Биологическая роль фруктозы: Фруктоза, вред и польза фруктозы

Содержание

Фруктоза, вред и польза фруктозы

Обратно в Состав продуктов

Фруктоза — это шестиатомный моносахарид (гексоза) с брутто-формулой С6Н12О6, изомер глюкозы. В свободном виде (в виде собственно моносахарида) фруктоза, или фруктовый сахар, встречается во многих фруктах и ягодах в их соках, а также в меде (больше всего). В виде дисахарида наиболее широко она представлена в составе сахарозы (является одним из двух моносахаридов, составляющих сахарозу, вторым является глюкоза). Также она является единицей, из которых состоит наиболее известный олигосахарид — инулин.

Биологическая роль у фруктозы такая же, как и у всех углеводов. В основном, используется организмом как источник энергии. Как правило, сразу после всасывания в печени она превращается в глюкозу, но возможен и синтез жиров из нее.

Вред и польза фруктозы

Известен ряд органолептических и физиологических свойств, свидетельствующих о пользе фруктозы.


Так, фруктоза слаще сахарозы в 1,73 раза (т.е. для того, чтобы достичь такой же сладости, фруктозы можно взять в 1,73 раза меньше). Кроме того, ее гликемический индекс составляет 20 (у глюкозы 100, у сахара 70), что указывает на ее более медленное усвоение.

Все это говорит в пользу того, что фруктоза очень хорошо подходит для людей, страдающих сахарным диабетом. С другой стороны, почему бы и людям, не страдающим заболеваниями, связанными с нарушением обмена углеводов, не употреблять в пищу фруктозу вместо сахарозы? Такой подход позволил бы не только снизить энергетическую ценность рациона человека, но и существенно снизил бы нагрузку по утилизации глюкозы в момент ее быстрого поступления из пищи. Увы, польза фруктозы и вред от нее идут рука об руку.

Фруктоза утилизируется по другому механизму, чем глюкоза. Поступление большого количества фруктозы не запускает выброс инсулина и лептина – механизм, служащий сигналом насыщения. При этом начинается переработка фруктозы непосредственно в жир. При регулярном поступлении вырабатывается невосприимчивость к инсулину, ожирение и повышенное давление (гипертония). Поэтому, к сожалению, употребление большого количества фруктового сахара вредно, поскольку оказывает ряд негативных эффектов (таких как метаболический синдром и инсулинорезистентность), что связано с особенностями ее утилизации при поступлении в больших количествах в организм человека.

Таким образом, фруктоза может и должна использоваться в питании людей, страдающих заболеваниями, связанными с нарушением обмена углеводов, но ее количество должно быть ограниченным. Это же относится и к здоровым людям. Иначе вред фруктозы перевесит пользу.

Пищевая индустрия США в качестве подсластителя многих продуктов питания в последние годы активно использует гидролизат кукурузного сиропа (corn syrup, HFCS), который насыщен фруктозой и глюкозой. Этот ингредиент вреден всем, а особенно детям, основным потребителям ряда кондитерских изделий.

Во избежание раннего ожирения и диабета необходимо полностью исключить импортные сладости, в т.ч. подслащенные чипсы и батончики, содержащие гидролизат кукурузного сиропа, из рациона ребенка. 

Обратно в Состав продуктов

Сахароза | Химия онлайн

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов (олигосахаридом) является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар).

Биологическая роль сахарозы

Наибольшее значение в питании человека имеет сахароза, которая в значительном количестве поступает в организм с пищей. Подобно глюкозе и фруктозе сахароза после расщепления ее в кишечнике быстро всасывается из желудочно-кишечного тракта в кровь и легко используется как источник энергии.

Важнейший пищевой источник сахарозы — сахар.

Строение сахарозы

Молекулярная формула сахарозы  С12Н22О11.

Сахароза имеет более сложное строение, чем глюкоза. Молекула сахарозы состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы в их циклической форме. Они соединены друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов 

(1→2) -гликозидной связью, то есть свободный полуацетальный (гликозидный) гидроксил отсутствует:

Сахароза. Строение

Физические свойства сахарозы и нахождение в природе

Сахароза (обыкновенный сахар) – белое кристаллическое вещество, более сладкое, чем глюкоза, хорошо растворимое в воде.

Температура плавления сахарозы 160°C. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса – карамель.

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно много ее  содержится в сахарной свёкле (16-21%) и сахарном тростнике (до 20%), которые и используются для промышленного производства пищевого сахара.

Содержание сахарозы в сахаре 99,5%. Сахар часто называют «носителем пустых калорий», так как сахар – это чистый углевод и не содержит других питательных веществ, таких, как, например, витамины, минеральные соли.

Химические свойства

Для сахарозы характерны реакции по гидроксильным группам.

1. Качественная реакция с гидроксидом меди (II)

Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов.

Видеоопыт «Доказательство наличия гидроксильных групп в сахарозе»

Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди (качественная реакция многоатомных спиртов):

2. Реакция окисления

Восстанавливающие дисахариды

Дисахариды, в молекулах которых сохраняется полуацетальный (гликозидный) гидроксил (мальтоза, лактозы), в растворах частично превращаются из циклических форм в открытые альдегидные формы и вступают в реакции, характерные для альдегидов: реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и восстанавливают гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Такие дисахариды называются восстанавливающими

(восстанавливают Cu (OH)2 и Ag2O).

Реакция «серебряного зеркала»

Реакция с гидроксидом меди (II)

Невосстанавливающий дисахарид

Дисахариды, в молекулах которых нет полуацетального (гликозидного) гидроксила (сахароза) и которые не могут переходить в открытые карбонильные формы, называются невосстанавливающими (не восстанавливают Cu (OH)2 и Ag2O).

Сахароза, в отличие от глюкозы, не является альдегидом. Сахароза, находясь в растворе, не вступает в реакцию «серебряного зеркала» и при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I), так как не способна превращаться в открытую форму, содержащую альдегидную группу.

Видеоопыт «Отсутствие восстанавливающей способности сахарозы»

3. Реакция гидролиза

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза (в кислой среде или под действием ферментов), в результате которой образуются моносахариды.

Сахароза способна подвергаться гидролизу (при нагревании в присутствии ионов водорода). При этом из одной молекулы сахарозы образуется молекула глюкозы и молекула фруктозы:

Видеоопыт «Кислотный гидролиз сахарозы»

Мальтоза и лактоза при гидролизе расщепляются на составляющие их моносахариды за счёт разрыва связей между ними (

гликозидных связей):

Таким образом, реакция гидролиза дисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов.

В живых организмах гидролиз дисахаридов происходит при участии ферментов.

Получение сахарозы

Сахарную свеклу или сахарный тростник превращают в тонкую стружку и помещают в диффузоры (огромные котлы), в которых горячая вода вымывает сахарозу (сахар).

Вместе с сахарозой в водный раствор переходят и другие компоненты (различные органические кислоты, белки, красящие вещества и др.). чтобы отделить эти продукты от сахарозы, раствор обрабатывают известковым молоком (гидроксидом кальция).

В результате этого образуются малорастворимые соли, которые выпадают в осадок. Сахароза образует с гидроксидом кальция растворимый сахарат кальция С12Н22О11·CaO·2Н2О.

Для разложения сахарата кальция и нейтрализации избытка гидроксида кальция через раствор пропускают оксид углерода ( IV).

Выпавший в осадок карбонат кальция отфильтровывают, а раствор упаривают в вакуумных аппаратах. По мере образования кристалликов сахара отделяют с помощью центрифуги. Оставшийся раствор – меласса – содержит до 50% сахарозы. Его используют для производства лимонной кислоты.

Выделенную сахарозу очищают и обесцвечивают. Для этого ее растворяют в воде и полученный раствор фильтруют через активированный уголь. Затем раствор снова упаривают и кристаллизуют.

Применение сахарозы

Сахароза в основном используется как самостоятельный продукт питания (сахар), а также при изготовлении кондитерских изделий, алкогольных напитков, соусов. Ее используют в высоких концентрациях в качестве консерванта. Путем гидролиза из нее получают искусственный мёд.

Сахароза находит применение в химической промышленности. С помощью ферментации из нее получают этанол, бутанол, глицерин, левулиновую и лимонную кислоты, декстран.

В медицине сахарозу используют при изготовлении порошков, микстур, сиропов, в том числе для новорожденных детей (для придания сладкого вкуса или консервации).

Углеводы

Олигосахариды. Дисахариды

Фруктоза, 750г., цена 70 грн

Фруктоза – очень сладкое вещество, которое относится к углеводам. Многие люди сегодня стремятся заменить обычный сахар фруктозой. Но так ли это оправдано? Как вообще действует на организм человека фруктоза? Давайте разбираться. Углеводы – незаменимые вещества для обменных процессов в организме человека. И моносахариды – сладкие вещества – являются самыми легкоусвояемыми углеводными соединениями. Сегодня человечество знает сразу ряд природных моносахаридов – фруктоза, мальтоза, глюкоза и проч. Кроме того, существует искусственный сахарид – сахароза. С момента, когда были открыты эти вещества, ученые подробно изучают воздействие сахаридов на человеческий организм, подробно рассматривая их полезные и вредные свойства. Особенности Фруктозы Главное свойство фруктозы состоит в том, что это вещество всасывается кишечником довольно медленно (во всяком случае, медленнее глюкозы), но расщепляется намного быстрее. Калорийность фруктозы не высока: пятьдесят шесть грамм вещества содержат всего лишь 224 ккал, но при этом дают ощущение сладости, аналогичное ста граммам обычного сахара (в ста граммах сахара, кстати сказать, содержится 400 калорий). Фруктоза не воздействует на зубы столь же губительно, как простой сахар. По своим физическим свойствам фруктоза относится к шестиатомным моносахаридам (формула С6Н12О6), является изомером глюкозы (то есть, имеет с глюкозой одинаковый молекулярный состав, но разное построение молекул). В составе сахарозы также находится некоторое количество фруктозы. Биологическая роль фруктозы аналогична биологическому предназначению углеводов: организм использует фруктозу для получения энергии. После всасывания, фруктоза может синтезироваться в глюкозу или в жиры. Формула фруктозы была выведена далеко не сразу, и, прежде чем попасть на стол, прошла ряд испытаний. Создание фруктозы было тесно связано с изучением такой болезни, как диабет. Врачи давно задумались, как помочь человеку переработать сахар без применения инсулина. Было необходимо найти заменитель, исключающий инсулиновую переработку. Вначале были созданы подсластители на основе синтетики. Впрочем, скоро стало ясно, что они наносят больший вред организму, нежели простая сахароза. В конечном итоге была выведена формула фруктозы и врачи признали ее оптимальным решением. На промышленном уровне фруктозу стали производить относительно недавно. Польза И Вред Фруктозы Фруктоза – натуральный сахар, получаемый из ягод, фруктов и меда. Но чем это вещество отличается от обыкновенного, всем нам хорошо известного, сахара? Белый сахар имеет много недостатков, и дело отнюдь не только в высокой калорийности. В больших количествах белый сахар негативно отражается на организме человека. Учитывая, что фруктоза чуть ли не в два раза слаще сахара, человек может употреблять сладости в меньших количествах. Но и здесь есть подводный камень, который кроется в нашей психологии. Если человек привык класть в чай две ложки сахара, он будет класть в него две ложки фруктозы, тем самым еще больше увеличивая содержание сахара в организме. Фруктоза – продукт универсальный. Фруктозу могут употреблять все люди, даже страдающие сахарным диабетом. Распад фруктозы происходит очень быстро и не подвергает диабетиков опасности. Впрочем, это не означает, что больные диабетом могут есть фруктозу в любых количествах: в потреблении любого продукта нужно знать меру. В Соединенных Штатах не так давно было объявлено, что в ожирении нации виноваты заменители сахара, в частности, фруктоза. Удивляться тут не приходится: дело в том, что в граждане США употребляют по семьдесят килограмм сахарозаменителей в год – и это по самым скромным подсчетам. В Америке фруктозу добавляют повсюду: в выпечку, в шоколад, в газировку и проч. Очевидно, что в таких количествах фруктоза вредна для организма. Следует понимать, что при относительно небольшой калорийности, фруктоза ни в коей мере не может считаться продуктом диетическим. Потребляя продукты с фруктозой, человек не ощущает чувства насыщения, и стремится съесть как можно больше, растягивая свой желудок. Такое пищевое поведение неприемлемо. При грамотном употреблении фруктозы можно с легкостью сбросить лишние килограммы. Человек, ориентируясь на вкусовые ощущения, будет понемногу снижать калорийность еды, уменьшать количество потребляемых сладостей. Если ранее Вы добавляли в чай две ложки сахара, то фруктозы нужно добавлять одну ложку. Калорийность таким образом снизится в два раза. Несомненная польза фруктозы состоит также в том, что человек, перешедший на этот продукт, не чувствует себя измотанным, голодным. Фруктоза позволяет вести активный образ жизни. Конечно, к этому подсластителю нужно привыкнуть, заставить себя употреблять фруктозу в небольших количествах. Если употреблять фруктозу вместо сахара, риск кариеса снижается на сорок процентов. Много фруктозы – около пяти ложек на один стакан – содержится во фруктовых соках. Люди, перешедшие на фруктозу и, вместе с тем, часто пьющие соки, рискуют заболеть раком прямой кишки. Кроме того, избыток фруктозы может вызвать диабет. Ученые советуют пить не больше ста пятидесяти миллилитров фруктовых соков в сутки. Потребление сахаридов – и фруктозы в том числе – нужно ограничивать. Даже фрукты нельзя есть в чрезмерных количествах. Скажем, бананы и манго обладают высоким гликемическим индексом, поэтому их потребление следует уменьшить. А вот овощи можно есть безбоязненно – не менее трех-четырех порций в день. Употребление Фруктозы При Сахарном Диабете У фруктозы низкий гликемический индекс, поэтому в разумных количествах ее вполне могут употреблять люди, страдающие инсулинозависимой формой диабета первого типа. Для переработки фруктозы инсулина требуется в пять раз меньше, чем для переработки глюкозы. Следует заметить, что фруктоза не способна справиться с гипогликемией (понижение уровня сахара в крови), так как фруктозосодержащие продукты не вызывают резкого повышения уровня сахаридов в крови. Диабетики второго типа (чаще всего эти люди страдают ожирением) должны ограничивать норму подсластителя до 30 граммов. В противном случае, организму будет нанесен вред. Два Сахарных Брата: Фруктоза И Глюкоза Фруктоза и глюкоза являются основными заменителями сахарного песка, которые предлагают сегодня производители. Какой из этих заменителей лучше, до сих пор окончательно не выяснено. И глюкоза, и фруктоза являются продуктом распада сахарозы, но фруктоза несколько слаще. Учитывая, что фруктоза медленнее всасывается в кровь, многие ученые советуют использовать в качестве заменителя сахарного песка именно ее. Но почему скорость всасывания в кровь так важна? Дело в том, что чем в нашей крови больше сахара, тем больше требуется инсулина для его переработки. Фруктоза распадается на уровне ферментов, глюкоза же требует непременного присутствия инсулина. Кроме того, фруктоза хороша тем, что не вызывает гормональных всплесков. Но вот при углеводном голодании помочь человеку может глюкоза, а не фруктоза. При недостатке углеводов у человека начинается головокружение, дрожание конечностей, слабость, потливость. В этот момент ему нужно съесть что-то сладкое. Если это будет кусочек обычной шоколадки, то состояние сразу нормализуется, благодаря быстрому всасыванию глюкозы в кровь. А вот шоколадка на фруктозе таким свойством не обладает. Человек почувствует улучшение очень нескоро, когда фруктоза всосется в кровь. В этом видят основной вред фруктозы американские диетологи. По их мнению, фруктоза не дает человеку чувства сытости, и это заставляет людей употреблять ее в огромных количествах. В итоге, американская нация страдает от ожирения. Строго говоря, для здорового человека и глюкоза, и фруктоза важны в равной мере. Фруктоза – лучший заменитель сахара на данный момент, глюкоза выводит из организма токсины. Фруктоза – отличное средство для похудения, позволяющее работать и вести довольно активный образ жизни, не испытывая слабости. Необходимо лишь понимать, что она всасывается в кровь медленно и чувство насыщения придет далеко не сразу. Правильная дозировка фруктозы – важное условие ее успешного применения.

