과당분해

Fructolysis

과당분해란 식이 공급원에서 과당이 신진대사를 하는 것을 말한다. 당분해를 통한 포도당의 신진대사는 과당분해를 통한 것과 동일한 효소와 중간 구조를 많이 사용하지만, 두 당은 인간의 신진대사에서 매우 다른 대사 운명을 가지고 있다. 몸 안에서 직접 대사되는 포도당과 달리 과당은 인간의 간에서 거의 전적으로 대사되는데, 간 글리코겐의 보충과 트리글리세리드 합성을 지향한다.[1] 섭취한 과당의 1% 이하에서는 플라즈마 트리글리세라이드로 직접 전환된다.[2] 과당의 29% - 54%는 간에서 포도당으로 전환되고, 과당의 약 4분의 1은 젖산염으로 전환된다. 15% - 18%는 글리코겐으로 전환된다.[3] 그리고 나서 포도당과 젖산염은 전신에 있는 세포에 연료를 공급하기 위한 에너지로 정상적으로 사용된다.[2]

과당은 과일과 야채에 자연적으로 존재하는 단당류로서, 자유 과당 또는 이당류 자당의 일부로, 그리고 그것의 폴리머 이눌린으로 존재한다. 또한 과립 설탕(흰 결정탁설탕, 흑설탕, 제과업자 설탕, 투르비나도 설탕), 정제 결정과당 과당, 꿀뿐만 아니라 고과당 옥수수 시럽을 포함한 정제 설탕의 형태로도 존재한다. 서구식 식단에 포함된 열량의 약 10%가 과당(약 55g/일)으로 공급된다.[4]

과당은 포도당과 달리 인슐린 분비물이 아니며 실제로 순환 인슐린을 줄일 수 있다.[5] 과당은 간 외에도 장, 고환, 신장, 골격근, 지방조직, 뇌에서 대사되지만 인슐린에 민감한 경로(인슐린 조절 전달체 글루트1, 글루트4)를 통해 세포로 전달되지 않는다.[6][7] 대신 과당은 글루투스에 의해 섭취된다. 근육과 지방조직의 과당은 육포키나아제에 의해 인산염화된다.

과당분해와 당분해는 독립된 경로다.

과당과 갈락토오스 대사

과당과 포도당의 신진대사는 같은 중간 구조를 많이 공유하지만, 그것들은 인간의 신진대사에 있어서 매우 다른 대사 운명을 가지고 있다. 과당은 인간의 간에서 거의 완전히 대사되어 간 글리코겐과 트리글리세리드 합성의 보충을 지향하는 반면, 식이 포도당의 많은 부분이 간을 통과하여 골격근으로 가는 반면2, CO, HO2, ATP로 대사되고 주로 글리세롤 인산염으로 대사되는 지방세포로 간다. 에너지 생산뿐만 아니라 트리글리세리드 합성을 위해.[1] 과당 신진대사의 산물은 지방산의 간 글리코겐과 데 노보 지방생식과 결국 내생성 트리글리세라이드의 합성이다. 이 합성은 크게 두 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 삼합체, 디히드록시아세톤(DHAP)과 글리세랄알데히드의 합성이다. 두 번째 단계는 글리코겐 보충을 위한 글루코네제네제 경로에서 이러한 삼합체의 후속 대사 또는 크렙스 사이클로 들어가는 피루베이트에 대한 합성 경로에서 구연산염과 s로 전환된다.순순히 자유 지방산 팜티테이트의 데 노보 합성을 향하게 했다.[1]

DHAP 및 글리세랄알데히드에 대한 과당의 대사

과당의 신진대사의 첫 번째 단계는 과당이 과당 1인산염에 프락토키나아제(Km = 0.5mM, ≈ 9mg/100ml)로 인산화하여 간에서 신진대사를 위해 과당을 포획하는 것이다. 헥소키나아제 IV(글루코키나제)도 간에서 발생하며 과당 6-인산염(글루코네제 유발 경로의 중간)으로 인산화 프루코스가 가능하지만, 과당의 경우 상대적으로 Km(12mM)이 높기 때문에 기본적으로 모든 과당이 사람 간에서 과당-1-인산염으로 전환된다. 반면에 포도당의 대부분은 인산염(Km of hepatic glucokinase, hexokinase IV) = 10 mM)이 아니며, 말초 조직으로 향하는 간을 통과하며, 지방 조직과 골격 근육에 존재하는 인슐린 의존성 포도당 트랜스포터인 GLUT 4에 의해 흡수된다.

