Fruktokináz, fruktánok, intesztinális permeabilitás és metabolikus szindróma: ló kapcsolat?

Richard J Johnson

1 A vesebetegségek és a magas vérnyomás osztálya, Colorado Egyetem, Aurora, Colorado, USA

Chris Rivard

1 A vesebetegségek és a magas vérnyomás osztálya, Colorado Egyetem, Aurora, Colorado, USA

Miguel A. Lanaspa

1 A vesebetegségek és a magas vérnyomás osztálya, Colorado Egyetem, Aurora, Colorado, USA

Silvia Otabachian-Smith

2 Lótudomány, Colorado Állami Egyetem, Ft Collins, Colorado, USA

Takuji Ishimoto

1 A vesebetegségek és a magas vérnyomás osztálya, Colorado Egyetem, Aurora, Colorado, USA

Christina Cicerchi

1 A vesebetegségek és a magas vérnyomás osztálya, Colorado Egyetem, Aurora, Colorado, USA

Peter R. Pofa

3 Peter R. Cheeke, Oregoni Állami Egyetem Állattudományi Tanszék, Corvallis, OR

Bridgett MacIntosh

4 Virginia Politechnikai Intézet és Állami Egyetem, Middleburg, VA

Tanja Hess

2 Lótudomány, Colorado Állami Egyetem, Ft Collins, Colorado, USA

Absztrakt

A fruktóz egy egyszerű cukor, amely jelen van a mézben és a gyümölcsben, de létezhet polimerként (fruktánként) a legelő füvében is. Az emlősök nem képesek metabolizálni a fruktánokat, de bizonyos gram-pozitív baktériumok tartalmaznak fruktanázokat, és a bélben fruktánokat képesek fruktózzá alakítani. A legújabb tanulmányok azt sugallják, hogy a baktériumokból előállított vagy közvetlenül az étrendből előállított fruktóz mind a fokozott bélpermeabilitást, mind a metabolikus szindróma jellemzőit kiválthatja, különösen az inzulinrezisztencia kialakulását. Az inzulinrezisztencia kialakulását részben a fruktóz metabolizálja a májban a fruktokináz C által, ami oxidatív stresszt eredményez a hepatocytában. Hasonlóképpen, a vékonybélben a fruktóz metabolizmusa a bélfruktokináz révén fokozott bélpermeabilitást és endotoxémiát eredményezhet. Bár spekulatívak, ezek a megfigyelések felvetik annak lehetőségét, hogy a fruktánok laminitist indukáló mechanizmusa magában foglalhatja a bél és a máj fruktokinázt. További vizsgálatok jelzik a fruktanázok, a fruktóz és a fruktokináz szerepét a ló metabolikus szindrómájában és a laminitisben.

A fruktóz a gyümölcsben és a mézben jelen lévő monoszacharid, de a cukor (szacharóz) és a magas fruktóztartalmú kukoricaszirup (HFCS) összetevője is. A fruktóz a bélben lévő baktériumok általi bontás útján is létrejöhet. A legújabb tanulmányok szerint a fruktóz egyedülálló metabolizmusa a fruktokináz C révén fokozhatja a bélpermeabilitást, az inzulinrezisztencia kialakulását és a metabolikus szindróma jellemzőit. Röviden kitérünk a fruktóz és a fruktokináz mediátorrendszerként való potenciális részvételére a lovakkal kapcsolatos betegségekben.

Fruktóz és fruktokináz mint inzulinrezisztencia és metabolikus szindróma közvetítői