Роль глюкозы в организме. Биологическая роль моносахаридов

С точки зрения биохимика моносахариды — это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов.

К моносахаридам относятся глюкоза, фруктоза и галактоза. Подробнее о классификации углеводов можно посмотреть в статье . В данной статье рассмотрим какова биологическая роль моносахаридов .

Для любителей биохимии приведём классификацию моносахаридов .

Моносахариды делятся:

На стереоизомеры по конформации асиметричных атомов углерода – L- и D – формы;

В зависимости от конформации НО-группы первого атома углерода – a и b -формы;

В зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы – кетозы и альдозы.

Производными моносахаридов являются :

Урановые кислоты – глюкуроновая, галактуроновая, аскорбиновая кислоты. Очень часто они входят в состав протеогликанов;

Аминосахара – глюкозамин, галактозамин. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) содержат в своём составе аминосахара;

Сиаловые кислоты. Входят в состав протеогликанов и гликолипидов;

Гликозиды – примером служат сердечные гликозиды, антибиотик стрептомицин.

Биологическая роль глюкозы.

Глюкоза является альдозой и гексозой.

1. Глюкоза входит в состав крахмала, клетчатки, сахарозы.

2. Является единственным источником энергии для нервной ткани, активно используется мышцами и эритроцитами. В течение суток у человека массой 70 кг головной мозг потребляет около 100 г глюкозы, поперечно-полосатые мышцы – 35 г, эритроциты – 30 г.

Окисление 1 молекулы глюкозы в анаэробных условиях (без присутствия кислорода) даёт организму 2 молекулы АТФ, а при аэробных условиях (в присутствии кислорода) – в общей сложности 38 молекул АТФ.

Именно поэтому при снижении концентрации глюкозы в крови (гипогликемии) отмечаются слабость, вялость, заторможенность. При критической гипогликемии происходит потеря сознания, развивается коматозное состояние.

3. При достаточно большом количестве в клетке глюкоза запасается в виде гликогена.

4. В гепатоцитах (клетках печени) и адипоцитах (клетках жировой ткани) глюкоза участвует в синтезе триацилглицеролов и в гепатоцитах в синтезе холестерина.

5. Опеределённое количество глюкозы участвует в образовании рибозо-5-фосфата и НАДФН (пентозофосфатный путь).

6. Глюкоза используется для синтеза гликозаминов и затем структурных или иных гетерополисахаридов.

Постоянный уровень концентрации глюкозы в крови поддерживается с помощью гормонов поджелудочной железы инсулина и глюкагона.

Глюкоза поступает в организм при расщеплении в кишечнике продуктов содержащих крахмал, сахарозу, лактозу или мальтозу, с мёдом, фруктами, ягодами и рядом овощей, в которых она находится в свободном виде. Значительное количество глюкозы содержится в абрикосах, арбузах, баклажанах, бананах, виногораде, землянике, вишне, белокочанной капусте, малине, облепихе, хурме, черешне, тыкве.

Биологическая роль фруктозы .

Фруктоза по биохимическому строению является кетозой и гексозой.

1. Фруктоза обладает наибольшей сладостью из всех натуральных сахаров. Для достижения одинакового вкусового эффекта её нужно в 2 раза меньше, чем глюкозы или сахарозы.

2. Большая часть фруктозы при поступлении в организм быстро усваивается тканями без участия инсулина, другая часть превращается в глюкозу. Продукты, содержащие фруктозу, при определённых условиях, могут быть рекомендованы больным сахарным диабетом. Больным ожирением они противопоказаны, так как способствуют более быстрому и интенсивному набору веса, чем продукты, содержащие глюкозу. Поэтому людям с повышенной массой тела такими пищевыми веществами злоупотреблять не следует.

3. Соединяясь с железом, фруктоза образует хелатные соединения, которые намного лучше всасываются чем обычные соединения железа других продуктов, поэтому при анемии очень эффективно добавлять в свой рацион пищевые вещества, богатые фруктозой. В данной ситуации её также можно использовать и в чистом виде.


«СОДЕРЖАНИЕ»

1. Строение………………………………………………………… ……………………………………….2
2. Получение……………………..…………………………… …………………………………………..3
3. Свойства………………………………………………………. ………………………………………..4
4. Биологическая роль…………………………………………………………………… ……………….6
5. Роль в пищевой промышленности………………………………………… …………………………9
6. Литература…………………………………………………… ……………………………………….11

    СТРОЕНИЕ.
Глюко?за («виноградный сахар», декстроза, от греч. glykys-сладкий) — моносахарид сладкого вкуса, относящийся к группе альдоз. Содержится в живых организмах как в свободном виде, так и в виде эфиров фосфорной кислоты. Ее остаток входит в состав многих олигосахаридов (сахарозы, лактозы и др.), полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы и др.), гликопротеинов, гликолипидов, липополисахаридов, гликозидов и производных нуклеотидов.
Встречается в соке многих фруктов и ягод, в том числе и винограда, отчего и произошло название этого вида сахара.
По числу углеродных атомов в цепи глюкоза относится к гексозам.

В природе встречается только D-глюкоза, которая выделена в виде двух аномеров: Молярная масса 180 г/мольяи?-глюкопиранозы (соотв. ф-лы I и II) :

    ПОЛУЧЕНИЕ.
Первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 году:

Глюкоза может быть получена гидролизом природных веществ, в состав которых она входит. В промышленности её получают гидролизом картофельного и кукурузного крахмала кислотами:

Также в промышленности глюкозу получают гидролизом целлюлозы:

В природе глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза:

    СВОЙСТВА.
3.1. Физические свойства.
Белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде и органических растворителях, растворимо в реактиве Швейцера: аммиачном растворе гидроксида меди, в концентрированном растворе хлорида цинка и концентрированном растворе серной кислоты. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Молярная масса 180 г/моль; плотность 1.54 г/см?
Температура плавления: ?-D-глюкоза: 146 °C
?-D-глюкоза: 150 °C

3.2. Химические свойства.
1) Окисление
Как и все альдегиды, глюкоза легко окисляется:

2) Восстановление
Глюкоза может восстанавливаться в шестиатомный спирт (сорбит):

3) Мутаротация

4) Брожение
а) спиртовое

б) молочнокислое

в) маслянокислое

г) лимоннокислое

Глюкоза также образует оксимы с гидроксиламином, озазоны с производными гидразина.
Легко алкилируется и ацилируется.

4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ.

Глюкоза — основной продукт фотосинтеза, образуется в цикле Кальвина, также составная единица, из которой построены все важнейшие полисахариды – гликоген, крахмал, целлюлоза. Она входит в состав сахарозы, лактозы, мальтозы.
В организме человека и животных глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Способностью усваивать глюкозу обладают все клетки организма животных. В то же время, способностью использовать другие источники энергии — например, свободные жирные кислоты и глицерин, фруктозу или молочную кислоту — обладают не все клетки организма, а лишь некоторые их типы.
Глюкоза быстро всасывается в кровь из желудочно-кишечного тракта, затем поступает в клетки органов, где вовлекается в процессы биологического окисления.
Транспорт глюкозы из внешней среды внутрь животной клетки осуществляется путём активного трансмембранного переноса с помощью особой белковой молекулы — переносчика (транспортёра) гексоз.
Глюкоза в клетках может подвергаться гликолизу с целью получения энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ, являющейся источником уникального вида энергии. АТФ во всех живых организмах играет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии. В медицине препараты аденозинтрифосфата применяют при спазмах сосудов и мышечной дистрофии, и это доказывает важность для организма АТФ и глюкозы.
Гликолиз — (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена — Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных. Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.
Первым ферментом в цепи гликолиза является гексокиназа (цитоплазматический фермент класса трансфераз, подкласса фосфотрансфераз). Активность гексокиназы клеток находится под регулирующим влиянием гормонов — так, инсулин резко повышает гексокиназную активность и, следовательно, утилизацию глюкозы клетками, а глюкокортикоиды (общее собирательное название подкласса гормонов коры надпочечников, обладающих более сильным действием на углеводный, чем на водно-солевой обмен) понижают гексокиназную активность.
Полное уравнение гликолиза имеет вид:
Глюкоза + 2НАД + 2АДФ + 2Фн = 2НАД Н + 2ПВК + 2АТФ + 2h3O + 2Н.
Многие отличные от глюкозы источники энергии могут быть непосредственно конвертированы в печени в глюкозу — например, молочная кислота, многие свободные жирные кислоты и глицерин, или свободные аминокислоты, прежде всего, наиболее простые из них, такие, как аланин. Процесс образования глюкозы в печени из других соединений называется глюконеогенезом.
Те источники энергии, для которых не существует пути непосредственного биохимического превращения в глюкозу, могут быть использованы клетками печени для выработки АТФ и последующего энергетического обеспечения процессов глюконеогенеза, ресинтеза глюкозы из молочной кислоты, либо энергообеспечения процесса синтеза запасов полисахарида гликогена из мономеров глюкозы. Из гликогена путём простого расщепления опять-таки легко производится глюкоза.
Глюконеогенез — процесс образования в печени и отчасти в корковом веществе почек (около 10 %) молекул глюкозы из молекул других органических соединений — источников энергии, например пирувата, лактата, свободных аминокислот, глицерина.
При голодании в организме человека активно используются запасы питательных веществ (гликоген, жирные кислоты). Они расщепляются до аминокислот, кетокислот и других неуглеводных соединений. Большая часть этих соединений не выводится из организма, а подвергаются реутилизации. Вещества транспортируются кровью в печень из других тканей, и используются в глюконеогенезе для синтеза глюкозы — основного источника энергии в организме. Таким образом при истощении запасов организма, глюконеогенез является основным поставщиком энергетических субстратов.
Сумарное уравнение глюконеогенеза:

В связи с исключительной важностью поддержания стабильного уровня глюкозы в крови, у человека и многих других животных существует сложная система гормональной регуляции параметров углеводного обмена.
При окислении 1 грамма глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 17,6 кДж энергии.
Запасённая максимальная «потенциальная энергия» в молекуле глюкозы в виде степени окисления?4 атома углерода может понизиться при метаболических процессах до степени +4 (в молекуле CO2). Её восстановление на прежний уровень могут осуществлять
автотрофы — живые организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических.
Во время бодрствования организма энергия глюкозы восполняет почти половину его энергетических затрат. Оставшаяся невостребованной часть глюкозы преобразуется в гликоген – полисахарид, который хранится в печени. Благодаря сложно регулируемому процессу расщепления этого полисахарида обеспечивается стабильный уровень глюкозы в крови. Однако для усвоения глюкозы требуется инсулин, и при определенных условиях часть ее, иногда значительная, превращается в собственный жир организма. Связано это в первую очередь с нарушением гормонального баланса и с избыточным поступлением самой глюкозы.

Пути гликолиза и глюконеогенеза направлены противоположно:

5. РОЛЬ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Глюкозу называют еще «виноградный сахар», так как именно в винограде она содержится в значительном количестве в свободном виде, а также входит в состав других плодов и ягод, пчелиного мёда. Наряду с фруктозой глюкоза является составной частью сахарозы. Сладость глюкозы 0,74.
В мире насчитывается более 50 специализированных предприятий по выработке глюкозы, 35 из которых расположены в Европе.
Глюкоза применяется не только в качестве заменителя сахара, но и как улучшитель вкуса и товарного вида пищевых продуктов. В кондитерской промышленности глюкозу употребляют для изготовления мягких конфет, пралине, десертных сортов шоколада, вафель, тортов, диетических и других изделий.
Так как глюкоза не маскирует аромата и вкуса, она широко используется при производстве фруктовых консервов, замороженных фруктов, мороженого, алкогольных и безалкогольных напитков. Применение глюкозы в хлебопечении улучшает условия брожения, способствует образованию красивой золотисто-коричневой корки, равномерной пористости и хорошего вкуса. Кристаллическую глюкозу целесообразно использовать для питания больных, раненых, выздоравливающих и людей, работающих с большими перегрузками.
В последние десятилетия большое распространение получило производство глюкозно-фруктозных сиропов (ГФС). Получаемая при этом глюкоза частично превращается затем во фруктозу, при этом может достигаться разное соотношение глюкозы и фруктозы. Теоретически первоначальный выход глюкозы составляет 97 частей на 100 частей крахмала. Техническую глюкозу вырабатывают в небольших количествах кислотным гидролизом низкокачественного картофельного, кукурузного или другого зернового крахмала, предназначенного для технических целей.
Если взять раствор, содержащий сахарозу и глюкозу в соотношении 10:1, то путем сгущения его и последующего быстрого охлаждения можно получить белоснежную массу — помадный сахар. При высушивании этой массы получают порошкообразный помадный сахар, состоящий из мелких кристаллов сахарозы и инвертного сахара. При смешивании порошкообразного сахара с водой образуется паста. Помадный сахар находит всё большее распространение в кондитерской промышленности при производстве шоколада, начинок для мягких конфет и прочего.
Глюкоза предотвращает кристаллизацию леденцовой карамели и снижает гигроскопичность конечного продукта.
Немодифицированные и модифицированные крахмалы и глюкоза используются в пищевой промышленности с одной или несколькими из следующих целей:

    Непосредственно как клейстеризованный крахмал, кисель и т.п.
    В качестве загустителя, благодаря вязким свойствам (в супах, детском питании, соусах, подливах и т.д.)
    Как наполнитель, входящий в состав твёрдого содержимого супов, пирогов
    и т.д……………..

ЦЕЛЬ:
  • Дать классификацию углеводам.
  • Рассмотреть физические и химические свойства глюкозы.
  • Изучить строение молекулы глюкозы, рассмотреть изомерию глюкозы.
  • Знать нахождение глюкозы в природе, в организме человека, ее биологическое значение и области применения.

Строение молекулы
  • Ch3(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-C=O / H

  • Глюкоза может существовать в виде циклов (α и β глюкозы).

