等不同的靶向代謝組檢測方法，致力于提供代謝組學研究多角度解決方案，詳情歡迎咨詢麥特繪譜熱線400-867-2686。
參考文獻
Molecular aspects of fructose metabolism and metabolic disease. Cell Metabolism. 2021. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.09.010.
原文閱讀，請長按識別下方二維碼