Fructose-1-phosphate then undergoes hydrolysis by fructose-1-phosphate aldolase (aldolase B) to form dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and glyceraldehyde; DHAP can either be isomerized to glyceraldehyde 3-phosphate by triosephosphate isomerase or undergo reduction to glycerol 3-phosphate by glycerol 3-phosphate dehydrogenase. 생산되는 글리세알데히드는 글리세알데히드 키나아제에 의해 글리세알데히드 3-인산염으로 전환되거나 글리세알데히드 3-인산탈수소효소에 의해 글리세롤 3-인산염으로 변환될 수도 있다. 이 시점에서 과당의 신진대사는 글루코겐 합성을 유도하는 글루코네제인 경로에서 매개체를 생산하거나, 피루베이트로 산화하여 젖산염으로 감소시킬 수도 있고, 미토콘드리아에서 아세틸 CoA로 디카복실화 되어 자유지방산의 합성을 향하게 되어 최종적으로 트리글리세리드 합성이 된다.

그림 1: 과당이 DHAP, 글리세랄데히드, 글리세랄데히드-3-인산염으로 간에서 대사 전환

DHAP과 글리세랄데히드-3-인산염의 글리코겐 합성

과당이 함유된 식사에 이은 간에서 글리코겐 합성은 글루코네제닉 전구체로부터 진행된다. 과당은 처음에 프락토키나아제와 알돌라아제 B에 의해 DHAP와 글리세랄알데히드로 전환된다. 그 결과 글리세랄데히드는 글리세랄데히드-3-인산염으로 인산화된다. 간에서 DHAP와 글리세랄데히드-3-인산염의 농도가 증가하면 글루코네제네제닉 경로가 포도당-6-인산염, 포도당-1-인산염 및 글리코겐 형성을 향해 이동한다. 과당이 포도당보다 글리코겐 합성에 더 좋은 기질이고 글리코겐 보충이 트리글리세리드 형성에 우선하는 것으로 보인다.[8] 간 글리코겐이 보충되면 과당대사 중간체는 주로 트리글리세리드 합성을 지향한다.

그림 2: 과당이 간에서 글리코겐으로 대사 전환

DHAP과 글리세랄데히드-3-인산염의 트리글리세라이드 합성

식이 과당으로부터 추출된 탄소는 플라즈마 트리글리세리드(TG)의 FFA와 글리세롤 모이에티에서 모두 발견된다. 과다한 식이 과당은 피루베이트로 전환될 수 있고, 크렙스 사이클에 들어가 간세포의 세포솔에서 자유지방산 합성을 지향하는 구연산으로서 출현한다. 과당분해 중에 형성된 DHAP도 TG 합성을 위해 글리세롤과 글리세롤 3-인산염으로 변환할 수 있다. 따라서, 과당은 글리세롤 3인산 등뼈와 TG 합성에서의 자유 지방산을 둘 다에 대한 트라이오스를 제공할 수 있다. 실제로 과당은 인간에게 데 노보 TG 합성을 지향하는 탄수화물의 대부분을 제공할 수 있다.[9]

그림 3: 과당이 간에서 트리글리세라이드(TG)로 대사 전환

과당은 간 지질 유발 효소를 유발한다.

과당 섭취는 인슐린 독립적으로 인슐린 유도뿐만 아니라 피루베이트 키나아제, NADP 의존성+ 말산 탈수소효소, 구연산 리아제, 아세틸 CoA 카르복실라제, 지방산 신타아제를 포함한 몇몇 중요한 간 지질 유발 효소를 유발한다. 대사급료 연구들 사이에서 일관된 발견은 아니지만, 정제된 과당이 높은 식단은 정상 포도당 대사를 하는 개인뿐만 아니라 포도당 내성, 당뇨병, 고농도혈증, 고혈압을 가진 개인을 포함한 광범위한 모집단에서 고농도혈증을 유발하는 것으로 나타났다. 관찰된 고트리글리세리빈센트 효과는 증가하는 식이 탄수화물의 특징이며, 과당은 소비되는 식이 과당의 양과 인슐린 저항의 정도를 포함한 많은 요인에 의존하는 것으로 보인다.