ГЛЮКОЗА – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Она встречается почти во всех органах растения: в плодах, корнях, листьях, цветах. Особенно много глюкозы в соке винограда и в спелых фруктах, ягодах. Глюкоза есть и в животных организмах. В крови человека её содержится примерно 0,1%.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ:

    Глюкоза — основной продукт фотосинтеза, образуется в цикле Кальвина. В организме человека и животных глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Способностью усваивать глюкозу обладают все клетки организма животных. Глюкоза в клетках может подвергаться гликолизу с целью получения энергии в виде АТФ. Первым ферментом в цепи гликолиза является гексокиназа. В связи с исключительной важностью поддержания стабильного уровня глюкозы в крови, у человека и многих других животных существует сложная система гормональной регуляции параметров углеводного обмена. При окислении 1 грамма глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 17,6 кДж энергии.

ПОЛУЧЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ:
  • В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала и целлюлозы . Глюкоза может восстанавливаться в шестиатомный спирт (сорбит). Как и все альдегиды , глюкоза легко окисляется. Она восстанавливает серебро из аммиачного раствора оксида серебра и медь (II) до меди(I).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

ЛИНЕЙНОЕ СТРОЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ:

Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди (II)

Реакция серебряного зеркала:

Реакция этерификации

Спиртовое брожение (под действием дрожжей)

молочнокислое брожение (под действием молочнокислых бактерий)

маслянокислое брожение

— Как многоатомный спирт, глюкоза образует сложные эфиры. — Как альдегид, она окисляется. — Важным химическим свойством глюкозы является её брожение под действием органических катализаторов – ферментов, вырабатываемых микроорганизмами.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:
  • Белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде.

ПРИМЕНЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ:
  • Глюкоза – ценное питательное вещество. Как вещество легко усваиваемое организмом и дающее ему энергию, глюкоза находит и непосредственное применение в качестве укрепляющего лечебного средства. Сладкий вкус обусловил применение её в кондитерском деле (в составе патоки) при изготовлении мармелада, карамели, пряников и т.д.
  • Как восстановитель, она используется при изготовлении зеркал и ёлочных украшений (серебрение).
  • В текстильной промышленности глюкоза применяется для отделки тканей.
  • Глюкозу используют при интоксикации (например при пищевом отравлении или деятельности инфекции), вводят внутривенно струйно и капельно, т.к. она является универсальным антитоксическим средством.

ЛИНЕЙНОЕ СТРОЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ:

  • Глюкоза – основной источник энергии в живой клетке, поэтому она широко применяется в медицине. В текстильной промышленности глюкоза используется для отделки тканей. Для всех этих целей глюкозу получают из крахмала, подвергая его гидролизу в присутствии минеральных кислот.

КРАТКИЕ ПОКАЗАНИЯ:
  • Применяют раствор глюкозы при недостатке глюкозы в организме.

ФРУКТОЗА:
  • Фруктоза – фруктовый сахар, один из основных источников углеводов . Фруктоза не может непосредственно усваиваться человеческим организмом и в процессе обмена веществ преобразуется в глюкозу .
  • Медики традиционно считают, что фруктоза полезнее, чем глюкоза и сахароза. Однако некоторые исследователи предполагают, что излишнее потребление фруктозы может способствовать развитию ожирения.

Схема фотосинтеза

Некоторые интересные факты

    Некоторые лягушки нашли применение глюкозе в своём организме — любопытное, хотя и гораздо менее важное. В зимние время иногда можно найти лягушек, вмёрзших в ледяные глыбы, но после оттаивания земноводные оживают. Как же они ухитряются не замёрзнуть насмерть? Оказывается, с наступлением холодов в крови лягушки в 60 раз увеличивается количество глюкозы. Это мешает образованию внутри организма кристалликов льда.

ВЫВОД:

    Углеводы… это те самые сладости, которые мы так любим, (фрукты, торты, конфеты, варенье, шоколад и т.д., особенно много углеводов содержит виноград). Углеводы жизненно важные вещества, которые необходимы каждому организму. Эти вещества расходуются, и человек должен постоянно пополнять их запасы. Понятно, что вещества, входящие в состав тканей организма, не похожие на те, которые он употребляет в пищу. Организм человека перерабатывает пищевые продукты и в процессе своей жизнедеятельности постоянно расходует энергию, которая, как мы знаем, выделяется при окислении в тканях организма, углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, осуществляющих биосинтез белка и передачу наследственных признаков. И ещё мы выяснили, что глюкоза – альдегидоспирт, точнее – многоатомный альдегидоспирт

Работу выполнили ученицы 11 класса «А» МОУ СОШ №2 Азарёнок Анна Шевцова Виктория Работу проверила: учитель химии МОУСОШ №2 г. Купино Гарбузова Вера Евгеньевна

Эмпирическая формула глюкозы С 6 Н 12 О 6 . Она может иметь различные пространственные формы. В организме человека глюкоза как правило находится в циклической форме:

Свободная глюкоза в организме человека в основном находится в крови, где ее содержание довольно постоянно и колеблется в диапазоне от 3,9 до 6,1 ммоль/л.

Глюкоза главный источник энергии в организме.

Другим углеводом типичным для человека является гликоген. Состоит гликоген из сильно разветвленных молекул большого размера, содержащих десятки тысяч остатков глюкозы. Эмпирическая формула гликогена: 6 Н 12 О 5 ) n где n число остатков глюкозы.

Основные запасы гликогена сосредоточены в печени и мышцах.

Гликоген является запасной формой глюкозы.

В норме с пищей поступает 400-500 г углеводов. Это, главным образом, крахмал, клетчатка, сахароза, лактоза, гликоген. Переваривание углеводов происходит в разных частях пищеварительного тракта, начиная с ротовой полости. Осуществляют его ферменты амилазы. Единственный углевод, который не расщепляется в нашем организме – это клетчатка. Все остальные расщепляются до глюкозы, фруктозы, галактозы и.т. д. и вовлекаются в процессы катаболизма, Значительная часть глюкозы превращается в печени в гликоген. Между приемами пищи часть гликогена в печени превращается в глюкозу, которая поступает в кровь.

Глюкоза, используемая для синтеза гликогена, предварительно активируется. Затем после ряда превращений образует гликоген. В этом процесс участвует нуклеотид УТФ (уридинтрифосфат), который по строению напоминает АТФ. В ходе реакций образуется промежуточное соединение – уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза). Именно это соединение образует молекулы гликогена, вступая в реакцию с так называемой затравкой. Затравкой служат имеющиеся в печени молекулы гликогена.

Реакции образования гликогена обеспечиваются энергией молекулами АТФ. Синтез гликогена ускоряется гормоном инсулином.

Распад гликогена в печени осуществляется в обратном порядке и в конечном итоге образуется глюкоза и фосфорная кислота. Этот процесс ускоряется гормонами глюкагоном и адреналином. Распад гликогена в мышцах стимулирует гормон адреналин, который выделяется в кровь во время мышечной работы. При этом в мышцах не образуется свободная глюкоза и путь расщепления гликогена несколько иной.

3. Катаболизм углеводов. Гексозодифосфатный путь расщепления глюкозы.

Катаболизм глюкозы осуществляется двумя путями.

    Основная часть углеводов (до 95%) подвергается распаду по гексозодифосфатному пути. Именно этот путь является основным источником энергии для организма.

    Остальная часть глюкозы расщепляется через гексозомонофосфатный путь.

ГДФ-путь может протекать в условиях отсутствия кислорода – анаэробно и в присутствии кислорода, то есть в аэробных условиях. Это очень сложная цепь последовательных реакций, конечным результатом которой является образование углекислого газа и воды. Этот процесс можно разбить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап, называемый гликолизом, происходит в цитоплазме клеток. Конечным продуктом этого этапа является пировиноградная кислота.

1. Реакция фосфорилирования молекулы глюкозы состоит в том, что глюкоза при участии тканеспецефичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ превращается в глюкозо-6фосфат.

Глюкоза + АТФ → глюкоза-6-фосфат + АДФ

2. Глюкоза-6-фосфат превращается во фруктозо-6-фосфат

3. Фруктозо-6-фосфат переходит во фрутозо-1.6-фосфат

5.Затем из фосфоглицеринового альдегида образуется 1.3дифосфоглицерат

6. 1.3дифосфоглицерат переходит в3-фосфоглицерат,

7 который переходит в 2-фосфоглицерат, а затем

8 в фосфопируват, а тот

9 в пируват (пировиноградная кислота).

Общее уравнение гликолиза выглядит так:

Глюкоза + О2 + 8АДФ + 8 Н3 РО4 → 2 Пируват + 2Н2О + 8 АТФ

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из возникающего в анаэробных условиях лактата (молочная кислота), может синтезироваться глюкоза, а из неё гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути протекают в митохондриях. Эти этапы требуют присутствия кислорода. В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляется углекислый газ и два атома водорода . Отщепленные атомы водорода по дыхательной цепи передаются на кислород с одновременным синтезом АТФ. Из пирувата же образуется уксусная кислота. Она присоединяется к особому веществу, коферменту А. Это вещество является переносчиком остатков кислот. Результатом этого процесса является образование вещества ацетилкофермент А. Это вещество обладает высокой химической активностью.

Итоговое уравнение второго этапа ГДФ-nути:

С З Н 4 О З + 1/2О 2 + HSKoA + 3 АДФ + 3 НзРО4 СН з — С ~ SKoA + СО 2 + Н 2 О + 3АТФ

Пируват Кофермент А Ацетил-КоА

Ацетилкофермент А подвергается дальнейшему окислению в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и превращается в СО 2 и Н 2 О. Это и есть третий этап. За счёт выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется синтез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) — это завершающий этап ката­болизма не только углеводов, но и всех остальных классов органиче­ских соединений. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жи­ров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт — ук­сусная кислота, связанная со своим переносчиком — коферменгом А — в форме ацетилкофермента А.

Вышесказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

Белки Углеводы Жиры

Ацетил-КоА

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным потребле­нием кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

Первой реакцией цикла является взаимодействие ацетилкофермента А со щавелево-уксусной кислотой (ЩУК) с образованиемлимонной кислоты.

СН з + С Н 2 1

1 1 + Н 2 О НО – С – СООН + НS ~ KoA

SKoA 1 С Н 2 Кофермент А

Ацетил-КоА ЩУК Лимонная кислота

Лимонная кислота содсржит три карбоксильные группы, т. е. явля­ется трикарбоновой кислотой. что обусловило название этого цикла.

Поэтому эти реакции и называют циклом лимонной кислоты. Образуя ряд промежуточных трикарбоновых кислот, лимонная кислота вновь превращается в щавелево-уксусную и цикл повторяется. Результатом этих реакций является образование отщепленного водорода, которые, пройдя по дыхательной цепи (см. предыдущую лекцию), образует с кислородом воду. . Перенос каждой пары атомов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ. Всего при окислении од­ной молекулы ацетилкофермента А синтезируется 12 молекул АТФ.

Итоговое уравнеuие цикла Кребса (третьего этапа ГДФ-nутu):

СН з — С ~ SKoA + 2О 2 + Н 2 О + 12АДФ + 12 Н 3 РО НSKoA + 2 СО 2 + Н 2 О + 12АТФ

Ацетил-КоА

Схематично цикл Кребса можно представить следующим образом:

Лимонная

Кислота (С 6)

НSKoA СО 2

Глюкоза — основной источник энергии для организма. Ее используют все клетки тела. Она необходима нам для жизни, как бензин необходим машине для движения. Но автомобильное топливо имеет простой состав. Мы же потребляем «сложную» пищу: в ней и белки, и углеводы, и жиры. Чтобы добыть энергию, организму необходимо вычленить углеводы и расщепить их до глюкозы. Конечно, можно заставить организм добывать энергию из жиров. Но на такую «добычу» саму по себе требуется немало энергии. Откуда ее взять? Опять же из углеводов! Более половины энергии, которую расходует здоровый организм, он берет именно из глюкозы. Интересно, что головной мозг, мышечные клетки и эритроциты (красные клетки крови) в отличие от других органов могут использовать только энергию из углеводов. Поэтому, когда в организме недостаточно глюкозы, они начинают «плохо себя чувствовать». В результате человек тоже чувствует себя вялым, сонным, рассредоточенным. Заниматься умственным или физическим трудом в таком состоянии просто невозможно! Чтобы почувствовать себя лучше, мы обычно пьем чай с сахаром, съедаем бутерброд или кусочек шоколадки. Но пройдет немало времени, прежде чем организм расщепит эту пищу до глюкозы. А она, в свою очередь, доберется до мозга и мышечных клеток. Чтобы быстро восполнить недостаток глюкозы в организме, достаточно съесть жевательную таблетку БЛОК. Она состоит из глюкозы, которая начнет всасываться в кровь уже во рту. Вы практически через 1-2 минуты почувствуете прилив энергии. Усталость как рукой снимет. Вы легко можете сосредоточиться, запомнить нужные факты, вновь приступить к умственной или физической работе. Такой эффект при приеме глюкозы внутрь доказан научными исследованиями. Между прочим, глюкоза — также лучшее и безопаснейшее средств от стресса. Именно поэтому в критических ситуациях так хочется сладкого! Но не всякая «сладость» может помочь. Например, мед едва ли способен снять напряжение. В нем содержится много фруктозы, которая сложно усваивается организмом. Жевательные таблетки БЛОК, напротив, состоят из глюкозы (с добавлением натуральных фруктовых соков и витаминов). Так что стресс будет эффективно заБЛОКирован! Также жевательные таблетки БЛОК помогают справиться с чувством голода, поскольку насыщают организм глюкозой. В состав БЛОКов с некоторыми вкусами входит витамин С (аскорбиновая кислота). Он участвует в ряде важнейших физиологических процессов. Человеческий организм самостоятельно аскорбиновую кислоту не синтезирует. Поэтому необходимо получать витамин С с пищей. В этом вам также помогут жевательные таблетки БЛОК!

Читайте также…

Сахароза строение и свойства. Формула сахарозы и ее биологическая роль в природе

Одним из наиболее известных углеводов является сахароза. Ее используют при приготовлении пищевых продуктов, также она содержится в плодах многих растений.

Этот углевод является одним из основных источников энергии в организме, но его избыток может привести к опасным патологиям. Поэтому стоит ознакомиться с его свойствами и особенностями подробнее.

Физические и химические свойства

Сахароза является органическим соединением, образованным из остатков глюкозы и фруктозы. Оно представляет собой дисахарид. Его формула С12Н22О11. Это вещество имеет кристаллическую форму. У него нет цвета. Вкус вещества – сладкий.

Его отличает превосходная растворимость в воде. Также это соединение можно растворить в метаноле и этаноле. Для плавления этого углевода необходима температура от 160 градусов, в результате этого процесса образуется карамель.

Для образования сахарозы необходима реакция отсоединения молекул воды от простых сахаридов. У нее не проявляются альдегидные и кетоновые свойства. При реакции с гидроксидом меди образует сахараты. Основными изомерами являются лактоза и мальтоза.

Анализируя, из чего состоит это вещество, можно назвать первое, чем отличается сахароза от глюкозы — у сахарозы более сложное строение, и глюкоза является одним из ее элементов.

Кроме этого, можно назвать следующие отличия:

  1. Больше всего сахарозы находится в свекле или тростнике, именно поэтому ее называют свекловичным либо тростниковым сахаром. Второе название глюкозы – виноградный сахар.
  2. Сахарозе присущ более сладкий вкус.
  3. Гликемический индекс у глюкозы выше.
  4. Организм усваивает глюкозу гораздо быстрее, поскольку она является простым углеводом. Для усвоения сахарозы необходимо предварительное ее расщепление.