A fruktóz egyedülálló az élelmiszerek között, mivel figyelemre méltó képessége metabolikus szindrómát vált ki állatokban. A fruktóz laboratóriumi patkányoknak történő beadása például inzulinrezisztenciát, megemelkedett vérnyomást, megnövekedett szérum trigliceridszintet, alacsony HDL-koleszterinszintet, zsírmájat (máj steatosis) és megnövekedett viscerális zsírraktárakat indukálhat [1]. A fruktóz beadása patkányokban leptinrezisztenciát is indukál, ami növeli az energiafogyasztást és a súlygyarapodást [2]. Míg a fruktóz (vagy a fruktózt tartalmazó szacharóz) bevitele fokozott energiabevitelhez vezethet, a fruktóz inzulinrezisztenciát kiváltó képessége és a metabolikus szindróma egyéb jellemzői nem igényelnek túlzott energiafogyasztást. Például arról számoltunk be, hogy amikor a patkányoknak ugyanannyi kalóriát adnak, a magas fruktóz- (vagy szacharóz-) étrenddel táplált patkányoknál a metabolikus szindróma jellemzői alakulnak ki, míg a glükózzal (vagy keményítővel) táplált állatok nem [3-5] . A laboratóriumi patkányokban még zsírmáj- és inzulinrezisztencia is kialakul, ha étrendi korlátozás alá helyezik őket, feltéve, hogy az étrend szacharózzal dúsított [6] .

Bizonyíték van arra is, hogy a fruktóz, különösen akkor, ha hozzáadott cukrokban, például szacharózban vagy HFCS-ben van jelen, szerepet játszhat az emberek metabolikus szindrómájában. A cukros üdítők elfogyasztása szorosan összefügg az inzulinrezisztencia és az elhízás kialakulásával [7]. Kísérleti vizsgálatok a fruktóz egyedülálló képességét mutatják a glükózhoz képest az inzulinrezisztencia és a zsigeri zsír felhalmozódásának kiváltására az emberben [8]. Egy tanulmányban a fruktóz (200 g/d) beadása csak két hét alatt eredményezte a metabolikus szindróma de novo kialakulását az egészséges férfiak 25 százalékában [9]. Ez felkeltette az érdeklődést a fruktóz szerepe iránt az elhízás és a cukorbetegség járványában [10].

Az a megfigyelés, hogy a fruktóz a metabolikus szindróma energiafelvételtől független jellemzőit váltja ki, arra utal, hogy a fruktóz metabolizmusában van valami egyedülálló, ami felelős lehet metabolikus hatásaiért. A fruktóz csak a metabolizmus kezdeti lépéseiben különbözik a glükóztól. A fruktózt a fruktóz-specifikus transzporter, a Glut5 veszi fel a bél hámjában, majd a májba szállítja. Itt a fruktóz nagy részét az enzim, a fruktokináz C (más néven ketohexokinase C vagy KHK-C) metabolizálja, hogy fruktóz-1-foszfátot ( 1.ábra ). A glükokináztól eltérően, amelynek negatív visszacsatolási rendszere van a glükóz túlzott foszforilációjának megakadályozására, a KHK-C gyorsan foszforilálja a fruktózt, ami intracelluláris foszfát- és ATP-kimerülést eredményez [11]. A máj ATP kimerülése viszonylag kis fruktózadagok hatására jelentkezik mind laboratóriumi állatokban, mind emberekben [12-13].

A fruktóz a Glut5 transzporteren keresztül bejut a bél hámsejtjeibe, majd a fruktokináz C metabolizálja, aminek eredményeként fruktóz-1-foszfát keletkezik, amelyet tovább metabolizálva glükóz, glikogén és trigliceridek keletkeznek. A fruktóz kezdeti foszforilációja során gyakran előfordul ATP-kimerülés, amely az adenin-nukleotidok forgalmát eredményezi húgysav, oxidánsok és gyulladásos mediátorok (például kemokinek) keletkezésével.

Egyre több bizonyíték van arra, hogy az intracelluláris ATP kimerülés szerepet játszhat a metabolikus fenotípus kiváltásában. Ennek bizonyítéka a KHK-C és egy másik KHK izoform, a KHK-A laboratóriumi egerekben betöltött szerepét vizsgáló vizsgálatokból származott. A KHK-C-vel ellentétben a fruktóz metabolizmusa a KHK-A által lassú, csak minimális ATP-fogyasztással. Érdekes módon a fruktózzal táplált egerekben előforduló elhízást, zsírmáj- és inzulinrezisztenciát megakadályozzák mind a KHK-C, mind a KHK-A hiányában szenvedő egereknél, de a hasonló általános energiafogyasztás ellenére súlyosbította a KHK-A kiütéskor [14]. Úgy tűnt, hogy a mechanizmus annak a ténynek tudható be, hogy a KHK-A hiánya több fruktózt juttatott a májba, ahol azt a KHK-C metabolizálta. Ezek a vizsgálatok kulcsfontosságú szerepet játszanak a máj KHK-C-ben az inzulinrezisztencia kiváltásában.