표 1: 통제 중인 간지질유발효소 활동과 스트렙토소신 유도 당뇨병 쥐는§ 과당 25%의 섭취 여부와 관계없이 14일 동안 섭취한다.
그룹 피루바테키나제 NADPH-말레이트
탈수소효소 		시트레이트 리아제 아세틸 코아
카르복실라아제 		지방산신타아제
콘트롤 애니멀스
콘트롤 다이어트 495 ± 23 35 ± 5 21 ± 3 6.5 ± 1.0 3.6 ± 0.5
과당 다이어트 1380 ± 110* 126 ± 9* 69 ± 7* 22.5 ± 2.7* 10.8 ± 1.4*
당뇨병 동물
콘트롤 다이어트 196 ± 21 14 ± 3 9 ± 2 3.1 ± 0.8 1.4 ± 0.6
과당 다이어트 648 ± 105* 70 ± 9* 37 ± 6* 10.3 ± 2.0* 3.9 ± 0.9*

‡ = mg당 nmol/min 단위의 평균 ± SEM 활성도

§ = 12마리의 랫드/그룹

* = p < 0.05의[10] 제어와 유의하게 다름

과당대사 이상

과당 신진대사에 있어 두 가지 중요한 효소의 부족은 탄수화물 신진대사에 있어서 두 가지 선천적인 오류인 필수과당과 유전과당 과당불내증의 발달을 초래한다. 또한 간세포 내의 인산화 전위 감소는 과당의 정맥 주입과 함께 발생할 수 있다.

과당 신진대사의 선천적 오류

필수 과당류

주요 기사: 필수 과당류

프락토키나아제가 없으면 프락토스 인산염은 세포 내에서 프락토스-1-인산염으로 인산화하지 못하게 된다. 결과적으로, 과당은 세포 안에 갇히지도 않고 신진대사로 향하지도 않는다.[11] 간에서 자유 과당 농도가 높아져 과당이 자유롭게 세포에서 나와 혈장으로 들어간다. 이로 인해 과당의 혈장 농도가 증가하여 결국 과당 재흡수에 대한 신장의 임계값을 초과하게 되어 소변에서 과당이 출현하게 된다.[11] 필수 과당뇨증은 양성 무증상이다.[12]

유전과당불내증

주요 기사: 유전과당불내증

과당-1인산염 알돌라아제(aldolase B)가 없으면 간세포, 신장, 소장에 과당 1인산염이 축적된다. 과당 섭취 후 과당-1-인산염이 축적되면 글리코겐 분해(글리코겐 분해)와 글루코네겐제시스가 억제되어 심각한 저혈당증을 유발한다. 그것은 심각한 저혈당증, 복통, 구토, 출혈, 황달, 간질, 고뇨증 등을 유발하는 증상이다. 발병률은 전 세계적으로 다양하지만 실제 출생아 수는 1:5만 5천 명(범위 1:10만 명)으로 추산된다.[13]00)으로 추정된다.

인산화 전위 감소

과당의 정맥 주입은 Pi를 과당 1-인산염으로 가두어 간세포의 인산화 잠재력을 낮추는 것으로 나타났다.[14] 과당화효소 반응은 인산화에 의해 세포에 과당을 가두어 놓는 간세포에서 꽤 빠르게 일어난다. 반면 과당 1 인산염은 DHAP으로, 글리세랄알데히드는 알돌라제 B에 의한 분해는 비교적 느리다. 따라서, 과당-1-인산염은 세포 내 인산화 반응에 이용 가능한 세포 내 Pi의 해당 감소와 함께 축적된다. 이것이 과당이 총계 영양(TPN) 용액에 대해 억제되고 탄수화물 공급원으로 정맥주사 되는 일이 없는 이유다. 과당의 과다한 섭취는 또한 인산화 잠재력을 감소시킬 수 있다고 제안되었다. 그러나 이것은 여전히 논쟁의 여지가 있는 사안이다. 식이 과당은 잘 흡수되지 않고 식이 섭취가 증가하면 종종 흡수가 잘 되지 않는다. 간세포에서 인지화 잠재력을 현저하게 감소시키기 위해 충분한 양의 식이과당이 흡수될 수 있는지 여부는 여전히 의문이며 문헌에는 명확한 예가 없다.