Эти свойства являются основными различиями двух веществ, у которых достаточно много сходства. Как различить глюкозу и сахарозу способом попроще? Стоит сравнить их цвет. Сахароза – бесцветное соединение, которому присущ незначительный блеск. Глюкоза тоже является кристаллическим веществом, но его цвет – белый.

Биологическая роль

Человеческий организм неспособен к прямому усвоению сахарозы — для этого необходим гидролиз. Соединение переваривается в тонком кишечнике, где из нее высвобождается фруктоза и глюкоза. Именно они в дальнейшем расщепляются, превращаясь в энергию, необходимую для жизнедеятельности. Можно сказать, что основная функция сахара – энергетическая.

Благодаря этому веществу в организме происходят следующие процессы:

  • выделение АТФ;
  • поддержание нормы форменных элементов крови;
  • функционирование нервных клеток;
  • жизнедеятельность мышечной ткани;
  • образование гликогена;
  • поддержание стабильного количества глюкозы (при планомерном расщеплении сахарозы).

Однако несмотря на наличие полезных свойств, этот углевод считается «пустым», поэтому его чрезмерное потребление может вызвать нарушения в работе организма.

Это означает, что его количество в день не должно быть слишком большим. Оптимально оно должно составлять не больше 10-й части от потребляемых калорий. При этом сюда должна входить не только чистая сахароза, но и та, что входит в другие продукты питания.

Полностью исключать это соединение из рациона не следует, поскольку такие действия тоже чреваты последствиями.

На его нехватку указывают такие неприятные явления, как:

  • депрессивные настроения;
  • головокружение;
  • слабость;
  • повышенная утомляемость;
  • снижение работоспособности;
  • апатия;
  • перепады настроения;
  • раздражительность;
  • мигрени;
  • ослабление когнитивных функций;
  • выпадение волос;
  • ломкость ногтей.

Иногда у организма может наблюдаться повышенная потребность в продукте. Такое случается при активной умственной деятельности, поскольку для прохождения нервных импульсов нужна энергия. Также эта потребность возникает, если организм подвергается токсической нагрузке (сахароза в этом случае становится барьером для защиты клеток печени).

Вред сахара

Злоупотребление этим соединением может быть опасно. Это обусловлено образованием свободных радикалов, что происходит при гидролизе. Из-за них ослабевает иммунная система, что приводит к повышению уязвимости организма.

В связи с этим необходимо ограничивать потребление этого вещества, не допуская его чрезмерного накопления.

Природные источники сахарозы

Чтобы контролировать количество потребляемой сахарозы, надо знать, где содержится данное соединение.

Оно входит во многие продукты питания, также широко и ее распространение в природе.

Очень важно учитывать, в каких растениях содержится компонент – это позволит ограничить его употребление до нужной нормы.

Природным источником большого количества этого углевода в жарких странах является сахарный тростник, а в странах с умеренным климатом — сахарная свекла, канадский клен и береза.

Также много вещества содержится в плодах и ягодах:

  • хурме;
  • кукурузе;
  • винограде;
  • ананасах;
  • манго;
  • абрикосах;
  • мандаринах;
  • сливах;
  • персиках;
  • нектаринах;
  • моркови;
  • дыне;
  • клубнике;
  • грейпфруте;
  • бананах;
  • грушах;
  • черной смородине;
  • яблоках;
  • грецких орехах;
  • фасоли;
  • фисташках;
  • помидорах;
  • картофеле;
  • луке;
  • черешне;
  • тыкве;
  • вишне;
  • крыжовнике;
  • малине;
  • зеленом горошке.

Помимо этого, соединение содержат многие сладости (мороженое, конфеты, выпечка) и отдельные виды сухофруктов.

Особенности производства

Получение сахарозы подразумевает промышленное ее извлечение из сахаросодержащих культур. Чтобы продукт соответствовал нормам ГОСТ, необходимо соблюдение технологии.

Она заключается в выполнении следующих действий:

  1. Очищение сахарной свеклы и ее измельчение.
  2. Помещение сырья в диффузоры, после чего через них пропускается горячая вода. Это позволяет вымыть из свеклы до 95% сахарозы.
  3. Обработка раствора с помощью известкового молока. Благодаря этому осаждаются примеси.
  4. Фильтрация и упаривание. Сахар в это время отличается желтоватым цветом из-за красящих веществ.
  5. Растворение в воде и очищение раствора с использованием активированного угля.
  6. Повторное упаривание, результатом которого и становится получение белого сахара.

После этого вещество кристаллизуют и расфасовывают в упаковки для продажи.

Видеоматериал о производстве сахара:

Область применения

Поскольку у сахарозы немало ценных особенностей, ее широко применяют.

Основными сферами ее использования можно назвать:

Также продукт находит применение в косметологии, сельском хозяйстве, при производстве бытовой химии.

Как сахароза влияет на человеческий организм?

Этот аспект является одним из наиболее важных. Многие люди стремятся понять, стоит ли использовать вещество и средства с его добавлением в повседневной жизни. Информация о наличии у него вредных свойств широко распространилась. Тем не менее нельзя забывать и о положительном влиянии продукта.

Наиболее важное действие соединения – снабжение организма энергией. Благодаря ему все органы и системы могут исправно функционировать, а человек при этом не испытывает утомления. Под влиянием сахарозы активируется нейронная деятельность, повышается способность сопротивления токсическим воздействиям. За счет этого вещества осуществляется деятельность нервов и мускулов.

При недостатке этого продукта самочувствие человека стремительно ухудшается, у него снижается работоспособность и настроение, появляются признаки переутомления.

Нельзя забывать и о возможном негативном воздействии сахара. При его повышенном содержании у человека могут развиться многочисленные патологии.

Среди наиболее вероятных называют:

  • сахарный диабет;
  • кариес;
  • пародонтоз;
  • кандидоз;
  • воспалительные болезни ротовой полости;
  • ожирение;
  • зуд в области половых органов.

В связи с этим необходимо следить за количеством потребляемой сахарозы. При этом нужно учитывать потребности организма. В некоторых обстоятельствах необходимость в этом веществе увеличивается, и на это нужно обращать внимание.

Видеоматериал о пользе и вреде сахара:

Также следует помнить об ограничениях. Непереносимость этого соединения – редкое явление. Но если оно обнаружено, то это означает полное исключение данного продукта из рациона.

Еще одним ограничением является сахарный диабет. Можно ли при сахарном диабете употреблять сахарозу – лучше спросить у врача. На это влияют разные особенности: клиническая картина, симптоматика, индивидуальные свойства организма, возраст пациента и пр.

Специалист может полностью запретить употребление сахара, поскольку он увеличивает концентрацию глюкозы, провоцируя ухудшения. Исключением становятся случаи гипогликемии, для нейтрализации которых нередко используют сахарозу или продукты с ее содержанием.

В остальных ситуациях предполагается замена данного соединения подсластителями, не повышающими уровня глюкозы в крови. Иногда запрет на использование этого вещества нестрогий, и диабетику разрешается время от времени употребить желанный продукт.

1. Она представляет собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса, хорошо растворима в воде.

2. Температура плавления сахарозы 160 °C.

3. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса – карамель.

4. Содержится во многих растениях: в соке березы, клена, в моркови, дыне, а также в сахарной свекле и сахарном тростнике.

Строение и химические свойства.

1. Молекулярная формула сахарозы – С 12 Н 22 О 11 .

2. Сахароза имеет более сложное строение, чем глюкоза.

3. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов.

Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди.

4. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I).

5. Сахароза, в отличие от глюкозы, не является альдегидом.

6. Сахароза является важнейшим из дисахаридов.

7. Она получается из сахарной свеклы (в ней содержится до 28 % сахарозы от сухого вещества) или из сахарного тростника.

Реакция сахарозы с водой.

Если прокипятить раствор сахарозы с несколькими каплями соляной или серной кислоты и нейтрализовать кислоту щелочью, а после этого нагреть раствор с гидроксидом меди (II), выпадает красный осадок.

При кипячении раствора сахарозы появляются молекулы с альдегидными группами, которые и восстанавливают гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Эта реакция показывает, что сахароза при каталитическом действии кислоты подвергается гидролизу, в результате чего образуются глюкоза и фруктоза:

С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О → С 6 Н 12 O 6 + С 6 Н 12 O 6 .

6. Молекула сахарозы состоит из соединенных друг с другом остатков глюкозы и фруктозы.

Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С 12 Н 22 О 11 , можно выделить мальтозу и лактозу.

Особенности мальтозы:

1) мальтоза получается из крахмала под действием солода;

2) она называется еще солодовым сахаром;

3) при гидролизе она образует глюкозу:

С 12 Н 22 О 11 (мальтоза) + Н 2 О → 2С 6 Н 12 O 6 (глюкоза).

Особенности лактозы: 1) лактоза (молочный сахар) содержится в молоке; 2) она обладает высокой питательностью; 3) при гидролизе лактоза разлагается на глюкозу и галактозу – изомер глюкозы и фруктозы, что является важной особенностью.

66. Крахмал и его строение

Физические свойства и нахождение в природе.

1. Крахмал представляет собой белый порошок, не растворимый в воде.

2. В горячей воде он набухает и образует коллоидный раствор – клейстер.

3. Являясь продуктом усвоения оксида углерода (IV) зелеными (содержащими хлорофилл) клетками растений, крахмал распространен в растительном мире.

4. Клубни картофеля содержат около 20 % крахмала, зерна пшеницы и кукурузы – около 70 %, риса – около 80 %.

5. Крахмал – одно из важнейших питательных веществ для человека.

Строение крахмала.

1. Крахмал (С 6 H 10 O 5) n – природный полимер.

2. Образуется он в результате фотосинтетической деятельности растений при поглощении энергии солнечного излучения.

3. Сначала из углекислого газа и воды в результате ряда процессов синтезируется глюкоза, что в общем виде может быть выражено уравнением: 6СO 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 .

5. Макромолекулы крахмала неодинаковы по размерам: а) в них входит разное число звеньев С 6 H 10 O 5 – от нескольких сотен до нескольких тысяч, при этом неодинакова и их молекулярная масса; б) различаются они и по строению: наряду с линейными молекулами с молекулярной массой в несколько сотен тысяч имеются молекулы разветвленного строения, молекулярная масса которых достигает нескольких миллионов.

Химические свойства крахмала.

1. Одно из свойств крахмала – это способность давать синюю окраску при взаимодействии с йодом. Эту окраску легко наблюдать, если поместить каплю раствора йода на срез картофеля или ломтик белого хлеба и нагреть крахмальный клейстер с гидроксидом меди (II), будет видно образование оксида меди (I).

2. Если прокипятить крахмальный клейстер с небольшим количеством серной кислоты, нейтрализовать раствор и провести реакцию с гидроксидом меди (II), образуется характерный осадок оксида меди (I). То есть при нагревании с водой в присутствии кислоты крахмал подвергается гидролизу, при этом образуется вещество, восстанавливающее гидроксид меди (II) в оксид меди (I).

3. Процесс расщепления макромолекул крахмала водой идет постепенно. Сначала образуются промежуточные продукты с меньшей молекулярной массой, чем у крахмала, – декстрины, затем изомер сахарозы – мальтоза, конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

4. Реакцию превращения крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты открыл в 1811 г. русский ученый К. Кирхгоф. Разработанный им способ получения глюкозы используется и в настоящее время.

5. Макромолекулы крахмала состоят из остатков молекул циклической L-глюкозы.

Сахароза C12h32O11, или свекловичный сахар, тростниковый сахар, в быту просто сахар — дисахарид, состоящий из двух моносахаридов — α-глюкозы и β-фруктозы.

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара.

Бесцветные моноклинные кристаллы. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса – карамель.

Молекулярная масса 342,3 а.е.м.

Вкус сладковатый. Растворимость (грамм на 100 грамм): в воде 179 (0°C) и 487 (100°C), в этаноле 0,9 (20°C). Малорастворима в метаноле. Не растворима в диэтиловом эфире

Плотность 1,5879 г/см3

При охлаждении жидким воздухом, после освещения ярким светом кристаллы сахарозы фосфоресцируют

Не проявляет восстанавливающих свойств — не реагирует с реактивом Толленса и реактивом Фелинга.

Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С12Н22О11, можно выделить мальтозу и лактозу

Если прокипятить раствор сахарозы с несколькими каплями соляной или серной кислоты и нейтрализовать кислоту щелочью, а после этого нагреть раствор, то появляются молекулы с альдегидными группами, которые и восстанавливают гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Эта реакция показывает, что сахароза при каталитическом действии кислоты подвергается гидролизу, в результате чего образуются глюкоза и фруктоза:

С12Н22О11 + Н2О → С6Н12O6 + С6Н12O6

Природные и антропогенные источники

Содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле (до 28% сухого вещества), соках растений и плодах (например, берёзы, клёна, дыни и моркови). Источник получения сахарозы — из свеклы или из тростника определяют по соотношению содержания стабильных изотопов углерода 12C и 13C. Сахарная свекла имеет C3-механизм усвоения углекислого газа (через фосфоглицериновую кислоту) и предпочтительно поглощает изотоп 12C; сахарный тростник имеет C4-механизм поглощения углекислого газа (через щавелевоуксусную кислоту) и предпочтительно поглощает изотоп 13C.


Ответ. Опытным путём доказано, что молекулярная форма сахарозы

– C 12 H 22 O 11 . Молекула содержит гидроксильные группы и состоит из взаимно связанных остатков молекул глюкозы и фруктозы.

Физические свойства

Чистая сахарозы – бесцветное кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде.

Химические свойства:

1. Подвергается гидролизу:

C 12 H 22 O 11 + h3O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6

2.Сахароза – невосстанавливающий сахар. Она не даёт реакции «серебряного зеркала», а с гидроксидом меди (II) взаимодействует как многоатомный спирт, не восстанавливая Cu (II) до Cu (I).

Нахождение в природе

Сахарозы входит в состав сока сахарной свеклы (16-20 %) и сахарного тростника (14-26%). В небольших количествах она содержится вместе с глюкозой в плодах и листьях многих зелёных растений.

Получение:

1. Сахарную свекл или сахарный тростник превращают в тонкую стружку и помещают в диффузоры, через которые пропускают горячую воду.

2. Полученный раствор обрабатывают известковым молоком, образуется растворимый сахарат кальция алкоголятов.

3. Для разложения сахарата кальция и нейтрализации избытка гидроксида кальция через раствор пропускают оксид углерода (IV):

C 12 H 22 O 11 CaO 2H 2 + CO 2 = C 12 H 22 O 11 + CaCO 3 + 2H 2 O

4.Полученный после осаждения карбоната кальция раствор фильтруют затем упаривают в вакуумных аппаратах и кристаллики сахара отделяют центрифугированием.

5. Выделенный сахарный песок обычно имеет желтоватый цвет, так как содержит красящие вещества. Для их отделения сахарозу растворяют в воде и пропускают через активированный уголь.

Применение:

Сахароза в основном используется в качестве продукта питания и в кондитерской отрасли промышленности. Путём гидролиза из неё получают искусственный мёд.