Fruktóz, fruktokináz és intesztinális permeabilitás

Mint említettük, a fruktóz KHK-C általi metabolizmusa tranziens intracelluláris foszfát- és ATP-kimerülést eredményez. Ez a folyamat nem jóindulatú, és a fehérjeszintézis átmeneti megszakadásához vezet [15]. Az intracelluláris foszfát-kimerülés serkenti az AMP-deaminázt is, ami az adenin-nukleotidok fokozatos lebomlásához vezet, hogy húgysav keletkezzen a sejtben [11, 16-18]. A vese hámsejtjeiben azt tapasztaltuk, hogy a fruktóz KHK-függő útvonalon stimulálja az oxidánsok és a monocye kemoattraktáns protein-1 (MCP-1) termelését [18]. Azt is tapasztaltuk, hogy a fruktóz növelheti az oxidatív stresszt a hepatocitákban (HepG2 sejtek), és ez megelőzhető azokban a sejtekben, amelyekben a KHK elnémult (Lanaspa MA, nem publikált).

Négy hónapos vad típusú vad egereket (WT) vagy fruktokináz A/C kiütési egereket (KHK-A/C KO), amelyek C57BL6 hátterűek voltak, 20 órás éhgyomorra feláldoztuk, és a beleket (duodenum, jejunum, cecum és vastagbél) eltávolítottuk és a bélést lekapartuk, és kvantitatív valós idejű PCR-rel elemeztük a fruktokináz C (KHK-C) mRNS expresszióját, belső kontrollként β-aktint alkalmazva. A vad típusú egérben a fruktokináz C mind a vékonybélben, mind a vastagbélben expresszálódik. N = 3-4 csoportonként. Valamennyi adatot átlag ± egyenértékként adjuk meg.

Egy virginiai lovas legelőn 2005-ben elvégzett vizsgálat során a lovakról egész nap soros vérmintákat vettek (az Equine Studies Group, a Waltham Centre for Pet Nutrition, UK Equine szolgáltatta). A legelő füvek fruktántartalma csúcsértéket mutatott áprilisban, a fruktóz koncentrációja a nap végére elérte a száraz tömeg 5-6% -át. Ez lényegesen kevesebb, mint amiről egyes tanulmányokban beszámoltak (amelyekben a fruktánok a fűfélék 40-50% -ára növekedhetnek) [60]. Ennek ellenére egyes lovaknál a nap végén a szérum fruktóz emelkedése volt megfigyelhető, összhangban azzal a hipotézissel, hogy egyes fruktánok fruktózzá alakulnak át.

Fruktánok és baktériumok, mint az elhízás általános mechanizmusa

A legújabb tanulmányok szerint a fruktánt lebontó baktériumok szerepet játszhatnak az elhízásban. Jeffrey Gordon és munkatársai bebizonyították, hogy az elhízott embereknek és a laboratóriumi állatoknak tipikus bélflóra van, amely elsősorban Firmicutes-ból áll, szemben a Bacteroidetes-szal [42-43]. A firicutes az elsődleges bakteriális phla-termelő fruktanázok [32], és ennek a megfigyelésnek megfelelően az emberi elhízáshoz kapcsolódó baktériumok egyedülálló képességgel rendelkeznek az emészthetetlen poliszacharidok [44] (például fruktánok) metabolizálására és a fruktóz metabolikus aktivitásának kifejezésére [ 45] Annak bizonyítékát, hogy ezek a baktériumok hozzájárulnak az elhízáshoz, olyan kísérletek mutatták ki, amelyek során az elhízott (ob/ob) egerekből származó vastagbélbaktériumokat áthelyezték a sovány egerekbe, aminek eredményeként az utóbbiak több zsírt nyertek a kettős energiájú röntgenabszorpciós módszer segítségével. [45]. Sőt, ha nyugati étrendet adnak olyan egereknek, amelyeknek nincsenek bélbaktériumaik (csíra nélküli egerek), akkor az elhízás nem alakul ki [46].