참조

  1. ^ a b c McGrane, MM (2006). Carbohydrate Metabolism: synthesis and Oxidation. Missouri: Saunders, Elsevier. pp. 258–277.
  2. ^ a b Sun, Sam Z.; Empie, Mark W. (2012-10-02). "Fructose metabolism in humans – what isotopic tracer studies tell us". Nutrition & Metabolism. 9 (1): 89. doi:10.1186/1743-7075-9-89. ISSN 1743-7075. PMC 3533803. PMID 23031075.
  3. ^ Rippe, JM; Angelopoulos, TJ (2013). "Sucrose, high-fructose corn syrup, and fructose, their metabolism and potential health effects: what do we really know?". Adv Nutr. 4 (2): 236–45. doi:10.3945/an.112.002824. PMC 3649104. PMID 23493540.
  4. ^ Harvey, Richard A.; Ferrier, Denise R. (2011). "Fructose metabolism". Biochemistry (5th ed.). Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781608314126. OCLC 551719648.
  5. ^ Havel, Peter J.; D’Alessio, David; Keim, Nancy L.; Townsend, Raymond R.; Heiman, Mark; Rader, Daniel; Kieffer, Timothy J.; Tschöp, Matthias; Elliott, Sharon S. (2004-06-01). "Dietary Fructose Reduces Circulating Insulin and Leptin, Attenuates Postprandial Suppression of Ghrelin, and Increases Triglycerides in Women". The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 89 (6): 2963–2972. doi:10.1210/jc.2003-031855. ISSN 0021-972X. PMID 15181085.
  6. ^ Douard, V; Ferraris, R. P. (2008). "Regulation of the fructose transporter GLUT5 in health and disease". AJP: Endocrinology and Metabolism. 295 (2): E227-37. doi:10.1152/ajpendo.90245.2008. PMC 2652499. PMID 18398011.
  7. ^ Hundal, H. S.; Darakhshan, F; Kristiansen, S; Blakemore, S. J.; Richter, E. A. (1998). "GLUT5 expression and fructose transport in human skeletal muscle". Advances in Experimental Medicine and Biology. 441: 35–45. doi:10.1007/978-1-4899-1928-1_4. ISBN 978-1-4899-1930-4. PMID 9781312.
  8. ^ Parniak, MA; Kalant N (1988). "Enhancement of glycogen concentrations in primary cultures of rat hepatocytes exposed to glucose and fructose". Biochemical Journal. 251 (3): 795–802. doi:10.1042/bj2510795. PMC 1149073. PMID 3415647.
  9. ^ Harris, J. Robin (1996). Subcellular Biochemistry: Biochemistry and Biochemical Cell Biology. Springer Science & Business Media. p. 98.
  10. ^ Kretchmer, Norman; Hollenbeck, Clarie (1991). "Fructose/Sucrose metabolism, its physiological and pathological implications". Sugars and sweeteners. Boca Raton: CRC Press. ISBN 084938835X. OCLC 23769501.
  11. ^ a b Steinmann B, Santer R (2012). "Disorders of Fructose Metabolism". In Saudubray J, van den Berghe G, Walter JH (eds.). Inborn Metabolic Diseases: Diagnosis and Treatment (5th ed.). New York: Springer. pp. 157–165. ISBN 978-3-642-15719-6.
  12. ^ "Essential fructosuria". Orphanet. Retrieved 11 April 2019.
  13. ^ "Fructose Intolerance, Hereditary". rarediseases.org. National Organization for Rare Disorders. Retrieved 1 November 2021.
  14. ^ Segebarth C, Grivegnée AR, Longo R, Luyten PR, den Hollander JA (1991). "In vivo monitoring of fructose metabolism in human liver by means of 32P magnetic resonance spectroscopy". Biochimie. 73 (1): 105–108. doi:10.1016/0300-9084(91)90082-C. PMID 2031955.

외부 링크