Вопрос 2. Особенности размещения электронов в атомах элементов малых и больших периодов. Состояния электронов в атомах.

Ответ. Атом – химически неделимая, электронейтральная частица вещества. Атом состоит из ядра и движущихся по определённым орбиталям вокруг него электронов. Атомная орбиталь – область пространства вокруг ядра, в пределах которой наиболее вероятно нахождение электрона. Орбитали называют также электронными облаками. Каждой орбитали отвечает определённая энергия а также форма и размер электронного облака. Группа орбиталей, для которых значение энергии оказываются близкими, относят к одному энергетическому уровню. На энергетическом уровне не может находится более 2n 2 электронов, где n – номер уровня.

Виды электронных облаков: шаровой формы — s-электроны, одна орбиталь на каждом энергетическом уровне; гантелеобразной формы – p-электроны, три орбитали p x , p y ,p z ; в форме напоминающей две перекрещенные гантеи, — d- электроны, пять орбиталей d xy , d xz , d yz , d 2 z , d 2 x – d 2 y .

Распределение электронов по энергетическим уровням отражает электронная конфигурация элемента.

Правила заполнения электронами энергетических уровней и

подуровней.

1.Заполнение каждого уровня начинается с s- электронов, далее происходит заполнение электронами p-, d- и f- энергетических уровней.

2.Число электронов в атоме равно его порядковому номеру.

3. Число энергетических уровней соответствует номеру периода, в котором находится элемент.

4. максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле

Где n- номер уровня.

5. Общее число электронов на атомных орбиталях одного энергетического уровня.

Например, алюминий, заряд ядра равен +13

Распределение электронов по энергетическим уровням – 2,8,3.

Электронная конфигурация

13 Al:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

В атомах некоторых элементов наблюдается явление проскока электронов.

Например, у хрома электроны с 4s-подуровня перескакивают на 3d- подуровень:

24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3d 5 3d 5 4s 1 .

Электрон переходит с 4s- подуровня на 3d, потому что конфигурация 3d 5 и 3d 10 являются более энергетически выгодными. Электрон занимает положение, в котором его энергия минимальная.

Заполнение электронами энергетического f-подуровня происходит у элемента 57La -71 Lu.

Вопрос 3. Распознать вещества KOH,HNO 3 ,K 2 CO 3 .

Ответ: KOH + фенолфталиен → малиновая окраска раствора;

NHO 3 + лакмус → красная окраска раствора,

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 0 +CO 2

Билет № 20

Вопрос 1. Генетическая связь органических соединений различных классов.

Ответ: Схема цепочки химических превращений:

C 2 H 2 → C 2 H 4 →C 2 H 6 →C 2 H 5 Cl→C 2 H 5 OH→CH 3 CHO→CH 3 COOH

C 6 H 6 C 2 H 5 OH CH 2 =CH-CH=CH 2 CH 3 COOC 2 H 5

C 6 H 5 Cl CH 3 O-C 2 H 5 C 4 H 10

C 2 H 2 + H 2 = C 2 H 4 ,

алкин алкен

C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6 ,

алкен алкан

C 2 H 6 + Cl 2 = C 2 H 5 Cl + HCl,

C 2 H 5 Cl + NaOH = C 2 H 5 OH + NaCl,

хлоралкан спирт

С 2 H 5 OH + 1/2O 2 CH 3 CHO + H 2 O,

спирт альдегид

CH 3 CHO + 2Cu(OH) 2 = CH 3 COOH + 2CuOH + H 2 O,

C 2 H 4 + H 2 O C 2 H 5 OH,

алкен спирт

C 2 H 5 OH + CH 3 OH = CH 3 O-C 2 H 5 + H 2 O,

спирт спирт простой эфир

3С 2 H 2 С 6 Н 6 ,

алкин арен

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 Cl + HCl,

C 6 H 5 Cl + NaOH = C 6 H 5 OH + NaCl,

C 6 H 5 OH + 3Br 2 = C 6 H 2 Br 3 OH + 3HBr;

2С 2 H 5 OH = CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 O + H 2 ,

спирт диен

CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 = C 4 H 10 .

диен алкан

Алканы- углеводороды с общей формулой С n H 2 n +2 , которые не присоединяют водород и другие элементы.

Алкены- углеводороды с общей формулой С n H 2 n , в молекулах которых между атомами углерода имеется одна двойная связь.

К диеновым углеводородам относят органические соединения с общей формулой С n H 2 n -2 , в молекулах которых имеются две двойные связи.

Углеводороды с общей формулой С n H 2 n -2 , в молекулах которых имеется одна тройная связь, относят к ряду ацетилена и называют алкинами.

Соединения углерода с водородом, в молекулах которых имеется бензольное кольцо, относят к ароматическим углеводородам.

Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильными группами.

К фенолам относят производные ароматических углеводородов, в молекулах которых гидроксильные группы связаны с бензольным ядром.

Альдегиды- органические вещества, содержащие функциональную группу- СНО (альдегидную группу).

Карбоновые кислоты- это органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом или атомом водорода.

К сложным эфирам относятся органические вещества, которые образуются в реакциях кислот со спиртами и содержат группу атомов С(О)-О-С.

Вопрос 2. Типы кристаллических решеток. Характеристика веществ с различными типами кристаллических решеток.

Ответ. Кристаллическая решетка – пространственное, упорядоченное взаиморасположением частиц вещества, имеющее однозначный, распознаваемый мотив.

В зависимости от вида частиц, расположенных в узлах решетки, различают: ионные (ИКР), атомные (АКР), молекулярные (МКР), металлические (Мет. КР), кристаллические решетки.

МКР – в узлах находится молекула. Примеры: лед, сероводород, аммиак, кислород, азот в твердом состоянии. Силы, действующие между молекулами, сравнительно слабые, поэтому вещества имеют малую твердость, низкие температуры кипения и плавления, плохую растворимость в воде. В обычных условиях это газы или жидкости (азот, пероксид водорода, твердый CO 2). Вещества с МКР относятся к диэлектрикам.

АКР- в узлах атомы. Примеры: бор, углерод (алмаз), кремний, германий. Атомы соединены прочными ковалентными связями, поэтому для веществ характерны высокие температуры кипения и плавления, высокая прочность и твердость. Большинство таких веществ не растворимо в воде.

ИКР – в узлах катионы и анионы. Примеры: NaCl, KF, LiBr. Такой тип решетки имеется у соединений с ионным типом связи (металл-неметалл). Вещества тугоплавкие, малолетучие, сравнительно прочные, хорошие проводники электрического тока, хорошо растворимы в воде.

Мет. КР – решетка веществ, состоящих только из атомов металла. Примеры: Na, K, Al, Zn, Pb и т.д. Агрегатное состояние твердое, нерастворимо в воде. Кроме щелочных и щелочно-земельных металлов, проводники электрического тока, температуры кипения и плавления колеблются от средних до очень высоких.

Вопрос 3. Задача. Для сжигания 70 г серы взяли 30 л кислорода. Определить объем и количество вещества, образовавшегося сернистого газа.

Дано: Найти:

m(S) = 70 г, V(SO 2) = ?

V(O 2) = 30 л. v(SO 2) = ?

Решение:

m=70 г V= 30 л x л

S + O 2 = SO 2 .

v: 1 моль 1 моль 1 моль

M: 32 г/моль — —

V: — 22,4 л 22, 4 л

V(O 2) теор. = 70 * 22,4/32 =49 л (O 2 в недостатке, расчет по нему).

Поскольку V(SO 2) = V(O 2), то V(SO 2) = 30 л.

v(SO 2) = 30/22,4 = 1,34 моль.

Ответ. V(SO 2) = 30 л, v = 1,34 моль.

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов (олигосахаридом) является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар).

Олигосахариды – это продукты конденсации двух или нескольких молекул моносахаридов.

Дисахариды – это углеводы, которые при нагревании с водой в присутствии минеральных кислот или под влиянием ферментов подвергаются гидролизу, расщепляясь на две молекулы моносахаридов.

Физические свойства и нахождение в природе

1. Она представляет собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса, хорошо растворима в воде.

2. Температура плавления сахарозы 160 °C.

3. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса – карамель.

4. Содержится во многих растениях: в соке березы, клена, в моркови, дыне, а также в сахарной свекле и сахарном тростнике.

Строение и химические свойства

1. Молекулярная формула сахарозы – С 12 Н 22 О 11

2. Сахароза имеет более сложное строение, чем глюкоза. Молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов (1→2)-гликозидной связью :

3. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов.

Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди (качественная реакция многоатомных спиртов).

Видео-опыт «Доказательство наличия гидроксильных групп в сахарозе»

4. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I).

5. Сахароза, в отличие от глюкозы, не является альдегидом. Сахароза, находясь в растворе, не вступает в реакцию «серебряного зеркала», так как не способна превращаться в открытую форму, содержащую альдегидную группу. Подобные дисахариды не способны окисляться (т.е. быть восстановителями) и называются невосстанавливающими сахарами.

Видео-опыт «Отсутствие восстанавливающейспособности сахарозы»

6. Сахароза является важнейшим из дисахаридов.

7. Она получается из сахарной свеклы (в ней содержится до 28 % сахарозы от сухого вещества) или из сахарного тростника.

Реакция сахарозы с водой.

Важное химическое свойство сахарозы – способность подвергаться гидролизу (при нагревании в присутствии ионов водорода). При этом из одной молекулы сахарозы образуется молекула глюкозы и молекула фруктозы:

С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О t , H 2 SO 4 → С 6 Н 12 O 6 + С 6 Н 12 O 6

Видео-опыт «Кислотный гидролиз сахарозы»

Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С 12 Н 22 О 11 , можно выделить мальтозу и лактозу.

При гидролизе различные дисахариды расщепляются на составляющие их моносахариды за счёт разрыва связей между ними (гликозидных связей ):

Таким образом, реакция гидролиза дисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов.

Применение сахарозы

· Продукт питания;

· В кондитерской промышленности;

· Получение искусственного мёда

Роль сахарозы в питании человека (Реферат), стр.2

В растительном мире широко распространена фруктоза или фруктовый (плодовый) сахар. Фруктоза содержится в сладких плодах, меде. Извлекая из цветов сладких плодов соки, пчелы приготавливают мед, который по химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Также фруктоза входит в состав сложных сахаров, например тростникового и свекловичного.

ГЛЮКОЗА — составная единица, из которой построены все важнейшие полисахариды — гликоген, крахмал и целлюлоза, также входит в состав сахарозы, лактозы и мальтозы. Она быстро всасывается в кровь из желудочно-кишечного тракта, а затем поступает в клетки органов, где вовлекается в процессы биологического окисления. Окисление глюкозы сопряжено с образованием значительных количеств АТФ. Глюкоза — наиболее легко и быстро усваиваемый источник энергии для человека. Для своего усвоения она требует инсулина. Роль глюкозы особенно велика для центральной нервной системы, где она является главным источником окисления. Она легко превращается в гликоген.

ФРУКТОЗА менее распространена, чем глюкоза, и также быстро окисляется. Часть фруктозы в печени превращается в глюкозу, но для своего усвоения она не требует инсулина. Этим обстоятельством, а также значительно более медленным всасыванием фруктозы сравнительно с глюкозой в кишечнике, объясняется лучшая переносимость ее больными сахарным диабетом.

Моносахариды — это твердые вещества, способные кристаллизоваться. Они гидроскопичны, очень легко растворимы в воде, легко образуют сиропы, из которых выделить их в кристаллическом виде бывает очень трудно.

Растворы моносахаридов имеют нейтральную на лакмус реакцию и обладают сладковатым вкусом. Сладость моносахаридов различна: фруктоза в 3 раза слаще глюкозы.

В спирте моносахариды растворяются плохо, а в эфире вообще не растворимы.

Моносахариды, важнейшие представители простых углеводов, в природе находятся как в свободном состоянии, так и в виде своих ангидридов — сложных углеводов.

Все сложные углеводы можно рассматривать как ангидриды простых сахаров, получающиеся путем отнятия одной или нескольких молекул воды от двух или более молекул моносахарида.

К сложным углеводам относятся разнообразные по своим свойствам вещества и их делят по этой причине на две подгруппы.

1.Сахароподобные сложные углеводы или олигосахариды. Эти вещества обладают рядом свойств, сближающими их с простыми углеводами. Сахароподобные углеводы легко растворимы в воде, сладки на вкус; эти сахара легко получаются в виде кристаллов.

При гидролизе сахароподобных полисахаридов из каждой молекулы полисахарида образуется небольшое количество молекул простого сахара — обычно 2, 3, или 4 молекулы. Отсюда произошло второе название сахароподобных полисахаридов — олигосахариды (от греческого олигос — немногий).

В зависимости от числа молекул моносахаридов, которые образуются при гидролизе каждой молекулы олигосахаридов, последние делятся на дисахариды, трисахариды и т.д.

Дисахариды — это сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на 2 молекулы моносахарида.

Способы синтеза дисахаридов известны, но практически их получают из природных источников.

Важнейший из дисахаридов — сахароза — очень распространен в природе. Это химическое название обычного сахара, называемого тростниковым или свекловичным.

Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о.Куба и в других странах Центральной Америки).

В середине 18 века дисахарид был обнаружен и в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях.

В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы).

Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных «сахарных голов», которые раскалывают или распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка.

Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовления порошков, сиропов, микстур и т.д.

Свекловичный сахар широко применяется в пищевой промышленности, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ — в организме животных обнаружены все виды углеводов (моно, олиго и полисахариды). Они выполняют ряд важных биологических функций.

  • 1. Энергетическая. Углеводы являются основным поставщиком энергии в организме, в том числе почти единственным источником энергии для деятельности головного мозга. Эту функцию выполняют моносахариды (глюкоза, фруктоза и др.).
  • 2. Пластическая. Углеводы участвуют в синтезе сложных ферментов, белков, входят в состав клеточных мембран, участвуют в построении клеток опорно-двигательного аппарата (это гетерополисахариды, глюкозамин, гексоуроновые кислоты, хондроэтинсерная кислота), синтезе нуклеиновых кислот (рибозы).
  • 3. Защитная. Углеводы входят в состав слизи, различных веществ, секретируемых железами, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ из организма (глюкоуроновая кислота).
  • 4. Депонирующая. Углеводы являются запасными питательными веществами, откладываясь в печени в виде гликогена, который при голодании распадается до глюкозы.
  • 5. Специфическая (сигнальная). Некоторые углеводы, связанные с белками, определяют групповую специфичность крови.

В растительных кормах углеводы более всего представлены крахмалом, клетчаткой, сахарозой, лактозой. А в животных — гликогеном, другими животными полисахаридами.

Из моносахаров углеводы рационов представлены — глюкозой, маннозой (в целлюлезах), галактозой (в лактозе) и фруктозой (в сахарозе). У травоядных количество углеводов в рационах полностью покрывает энергетические затраты организма, а плотоядных животных часть энергетических затрат покрывается за счет жиров и аминокислот.