Antibiotikumok és elhízás

A bélflóra antibiotikumokkal történő megváltoztatása kimutatta, hogy fokozza az állatállomány, különösen a csirkék növekedését. Az antibiotikumok takarmányban való bevezetése az 1950-es években megnövekedett „brojlerteljesítményt” eredményezett, amit 1955 és 1995 között a csirkék átlagos piaci súlyának 50% -os növekedése jelzett [47]. A súly növekedése a zsírtartalom fokozatos növekedésével is társult, 1970 óta a zsír megduplázódott [48]. Egyes becslések szerint évente 3-25 millió font növekedést elősegítő antibiotikumot használnak az USA-ban, amely az összes antibiotikum-felhasználás 13-70% -át teszi ki [47]. Ez megnövekedett antibiotikum-rezisztens baktériumok számát eredményezi, ami potenciális közegészségügyi következményekkel járhat [39, 49].

Az antibiotikumok növekedési és zsírtartalom-elősegítő mechanizmusa az antibiotikumok bélflóra hatásának köszönhető. Ismert például, hogy az orális antibiotikumok nem segítik elő a csíra nélküli csirkék növekedését [50-51]. Továbbá az antibiotikumok hatása a csirkék zsírtartalmára változó. Egyes antibiotikumok, például a penicillin, csökkentik a zsírt, míg mások, például a sztreptomicin, növelik a hasi zsírt a brojlereknél [52]. Ez érdekes, mivel a penicillin hatékony a fruktanázt expresszáló Streptococcusok ellen, míg a streptomicin elsősorban a gram-negatív szervezetekre hat, amelyek nem expresszálják a fruktanázokat.

Míg a fruktanázt expresszáló baktériumok szerepet játszhatnak az elhízás előidézésében, paradox az, hogy egyes tanulmányok szerint a fruktánok vagy a fruktanázt expresszáló baktériumok beadása jótékony hatással lehet az elhízásra. A probiotikumokat és a prebiotikumokat ma már általában használják a csirkék és az állatállomány növekedésének serkentésére. A probiotikumok olyan élő szervezetek, mint a Bacillus subtilis, és beszámolók szerint csökkentik a hasi zsírt [53]. A Bacillus subtilis fruktanázt termel. Egyes prebiotikumok fruktánok, és arról számoltak be, hogy serkentik a jó baktériumok, például a Lactobacillus növekedését, és úgy gondolják, hogy elősegítik a fogyást [54-55]. Csirkéknél a fruktánokról úgy gondolják, hogy növelik a növekedést, de csökkentik a zsírtermelést [56]. Ezenkívül a rövid láncú frukto-oligoszacharidok (45 g/d 6 hétig) valójában javítják az elhízott lovak inzulinérzékenységét az azonos mennyiségű maltodextrinnel táplált lovakhoz képest [57]. A fruktánok csökkenthetik az emberek szérum lipidjeit [58] és súlyát [59] is, bár a legtöbb vizsgálat rövid volt, és a placebo csoport gyakran szacharózból állt [58].

A paradoxon oka továbbra sem tisztázott. Feltételezzük, hogy ha a fruktán mennyisége nagy vagy hosszabb, a virulens fruktanázt termelő Streptococcusok elegendő fruktózt képesek előállítani, amely markáns gyulladásos választ vált ki a bélben. Ezzel szemben alacsonyabb fruktán dózisok alkalmazása nem biztos, hogy a szükséges mennyiségű fruktózt generálja ahhoz, hogy ATP kimerülést okozzon a bél hámsejtjeiben, és ezért inkább rostként viselkedhet, amely gátolja a szterinek és lipidek bélben történő felszívódását [54].

A lovak kutatásának relevanciája

A lovak egyik súlyosabb betegsége a laminitis, amelyben a belső pata epidermális lamellái elválnak a disztális falanx dermális lamelláitól, ami sántaságot eredményez [22, 60-61]. Úgy gondolják, hogy a laminitist a fruktánokban gazdag füvek lenyelése indítja el. [60-61] A tipikus ló akár 10-15 kg legelőfűt is bevehet naponta [62], ami a fruktán lenyelésének széles skáláját eredményezi, már 0,75 kg-tól akár 7 kg-ig is [22]. Így egy 500 kg-os ló akár 10–15 g fruktánt/testtömeg-kilogramm naponta is elfogyaszthat, ha a füvek fruktánban gazdagok [60]. Ezenkívül a legelő füvek egyszerű cukrokat (szacharózt, fruktózt és glükózt) is tartalmaznak, amelyek napi 0,2 és 2,7 kg között változhatnak [22].