Деполимеризация частично углеводов происходит в полости рта, где они подвергаются главным образом действию а-амилазы слюны и более полно в тонком кишечнике. Образовавшиеся моносахариды всасываются через стенку тонкого кишечника в кровь. Всасывание моносахаридов происходит с неодинаковой скоростью, и этот процесс является физиологически активным и энергозависимым. Скорость всасывания галактозы выше, чем глюкозы и фруктозы. Пентозы всасываются еще медленнее. Следует заметить, что в крови находится главным образом глюкоза и небольшое количество других моносахаридов. Около 65% всосавшейся глюкозы поступает к органам и тканям, в первую очередь к клеткам ЦНС, кишечника, мышц, почек. Поступая по воротной вене в печень, глюкоза превращается в гликоген. Способность печени поглощать глюкозу и синтезировать из нее гликоген, а затем расщеплять его до глюкозы носит название гликогенной функции печени.

Глюкоза, поступающая из крови в органы и ткани, подвергается в них различным превращениям, приводящим к ее распаду с освобождением потенциальной энергии. Химическое превращение глюкозы, начиная с процесса ее фосфорилирования и кончая образованием конечных продуктов распада: углекислого газа и воды, носит название тканевого (внутриклеточного), или промежуточного обмена углеводов.

Расщепление глюкозы в тканях может протекать двумя путями: анаэробным (без участия кислорода) и аэробным (в присутствии кислорода, при условии достаточного насыщения им тканей). Промежуточный обмен углеводов.

Анаэробный путь расщепления глюкозы носит название гликолиза. Если же начальным продуктом анаэробного распада углеводов является гликоген, то говорят о процессе гликогенолиза. Это короткий ферментативный путь расщепления глюкозы до пировиноградной и молочной кислот. Энергетически он малоэффективен, имеет большое значение в органах, функционирующих в условиях гипоксии.

Аэробный путь распада углеводов является наиболее важным в энергетическом отношении. Установлены 2 основных механизма аэробного расщепления глюкозы: непрямой и прямой.

Непрямой путь расщепления глюкозы преобладает. Это так называемый цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса. В цикле Кребса происходит полное расщепление молекулы глюкозы до углекислого газа и воды и выделяется 38 молекул АТФ. Это есть основной путь пополнения энергии в организме.

И аэробное, и анаэробное расщепление углеводов протекает на определенных этапах при участии одних и тех же ферментов: киназ, фосфатаз, дегидрогеназ и т. д. Отличительная особенность обмена углеводов при их аэробном распаде заключается в том, что в присутствии кислорода конечный продукт анаэробного распада — молочная кислота — подвергается дальнейшим превращениям. С помощью фермента лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется до пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота занимает одно из центральных мест в обмене углеводов. Она участвует в многочисленных реакциях, важных для процессов тканевого обмена веществ. Пировиноградная кислота подвергается аэробному декарбоксилированию с образованием двууглеродного остатка (ацетил), который при участии ко-энзима А (КоА) в виде ацетил-КоА передается щавелево-уксусной кислоте — первому продукту цикла Кребса.

Следует особенно отметить, что на уровне образования ацетилкоэнзима А возможен переход различных видов обмена веществ друг в друга. Поэтому цикл Кребса является универсальным метаболическим механизмом, свойственным не одному только углеводному обмену. Он совершается в большинстве тканей, но особенно выражен в печени и почках.

Прямой путь окисления глюкозы — пентозофосфатньй. Он состоит из 6 повторяющихся циклов последовательного отщепления от молекулы глюкозы каждого из входящих в ее состав углеродных атомов, с образованием в каждом отдельном цикле молекул углекислого газа и воды. В ходе прямого окисления глюкозы в организме образуются моносахариды — пентозы, которые используются в синтезе нуклеиновых кислот, и восстановленного НАД. Энергетическая эффективность окисления глюкозы в пентозофосфатном цикле почти не отличается от таковой в цикле трикарбоновых кислот: образуется 36 молекул АТФ. Особенно важно, что образовавшийся НАДФ используется для различных восстановительных синтезов.


 

вопросов и ответов о фруктозе — Food Insight

Что такое фруктоза?

Фруктоза — это моносахарид или отдельный сахар, имеющий ту же химическую формулу, что и глюкоза, но другую молекулярную структуру. Фруктоза, которую иногда называют фруктовым сахаром, содержится во фруктах, некоторых овощах, меде и других растениях. Фруктоза и другие сахара — это углеводы, важный источник энергии для организма.

Какие еще виды сахара существуют?

Пища содержит различные сахара, называемые моносахаридами (отдельные сахарные единицы, такие как фруктоза и глюкоза) и дисахариды (два моносахарида, связанные вместе).Глюкоза является основным источником энергии для организма, потому что большинство сложных сахаров и углеводов расщепляются на глюкозу во время пищеварения. Крахмал содержит много отдельных сахарных единиц, связанных вместе. Различные сахара выполняют в организме разные функции, но все они могут обеспечивать энергию.

Сахароза — это дисахарид, содержащий равные части глюкозы и фруктозы. Сахароза, известная как столовый или белый сахар, естественным образом содержится в сахарном тростнике и сахарной свекле. К другим сахарам в пищевых продуктах и ​​напитках относятся:

0

Лактоза

Дисахарид, содержащий глюкозу и галактозу

Встречающийся в естественном виде в молоке

9000cha3 Мальтоза 25 9000 глюкозы

Кристаллизовано из крахмала

Декстроза

Другое название глюкозы

Кристаллизовано из сахарного тростника, сахарной свеклы и крахмала

В первую очередь единичные единицы глюкозы

Произведено из кукурузного крахмала

Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы

Преимущественно смесь единичных единиц глюкозы и фруктозы

Произведено из м кукурузный крахмал

Безопасна ли фруктоза?

Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы и все другие сахара «в целом признаны безопасными» Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).

Отчет главного хирурга о питании и здоровье, доклад Национальной академии наук «Диета и здоровье и здоровые люди 2000: национальные цели по укреплению здоровья и профилактике заболеваний» Министерства здравоохранения и социальных служб США подтверждают этот вывод.

В научном заявлении 2002 года о сахаре и сердечно-сосудистых заболеваниях Американская кардиологическая ассоциация пришла к выводу, что для большинства людей употребление фруктозы в чистом виде или в форме сахарозы не имеет ни положительных, ни отрицательных эффектов.

Каковы различия в способах метаболизма глюкозы и фруктозы в организме?

Хотя обычно потребляемые сахара содержат примерно одинаковое количество калорий, они метаболизируются и используются организмом по-разному. Например, глюкоза из пищевых источников переваривается, всасывается, транспортируется в печень и выбрасывается в общий кровоток. Многие ткани забирают глюкозу из крови для использования в энергии; для этого процесса требуется инсулин.Фруктоза преимущественно метаболизируется в печени, но, в отличие от глюкозы, для ее использования организмом не требуется инсулин.

Вызывает ли фруктоза диабет?

Диабет — это заболевание, влияющее на то, как организм вырабатывает и использует инсулин, и как он обрабатывает глюкозу в крови. Инсулин необходим для транспорта глюкозы в клетки. Люди с диабетом I типа не вырабатывают инсулин, тогда как люди с диабетом II типа либо не вырабатывают достаточно инсулина, либо не могут эффективно использовать инсулин, производимый их организмом.Такие факторы, как избыточный вес и ожирение, недостаток физической активности и генетическая предрасположенность, увеличивают риск развития диабета II типа.
Люди с диабетом должны обращать внимание на количество всех потребляемых углеводов — сахаров и крахмалов.

Поскольку фруктоза не увеличивает уровень глюкозы в крови и не требует инсулина, люди с диабетом часто переносят ее лучше, чем другие сахара. Фактически, исследования показывают, что небольшое количество фруктозы может улучшить гликемический контроль у людей с диабетом.

Вызывает ли фруктоза ожирение?

Избыточный жир в организме возникает, когда люди не уравновешивают количество потребляемой энергии (калорий) с выработкой энергии. Дополнительные калории могут поступать из любых калорийных питательных веществ — белков, жиров, алкоголя и углеводов, включая крахмалы и сахара, такие как фруктоза. Недостаток физической активности играет важную роль в накоплении жира в организме и развитии ожирения.

Некоторые исследователи предположили, что фруктоза может не обеспечивать такое насыщение (вызывать чувство сытости), как другие углеводы, потому что она не стимулирует секрецию инсулина и лептина и не подавляет выработку грелина — всех гормонов, которые помогают регулировать голод и прием пищи.Тем не менее, важно отметить, что это предположение основано на предварительных исследованиях, в которых было проверено, что уровень фруктозы, по крайней мере, в три-четыре раза выше, чем среднее количество, потребляемое американцами. Кроме того, очень немногие американцы когда-либо потребляют фруктозу отдельно, а скорее в сочетании с глюкозой.

Как насчет увеличения употребления HFCS за последние 20 лет и роста показателей ожирения; это причина и следствие?

Нет никаких научных доказательств причинно-следственной связи в отношении потребления HFCS, а не других сахаров, таких как сахароза, в отношении показателей ожирения.Некоторые исследования показывают, что мы потребляем больше калорий, но дисбаланс потребляемых и расходуемых калорий является причиной увеличения веса — мы потребляем больше калорий, чем нам нужно.

Гипотезы, предполагающие рост ожирения, возникли в то же время, когда возросшее использование HFCS в продуктах питания и напитках являются корреляциями: два одновременно происходящих события и вопрос, могут ли быть причины и следствия. Это может показаться вероятной цепочкой событий, но не обязательно показывает причину и следствие; другие события, которые не были учтены, могут быть столь же важны для рассмотрения.Многие факторы изменились с 1970-х годов, в том числе уровни активности.

Есть ли разница между потреблением калорий и потреблением калорий?

Продолжаются споры о том, есть ли разница между тем, как организм обрабатывает жидкие и твердые калории. Исследования, посвященные этому вопросу, не повторяют друг друга. Некоторые исследования показывают, что уровень сытости при потреблении калорий в жидкой форме такой же, как и при употреблении в твердой форме.Другие исследования показывают, что степень насыщения зависит от источника калорий (напиток или еда). Чтобы ответить на этот вопрос, необходимы дополнительные исследования.

Вызывает ли фруктоза синдром инсулинорезистентности?

Инсулинорезистентность — это состояние, при котором организм не может эффективно использовать вырабатываемый им инсулин. Организм компенсирует это за счет производства большего количества инсулина, чтобы поддерживать нормальный уровень глюкозы в крови. Инсулинорезистентность, наряду с ожирением, гипертонией и нарушениями липидного обмена крови, является частью метаболического синдрома.Инсулинорезистентность иногда приводит к диабету II типа и сердечным заболеваниям.

Хотя экспериментальные животные, получавшие очень большие количества фруктозы, развили инсулинорезистентность, исследования кормления на людях никогда не демонстрировали этот эффект. Считается, что основными факторами развития инсулинорезистентности являются избыток жира в организме, недостаток физической активности и генетическая предрасположенность, а не потребление фруктозы.

Как фруктоза влияет на триглицериды в организме?

Триглицерид — это технический термин, обозначающий жир, который содержится в пище и в организме.Как пищевые жиры, так и углеводы способствуют образованию триглицеридов в организме, но по-разному. Избыточное потребление калорий из жиров, белков или углеводов, включая крахмалы и сахара, способствует накоплению жира в организме.

Исследования на людях показали противоречивые эффекты сахарозы и фруктозы на триглицериды в кровотоке. Различные эффекты могут быть связаны с такими факторами, как количество потребляемой фруктозы; статус массы тела; и исходные уровни триглицеридов, инсулина и глюкозы в крови.Повышение уровня триглицеридов в крови наблюдалось в основном у лиц, ведущих сидячий образ жизни с избыточным весом и ожирения, а также при использовании тестовых диет с высоким содержанием фруктозы и общих углеводов и низким содержанием пищевых волокон и жиров. Некоторые исследования показывают, что хроническое повышение уровня триглицеридов в кровотоке может увеличить риск инсулинорезистентности и ишемической болезни сердца.

Какие продукты и напитки содержат фруктозу?

Природные источники фруктозы включают фрукты, некоторые овощи, мед, сахарный тростник и сахарную свеклу.Поскольку фруктоза входит в состав подсластителей, таких как сахароза и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, фруктоза присутствует в различных количествах в широком спектре подслащенных пищевых продуктов и напитков.

Что такое кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы?

Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (HFCS) — жидкий подсластитель, используемый в производстве продуктов питания и напитков. В конце 1960-х годов ученые разработали ферментативный процесс, который превращает декстрозу (глюкозу) из кукурузного крахмала в смесь фруктозы и глюкозы.Наиболее распространенной формой (70% в пищевых продуктах) является HFCS-55, который содержит 55% фруктозы и 45% глюкозы. Для сравнения, сахароза содержит 50% фруктозы и 50% глюкозы. HFCS-55 и сахароза имеют одинаковую интенсивность сладости.

Какие продукты и напитки содержат кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы?

HFCS присутствует во многих продуктах, включая безалкогольные напитки, морсы, спортивные напитки, выпечку, конфеты, джемы, йогурты, приправы, консервированные и упакованные продукты и другие подслащенные пищевые продукты.

Почему кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы содержится во многих продуктах?

HFCS — полезный ингредиент из-за его сладости и способности смешиваться с другими ингредиентами пищевых продуктов и напитков. Когда методы производства HFCS улучшились, компании по производству продуктов питания и напитков заменили другие подсластители на HFCS.

Служба экономических исследований Министерства сельского хозяйства США отслеживает количество калорийных подсластителей в пищевых продуктах, измеряемое на душу населения, с 1966 года. Рафинированный сахар (сахароза) является преимущественно используемым подсластителем, но часть его использования со временем была заменена на HFCS.В США поставки на душу населения в 1966 году составляли 97,3 фунта для рафинированного сахара и ноль для HFCS. В 2010 году поставки на душу населения составили 66,0 фунтов для сахара-рафинада и 48,9 фунтов для HFCS. 1 Общие поставки всех калорийных подсластителей увеличились на 17% с 1966 по 2010 год. Однако в период с 1999 по 2010 год общие поставки всех калорийных подсластителей снизились на 13%. Поставки подсластителей на душу населения переработчиками и переработчиками США и импорт для прямого потребления производителям продуктов питания, розничным торговцам и другим конечным пользователям представляют собой предложение калорийных подсластителей на душу населения.Фактическое потребление калорийных подсластителей ниже из-за несъеденной пищи, порчи и других потерь.

Сколько фруктозы я должен потреблять в день?

Нет никаких особых диетических требований или рекомендаций относительно фруктозы. Институт медицины Национальной академии наук (IOM) рекомендует, чтобы общее потребление углеводов составляло от 45 до 65% от калорийности. Большинство углеводов должно поступать из фруктов и фруктовых соков, овощей, цельного зерна, бобовых и молочных продуктов или других богатых источников кальция.

МОМ также обнаружила, что диеты с более чем 25% калорийности добавленных сахаров были связаны со значительным снижением уровней основных питательных веществ (например, кальция, магния и цинка) в некоторых группах населения. Добавленные сахара — это сахара и сиропы, добавляемые в пищу во время обработки или приготовления. IOM не рекомендовал идеальный уровень потребления добавленного сахара.

В Руководстве по питанию для американцев 2010 г. № рекомендуется снизить потребление калорий из добавленных сахаров.Поскольку фруктоза входит в состав большинства добавленных сахаров, уменьшение количества добавленных сахаров в рационе автоматически снижает потребление фруктозы. Добавленные сахара не включают фруктозу, содержащуюся в натуральных фруктах и ​​овощах, которая покрывается уровнями потребления, рекомендованными Диетическими рекомендациями, которые варьируются в зависимости от возраста, пола и уровня физической активности. Для получения дополнительной информации о рекомендуемом потреблении фруктов и овощей щелкните здесь.

Все сахара, включая фруктозу, могут быть включены в здоровую диету, если их употреблять в умеренных количествах.


1 Служба экономических исследований, USDA. Экономика продуктов питания, сельского хозяйства, природных ресурсов и сельских районов Америки. Таблица 50: Количество калорийных подсластителей в США на душу населения для домашнего употребления в пищу и напитки по календарным годам. 25.07.2011.

Фруктоза — Chemistry LibreTexts

Фруктоза чаще встречается вместе с глюкозой и сахарозой в меде и фруктовых соках. Фруктоза, наряду с глюкозой, являются моносахаридами, содержащимися в дисахариде, сахарозе.Фруктоза классифицируется как моносахарид, наиболее важный кетозный сахар , гексоза и является редуцирующим сахаром.

Введение

Более старое общее название фруктозы — левулоза, в честь ее левовращающего свойства — вращения плоско-поляризованного света влево (в отличие от глюкозы, которая является правовращающей). Пчелы собирают нектар с цветов, содержащих сахарозу. Затем они используют фермент для гидролиза или расщепления сахарозы на составные части глюкозы и фруктозы.Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы

Кольцевая структура для фруктозы

Стуловая форма фруктозы следует той же схеме, что и глюкоза, за некоторыми исключениями. Поскольку фруктоза имеет кетонную функциональную группу, замыкание цикла происходит на атоме углерода №2. В случае фруктозы образуется пятичленное кольцо. -ОН на углероде №5 превращается в эфирную связь, чтобы замкнуть кольцо с углеродом №2. Получается 5-членное кольцо — четыре атома углерода и один кислород.

Шаги замыкания кольца (гемикетальный синтез)

  1. Электроны на кислороде спирта используются для связывания углерода №2 с образованием эфира (красного атома кислорода).
  2. Водород (зеленый) передается карбонильному кислороду (зеленый), образуя новую спиртовую группу (зеленый).

Кольцевая структура написана с ориентацией, изображенной слева для моносахарида, и согласуется с тем, как изображена глюкоза.

Hemiketal Functional Group

Аномерный углерод является центром полукетальной функциональной группы. Углерод, который имеет как эфирный кислород, так и спиртовую группу (и присоединен к двум другим атомам углерода, является полукеталем.

Сравните альфа- и бета-фруктоза

Позиция Beta определяется как -OH, находящаяся на той же стороне кольца, что и C # 6. В кольцевой структуре это приводит к проекции вверх для -OH на углероде №2. Alpha позиция определяется как -OH, находящаяся на противоположной стороне кольца, как C # 6. В кольцевой структуре это приводит к нисходящей проекции для -OH на углероде # 2. Альфа- и бета-метки не являются применяется к любому другому углероду — только к аномальному углероду, в данном случае №2.

Рисунок: Сравните альфа- и бета-фруктозу

Сравните глюкозу и фруктозу в структурах кресла

Шестичленное кольцо и положение группы -ОН на атоме углерода (# 4) идентифицируют глюкозу от -ОН на C # 4 в нисходящей проекции в структуре Хаворта). Фруктоза распознается по пятичленному кольцу и шести атомам углерода, гексозе. И глюкоза, и фруктоза могут быть альфа или бета на аномерном атоме углерода, поэтому между ними нет различий.

Проблемы

Какой углерод в структуре на Рисунке 2 является аномерным углеродом?

Биология | Бесплатный полнотекстовый | Органический метаболизм фруктозы в здоровье и безалкогольные жировые заболевания печени

1. Введение

Технические прорывы в пищевой промышленности во многих отношениях повлияли на наши диеты за последнее столетие. Это совпало с резким увеличением случаев метаболических и сердечно-сосудистых заболеваний.Одним из наиболее заметных изменений является резко возросшее потребление фруктозы с пищей в виде сахара и кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS), особенно в жидкой форме, такой как безалкогольные напитки. Фруктоза богата натуральными продуктами, включая фрукты, мед и овощи, которые считаются полезными для здоровья. Исторически фруктозу очищали из сахарного тростника или сахарной свеклы и использовали в качестве подсластителя для различных напитков (например, британского черного чая), но ее высокая цена позволяла употреблять ее только богатыми. Однако из-за технологического развития, сделавшего возможным массовое производство фруктозы из кукурузы с помощью ферментативной реакции (глюкозоизомераза, превращающая глюкозу во фруктозу), цены на HFCS и сахар резко упали.Кроме того, прошлые исследования, которые были сосредоточены на выявлении пагубного воздействия жира и холестерина на сердечно-сосудистые заболевания, побудили людей снизить потребление жира и холестерина, но, по иронии судьбы, эта тенденция увеличила количество фруктозы в обработанных пищевых продуктах в качестве замены жира (например, нежирные йогурты содержат большое количество фруктозы). Исследования кормления животных и эпидемиологические данные показали, что существует причинная связь между потреблением фруктозы и ожирением, диабетом 2 типа, неалкогольной жировой болезнью печени (НАЖБП) и сердечно-сосудистыми заболеваниями.Многие замечательные обзоры, написанные другими людьми, описывают метаболизм фруктозы на клеточном уровне и механистическую регуляцию ферментов, связанных с фруктозой. Поэтому в этом обзоре мы сосредоточимся на метаболизме фруктозы на уровне организма, включая роль различных катаболизирующих фруктозу органов и микробиоты кишечника в здоровье и болезнях, особенно НАЖБП. Наконец, мы обсудим терапевтические стратегии лечения НАЖБП, вызванной фруктозой.

2. Абсорбция и метаболизм фруктозы в кишечнике

Фруктоза может синтезироваться в организме эндогенно через полиоловый путь, в то время как большая часть фруктозы поступает с пищей [1].Потребление фруктозы с пищей заметно увеличилось за последнее столетие и в настоящее время достигло почти 20% от общего потребления углеводов. Несмотря на то, что у глюкозы точно такая же молекулярная формула (C 6 H 12 O 6 ), фруктоза требует очень разных переносчиков для кишечной абсорбции: Glut5 и Glut2 (Рисунок 1) [2,3,4]. Важность этих переносчиков была продемонстрирована генетически модифицированными мышами и редкими наследственными мутациями, обнаруженными у людей. Glut2, который экспрессируется в кишечнике, печени и почках, был впервые идентифицирован как переносчик фруктозы [5].Позже было показано, что Glut2 расположен на базолатеральной стороне кишечных эпителиальных клеток и тем самым опосредует транспорт внутриклеточной фруктозы в кровоток [4]. Важно отметить, что мыши с нокаутом Glut2 демонстрируют лишь незначительное снижение абсорбции фруктозы [4], что указывает на возможное существование другого переносчика фруктозы. Glut5 наиболее сильно экспрессируется в тонком кишечнике и почках, но почти не экспрессируется в других органах, включая печень. Glut5 расположен на апикальной стороне эпителиальных клеток кишечника и обеспечивает активный транспорт фруктозы из просвета кишечника в эпителиальные клетки [2].Мыши с нокаутом Glut5 выживают без каких-либо дефектов при типичных диетах, но они обнаруживают летальный фенотип при кормлении фруктозой [2]. Эта тяжелая непереносимость фруктозы сопровождается вздутием толстой кишки из-за неабсорбированной фруктозы и задержки жидкости. Эти фенотипы напоминают симптомы у пациентов с наследственной непереносимостью фруктозы, хотя симптомы этих пациентов связаны с дефицитом альдолазы B, а не с мутацией GLUT5 [6]. Очевидно, что существует взаимосвязь между абсорбцией фруктозы в кишечнике и нарушением регуляции метаболизма.У детей с НАЖБП более высокий уровень всасывания фруктозы и более низкий уровень фруктозы в сыворотке, чем у их худых сверстников [7]. У мышей дефицит GLUT5 вызывает стеатоз печени в дополнение к вздутию кишечника и задержке жидкости [8]. Неабсорбированная фруктоза в кишечнике может увеличить проницаемость кишечника за счет индукции эпителиального стресса и разрушения барьера. Облегчение этих симптомов лечением антибиотиками предполагает роль микробного дисбиоза, вызванного фруктозой, в стеатозе печени [9].В поддержку этой модели были обнаружены повышенные уровни провоспалительных цитокинов, таких как TNFα и эндотоксины, в портальной крови [9,10]. Этот микробный эндотоксин, достигающий печени, участвует в накоплении триглицеридов в печени и воспалении, которые являются основными симптомами НАЖБП [10]. Фруктоза внутри кишечных эпителиальных клеток может иметь другую важную судьбу: вместо того, чтобы попадать в портальную циркуляцию, она может катаболизироваться посредством кетогексокиназа (KHK) в эпителиальных клетках кишечника, которая фосфорилирует фруктозу до фруктозо-1-фосфата (F1P) [11,12,13,14,15].KHK имеет два варианта сплайсинга — KHK-C и KHK-A, из которых первый сильно экспрессируется в печени, тонком кишечнике, поджелудочной железе и почках [12,16]. KHK-A более широко экспрессируется во многих тканях [12,16]. KHK-C имеет сродство к фруктозе, которое в десять раз больше, чем KHK-A, что делает его важнейшим элементом в процессе фруктолиза [12]. До сих пор не сообщалось о KHK-C-специфичных мышах с нокаутом всего тела, но у мышей с двойным нокаутом KHK-C / A обнаруживалось полностью притупление метаболизма фруктозы с выведением большей части фруктозы с мочой [16].С другой стороны, мыши с нокаутом KHK-A не проявляли этот фенотип из-за интактного KHK-C. Следовательно, на основании его высокого Km и отсутствия явного нокаутного фенотипа предполагается, что KHK-A может иметь субстраты, отличные от фруктозы [17]. Однако, учитывая, что KHK-C-специфические мыши с нокаутом показали снижение катаболизма фруктозы в кишечнике только на 50% [13], KHK-A, по-видимому, играет важную роль в катаболизме фруктозы, по крайней мере, в кишечнике, где концентрация фруктозы выше, чем у KHK-A Km.Фактически, кишечно-специфичные мыши с двойным нокаутом KHK-C / A демонстрировали полностью притупленный катаболизм фруктозы в кишечнике [14]. Как регулируется метаболизм фруктозы в кишечнике? Мавриас и др. продемонстрировали повышенную экспрессию KHK в кишечнике у крыс в течение 3 дней после первоначального воздействия фруктозы [15]. Патель и др. использовали мышей с нокаутом KHK-C / A или мышей с нокаутом Glut5, чтобы доказать, что кишечная абсорбция фруктозы и катаболизм важны для индукции в кишечнике катаболических генов фруктозы (альдолаза B и триокиназа) и глюконеогенных генов (фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза) [2].Кроме того, Kim et al. Доказано, что эта регуляция транскрипции фруктозой опосредуется фактором транскрипции, белком, связывающим элемент углеводного ответа (ChREBP), путем создания кишечно-специфичных мышей с нокаутом ChREBP [18]. Эти мыши демонстрировали полностью подавленную экспрессию Glut5, KHK и других фруктолитических и глюконеогенных ферментов даже после хронического кормления фруктозой. По сравнению с KHK, нижестоящие ферменты, специфичные для катаболизма фруктозы, менее изучены на уровне организма.Альдолаза B отвечает за расщепление F1P с образованием глицеральдегида и дигидроксиацетонфосфата (рис. 1) [19]. Затем триокиназа превращает глицеральдегид в глицеральдид-3-фосфат [20], который вступает в гликолиз. Подобно мышам с нокаутом Glut5, мыши с нокаутом по альдолазе B проявляют летальный фенотип при кормлении фруктозой с тяжелым накоплением жира в печени и фиброзом, который фенокопирует наследственную непереносимость фруктозы у людей с мутациями альдолазы B [21]. После кормления фруктозой у этих мышей обнаружился высокий уровень накопления F1P в печени, что подтверждает, что альдолаза B является единственным ферментом, необходимым для деградации F1P.Важно отметить, что в отличие от мышей с нокаутом Glut 5 или ChREBP, которые, вероятно, умирают из-за расширения кишечника, летальность и патологические фенотипы мышей с нокаутом по альдолазе B в значительной степени устраняются за счет блокирования активности KHK [22]. Это указывает на то, что накопление F1P является основной причиной вредных фенотипов. Таким образом, это исследование дало важную информацию о потенциале лечения пациентов с мутацией альдолазы B ингибиторами KHK, которые в настоящее время проходят клинические испытания. Однако обобщение от животных к человеческим моделям может служить неэффективным предсказателем токсичности и дозировки.Следует учитывать потенциальные нецелевые эффекты и фармакокинетику, измененную генетической изменчивостью [23]. Чтобы полностью понять патофизиологические роли метаболизма фруктозы в кишечнике, необходимы дополнительные исследования на мышах, специфичных для кишечника, с нокаутом альдолазы B, триокиназы или других ферментов, связанных с фруктозой. Несколько важных вопросов остаются без ответа. До сих пор остается спорным, какой (ые) метаболит (ы) фруктозы ответственен за активацию ChREBP в кишечнике. Кроме того, существует потребность в дальнейших исследованиях относительно того, какая метаболическая стадия (-ы) регулирует количество фруктозы для транспорта по сравнению с количеством для катаболизма.Один намек на то, что KHK контролирует этот процесс, был получен от кишечно-специфичных KHK-C с нокаутом или трансгенных мышей, которые показали увеличенный или уменьшенный транспорт фруктозы в портальную циркуляцию [13,14]. Однако, поскольку кишечная делеция KHK-C также снижает всасывание фруктозы, интерпретацию данных следует проводить с осторожностью. Наконец, крайне важно определить, в какой степени результаты на животных моделях отражают метаболизм фруктозы у людей.