Annak bizonyítását, hogy a fruktánban gazdag füveknek szerepe lehet a laminitisben, olyan kísérleti vizsgálatok támasztották alá, amelyek során a laminitis oligofruktóz (10 g/testtömeg-kg) adagolásával 48 órán belül kiváltható. Úgy gondolják, hogy a fruktánok laminitust okoznak a cecum gramm-pozitív baktériumok általi lebomlása miatt, ami tejsavas acidózis és endotoxémia kialakulását eredményezi, amely aktiválja az alapmembránt lebontó helyi metalloproteinázokat, ami a disztális falanx leválását okozza a belső patáról. fal [60, 63-64]. Az oligofruktánok beadását követően a székletflóra megváltozik, a gramm pozitív szervezetekre, különösen a Streptococcusokra való áttéréssel [65]. A spontán laminitisben szenvedő lovaknál a Strepococcus bovis/lófélék túlsúlya is megjelenik a vakbélben [66].

A laminitist a ló metabolikus szindróma is társítja és megjósolja. [67-69]. Ez utóbbit elsősorban az inzulinrezisztencia jelenléte jellemzi, gyakran hipertrigliceridémiával, magas vérnyomással és elhízással (előnyös zsírlerakódással a nyakban és a farfenéken) [67, 70-71].

Bár kétségtelen, hogy spekulatív, lehetséges, hogy a fruktánok krónikus lenyelése indukálhatja a fruktanázt termelő Streptococcusok expresszióját, és hogy hatalmas mennyiségű fruktán hirtelen bevitele a fruktóz gyors képződéséhez vezethet a vékonybélben és a hátsó bélben. A keletkező fruktóz egy része a bélfalban metabolizálódna, ami helyi gyulladáshoz vezet, fokozott béláteresztő képességgel és endotoxémiával, egy rész fruktóz a májba juthat az inzulinrezisztencia stimulálása érdekében, a többit pedig a helyi baktériumok lebontják, ami helyi acidózist eredményez. Javasoljuk a fruktokináz expressziójának és aktivitásának vizsgálatát lovak metabolikus szindrómájában és laminitiszében.

Összefoglalva, úgy tűnik, hogy a fruktánok mérsékelt égövi füvekben való előnyös expressziójának evolúciós előnye volt, hogy a növények szárazság vagy hidegebb hőmérsékleten is életben maradtak, de túlélési utat biztosíthatott olyan emlősök számára is, amelyekben bél- és vastagbél fruktanázt expresszáló baktériumok voltak jelen. Azonban olyan körülmények között, ahol túlzott mennyiségű fruktánt fogyasztanak, ez lopakodó fruktózforrást jelenthet, amely szerepet játszhat mind a lovakkal összefüggő metabolikus szindrómában, mind a laminitisben.

Köszönetnyilvánítás

Köszönetet mondunk Pat Harris-nek, az Equine Studies Group-nál, a Waltham Pet Nutrition Center-ben (Nagy-Britannia), hogy a vérmintákat szolgáltatta a ló legelőfűjén a 4. ábrán. .

Az NIH támogatásával a HL-68607 és az Orvostudományi Minisztérium indítási forrásait Dr. Richard J Johnson nyeri.

Lábjegyzetek

Kiadói nyilatkozat: Ez egy szerkesztetlen kézirat PDF-fájlja, amelyet kiadásra elfogadtak. Ügyfeleink számára nyújtott szolgáltatásként a kéziratnak ezt a korai változatát biztosítjuk. A kézirat átmásolásán, szedésén és a kapott bizonyíték felülvizsgálatán átesik, mielőtt a végső hivatkozható formában közzétennék. Felhívjuk figyelmét, hogy a gyártási folyamat során olyan hibákat fedezhetnek fel, amelyek befolyásolhatják a tartalmat, és a naplóra vonatkozó minden jogi felelősségvállalás vonatkozik.