3. Метаболизм фруктозы в печени и НАЖБП

Эксперименты по кормлению фруктозой на грызунах неизменно указывали на то, что хроническое потребление фруктозы в высоких дозах вызывает гиперлипидемию, инсулинорезистентность и НАЖБП.Однако метаанализ эпидемиологических исследований на людях дал неоднозначные результаты из-за различных генетических факторов и факторов окружающей среды [24,25,26,27,28,29,30,31]. Одним из спорных моментов является то, как источник фруктозы по-разному влияет на метаболические последствия. Несколько групп исследовали влияние естественной фруктозы, содержащейся во фруктах и ​​овощах, на НАЖБП. Tajima et al. проанализировали диетический опросник 977 мужчин и 1467 женщин в возрасте от 40 до 69 лет и обнаружили, что потребление фруктов, но не овощей, обратно коррелирует с НАЖБП [32].Однако после корректировки результатов по индексу массы тела (ИМТ) эта корреляция исчезла. Возможно, что фрукты или овощи потенциально могут блокировать последствия высокого содержания фруктозы из-за их химического состава, который включает минералы, антиоксиданты, полифенолы и витамины [33]. Однако это предположение еще не было экспериментально изучено. Возник еще один спор о том, как чрезмерное потребление фруктозы вызывает НАЖБП. Одна из теорий предполагает, что фруктоза вызывает ожирение и инсулинорезистентность, обеспечивая большое количество калорий, тем самым вызывая НАЖБП [31,34].В этом отношении фруктоза не является чем-то особенным, но похожа на глюкозу как высокоэнергетический углевод. Johnston et al. предоставили здоровым мужчинам с избыточным весом диету с высоким содержанием фруктозы или глюкозы перед исследованием триглицеридов в сыворотке крови и печени [34]. Каждому из субъектов была назначена диета либо с высоким содержанием фруктозы, либо с высоким содержанием глюкозы, а затем использовалась запланированная диета: изокалорийная растяжка в течение 2 недель; растяжка вымывания 6 недель; а затем гиперкалорийная растяжка в течение 2 недель. Обе группы не показали статистически значимого увеличения уровней триглицеридов в сыворотке или печени во время изокалорийного растяжения.Однако обе группы показали увеличение массы тела и уровня триглицеридов в печени во время гиперкалорийной растяжки. В исследовании сделан вывод об отсутствии разницы между фруктозой и глюкозой в индукции НАЖБП. Данные свидетельствуют о том, что просто перекорм макроэлементами привел к увеличению веса и увеличению накопления жира в печени. Однако конкурирующая теория утверждает, что фруктоза уникальна, потому что она индуцирует липогенные гены печени гораздо сильнее, чем глюкоза. Действительно, кормление мышей с высоким содержанием фруктозы (30% (вес / объем) фруктозы в питьевой воде или 30% фруктозы или 60% сахарозы (% ккал) в корме) приводило к более тяжелым фенотипам НАЖБП по сравнению с изокалорийным кормом с высоким содержанием глюкозы [ 35,36,37].Объяснение этой разницы основано на представлении о том, что метаболизм глюкозы и фруктозы сильно различается [38,39,40]. После того, как глюкоза абсорбируется тонким кишечником, она в основном проходит мимо печени и распределяется по всему телу, включая органы, которые активно поглощают глюкозу (например, скелетные мышцы, жировая ткань и мозг). С другой стороны, фруктоза, попадающая в печень, почти полностью усваивается печенью, и поэтому фруктоза почти не достигает других органов. Это различие в распределении органов связано с различными механизмами регуляции между гликолизом и фруктолизом.В отличие от гликолиза, который аллостерически регулируется на стадии фосфофруктокиназ (PFKs), фруктолиз обходит эту критическую стадию регуляции [11,12]. Следовательно, быстрый катаболизм фруктозы в гепатоцитах индуцирует ChREBP-зависимую транскрипционную активацию липогенных ферментов. Кроме того, эффективное всасывание глюкозы в кишечнике предотвращает попадание глюкозы в толстый кишечник. Однако фруктоза легко это делает, и микробиота кишечника преобразует эту фруктозу в различные метаболиты, включая ацетат, который поддерживает липогенез печени без явной регуляции [41].Роль микробиоты в липогенезе печени и НАЖБП, вызванном фруктозой, будет дополнительно обсуждаться в следующем разделе. Таким образом, фундаментальное различие в использовании глюкозы и фруктозы в организме указывает на то, что фруктоза особенно токсична для печени. Кроме того, фруктоза оказывает на печень другие специфические эффекты по сравнению с глюкозой. Из-за быстрого катаболизма фруктозы в печени за счет KHK-опосредованного фосфорилирования, это может истощать АТФ и впоследствии индуцировать АМФ-дезаминазу (AMPD) -зависимый путь деградации пуринов [42,43,44].Это приводит к увеличению продукции мочевой кислоты [42]. Следовательно, большое количество мочевой кислоты в гепатоцитах активирует митохондриальный окислительный стресс, который, в свою очередь, приводит к синтезу жирных кислот [44]. Поскольку этот путь был изучен в культивируемых гепатоцитах с надфизиологическими концентрациями фруктозы, будет важно подтвердить этот вывод in vivo. Тем не менее, высокое потребление фруктозы связано с гиперурикемией у людей, которая также тесно связана с NALFD [45]. Однако орган-источник этой циркулирующей мочевой кислоты до сих пор неизвестен.Более того, причинно-следственная связь между повышенным содержанием мочевой кислоты и НАЖБП неясна. Изучение этого пути у грызунов затруднено, потому что у грызунов есть функциональный фермент уриказа, который разлагает мочевую кислоту, тогда как люди потеряли этот фермент в ходе эволюции [46]. Учитывая, что у грызунов развивается НАЖБП после кормления с высоким содержанием фруктозы, несмотря на то, что они эффективно выводят мочевую кислоту, причинно-следственная связь между гиперурикемией и НАЖБП требует дальнейшего изучения. Более того, у мышей с нокаутом уратоксидазы (кодирующей уриказу) не развивается НАЖБП, хотя у них развивается гиперурикемия [47].Следовательно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять связь между гиперурикемией и НАЖБП. Также вероятно, что хроническое воздействие фруктозы активирует различные другие печеночные пути, вызывающие НАЖБП, такие как накопление в печени свободного холестерина [48]. Однако влияние фруктозы на синтез холестерина до сих пор остается спорным [49,50]. Продолжительное кормление фруктозой также связано с развитием инсулинорезистентности из-за митохондриального стресса и стресса ER. Хроническое питание фруктозой также связано с воспалением, будь то дисбиоз микробиоты или прямое действие вызывающих воспаление метаболитов [51].Хотя хронический эффект фруктозы на НАЖБП хорошо изучен на грызунах, большинство исследований на людях основано на краткосрочном кормлении. Таким образом, результаты этих исследований могут не указывать на полную метаболическую картину, поскольку печень, возможно, еще не приспособилась к диетическим изменениям, особенно когда эти результаты применяются к прогрессирующим заболеваниям, таким как НАЖБП. Таким образом, эпидемиологические исследования могут дать ценную информацию о влиянии хронического потребления фруктозы. В одном из таких исследований пациенты со стеатогепатитом, которые сами сообщили о повышенном потреблении фруктозы, также имели более выраженный фиброз печени [52].

4. Взаимосвязь между кишечным и печеночным метаболизмом фруктозы при НАЖБП

Интересным моментом в отношении метаболизма фруктозы, запускающего НАЖБП на уровне всего тела, является взаимосвязь метаболизма фруктозы в кишечнике и печени (рис. 2). Анализ стабильных изотопов 13 C-фруктозы или глюкозы у мышей недавно показал, что тонкий кишечник является органом первого прохождения, который катаболизирует большую часть пищевой фруктозы до того, как фруктоза достигнет печени [3]. В малых дозах (0.25–0,5 г / кг) фруктоза почти полностью катаболизируется тонким кишечником с образованием глюкозы или других органических кислот, таких как лактат и аланин. Этот процесс снижает количество фруктозы, попадающей в портальную кровь, и производство F1P в печени. Однако при высоких дозах фруктозы пропускная способность тонкого кишечника нарушается, и происходит распространение фруктозы в печень. Важно отметить, что способность тонкого кишечника очищать фруктозу увеличивается за счет предварительного воздействия фруктозы или потребления пищи [3].Однако этот катаболизм фруктозы в тонком кишечнике может усугубить НАЖБП, если он продуцирует гепатотоксические метаболиты из фруктозы. Чтобы выявить эту возможность, были созданы мыши с кишечным нокаутом KHK-C для отмены катаболизма фруктозы в кишечнике [13]. При хроническом кормлении фруктозой у этих мышей наблюдался повышенный липогенез в печени, несмотря на то, что мыши пили меньше воды с фруктозой по сравнению с контролем. Следовательно, у них развились ожирение печени и гиперлипидемия, что позволяет предположить, что метаболизм фруктозы в кишечнике является защитным.В соответствии с этим представлением, кишечно-специфичные трансгенные мыши KHK-C проявляли противоположные фенотипы с пониженным переносом фруктозы в печень, меньшим образованием F1P и липогенезом [13]. Однако хроническое питание фруктозой было невозможно у трансгенных мышей из-за их фенотипа отвращения к фруктозе, который, по-видимому, связан с повышенным накоплением F1P и последующим метаболическим стрессом в толстой кишке. Чтобы дополнительно проверить, влияет ли скорость потребления фруктозы на клиренс фруктозы в кишечнике, оценим влияние болюсного введения высоких доз фруктозы (2 г / кг) по сравнению с раздельными дозами (0.5 г / кг × 4) на липогенез печени [13]. Только высокие дозы фруктозы достигают печени и вызывают липогенез, что позволяет предположить, что скорость потребления фруктозы может определять патогенное воздействие фруктозы на печень. Таким образом, тонкий кишечник действует как щит для печени, предотвращая попадание чрезмерного количества фруктозы в печень. Соответственно, рандомизированное контролируемое исследование 34 мужчин показало, что частота приема пищи с высоким содержанием жиров и сахара, а не размер, приводит к увеличению триглицеридов в печени и снижению чувствительности к инсулину [53].Андрес-Эрнандо и др. доказали, что катаболизм фруктозы в печени является основной причиной НАЖБП [14]. В частности, они исследовали различные эффекты делеции KHK-C / A на печень, кишечник и весь организм после хронического употребления фруктозы. У мышей с нокаутом KHK-C / A не наблюдалось индукции НАЖБП, в основном из-за отсутствия метаболизма фруктозы и снижения произвольного потребления фруктозы. Однако у мышей дикого типа или мышей с кишечным нокаутом KHK-C / A развилась НАЖБП. Напротив, у мышей с нокаутом печеночного KHK-C / A НАЖБП не развивалась, потому что фруктоза не может катаболизироваться печенью и, таким образом, в основном выводится с мочой.Это исследование ясно показывает, что метаболизм фруктозы в печени является ключевым фактором НАЖБП. Почему катаболизм фруктозы в кишечнике и печени приводит к таким разным судьбам фруктозы и метаболическим последствиям? Одна из возможных причин — разная способность к липогенезу [39]. Печень предназначена для преобразования избытка углеводов в жир после приема пищи. С другой стороны, основная роль тонкого кишечника заключается в абсорбции пищи, а не в анаболизме. Хотя был предложен липогенез кишечника [54], он в основном включает упаковку пищевых жирных кислот в триглицериды в хиломикронных частицах, а не липогенез de novo (образование возникающих жирных кислот из других питательных веществ).В самом деле, нет четких доказательств кишечного липогенеза de novo in vivo [13]. Еще одно различие между метаболизмом фруктозы в печени и тонком кишечнике может быть связано с их разной анатомией. Между просветом кишечника и кровеносными сосудами, лежащими под ворсинками, находится только одноклеточный слой эпителиальных клеток кишечника, которые экспрессируют KHK. Эта структура ограничивает катаболическую способность фруктозы, которая может быть насыщена чрезмерным количеством фруктозы [55]. С другой стороны, многочисленные гепатоциты, экспрессирующие KHK, существуют между воротной веной и печеночной веной в печени, что в значительной степени предотвращает распространение фруктозы в периферическую систему [56] (Рисунок 3).

5. Метаболизм фруктозы другими органами-хозяевами

Хотя большая часть пищевой фруктозы катаболизируется в тонком кишечнике и печени, некоторая часть фруктозы уходит в системную кровь и может катаболизироваться другими органами, такими как сердце, поджелудочная железа, почки, скелетные мышцы. и жировые ткани [16,57,58,59,60,61,62,63]. Об экспрессии GLUT5 сообщалось в мозге, почках, жировой ткани и ткани скелетных мышц [57]. Кроме того, GLUT2 высоко экспрессируется в почках [57]. Хотя экспрессия этих переносчиков фруктозы и KHK во внепеченочных органах предполагает их способность катаболизировать фруктозу, количественно, сколько фруктозы, либо из пищи, либо из эндогенного производства, катаболизируется этими органами, и их метаболические последствия относительно неизвестны.Сообщалось, что переносчики фруктозы или катаболизирующие ферменты индуцируются заболеваниями и опосредуют некоторые патологические фенотипы. Мирчинк и др. обнаружили, что активация индуцируемого гипоксией фактора 1α (HIF1α) в патогенных сердцах активирует субъединицу 1 фактора сплайсинга 3B (SF3B1), который сдвигает альтернативный сплайсинг с KHK-A на KHK-C [58]. Затем KHK-C увеличивает метаболизм фруктозы в сердце и вызывает гипертрофический рост за счет истощения АТФ, что частично устраняется у мышей с нокаутом KHK [58].Интересно, что это исследование было проведено в отсутствие фруктозы в рационе, что предполагает, что эндогенная фруктоза катаболизируется сердцем. Неясно, может ли эндогенная фруктоза управлять достаточно высокими потоками, чтобы истощить АТФ в сердце, которое является наиболее активным органом, генерирующим / потребляющим АТФ. Чтобы ответить на эти вопросы, необходимы дальнейшие исследования с диетическим кормлением фруктозой или отслеживанием стабильных изотопов для измерения потоков катаболизма фруктозы. Интересно, что KHK-C также высоко экспрессируется в почках [16].Соответственно, катаболизм фруктозы в почках связан с хроническим заболеванием почек [59,63]. Gersch et al. кормили крыс рационом либо из 60% фруктозы, либо из 60% глюкозы, либо из нормального корма. По сравнению с другими крысами, у крыс, получавших 60% фруктозы, наблюдались патологические почки с большим расширением канальцев, гломерулосклерозом, атрофией канальцев, миофибробластами и интерстициальным воспалением, что в конечном итоге приводило к гипертонии, что является симптомом, наблюдаемым у пациентов с запущенным хроническим заболеванием почек [59] . Другое исследование Roncal-Jimenez et al.повторил эти результаты [63]. И мышей дикого типа, и мышей с нокаутом KHK постоянно кормили типичной диетой с низкими дозами фруктозы. У мышей дикого типа наблюдались клубочковые изменения и повреждение почек, тогда как мыши с нокаутом KHK были защищены. Есть также сообщения, показывающие пагубный эффект чрезмерного воздействия фруктозы на различные типы клеток, специфичных для органов. Бартли и др. исследовали влияние фруктозы на β-клетки поджелудочной железы [60]. Хотя сама фруктоза не вызывала экзоцитоза инсулина из-за отсутствия GLUT5 в β-клетках, постоянное воздействие фруктозы приводило к гиперреактивности β-клеток поджелудочной железы к глюкозе с истощением АТФ [60].В жировой ткани инсулин увеличивает поглощение фруктозы и ее катаболизм жировыми клетками [61]. Соответственно, у диабетиков с инсулинорезистентностью жировой ткани потребление фруктозы снижалось [61]. С другой стороны, в изолированной скелетной мышце человека Zierath et al. не обнаружили активации использования фруктозы инсулином, хотя превращение фруктозы в лактат было утроено с увеличением уровня фруктозы с 0,1 до 0,5 мМ [62]. Эти исследования показывают, что высокие дозы фруктозы могут метаболизироваться различными органами и тканями, в то время как необходимы дальнейшие исследования для определения физиологического значения in vivo, когда уровни циркулирующей фруктозы значительно ниже, чем уровни фруктозы, используемые в этих условиях.

6. Микробный метаболизм фруктозы при НАЖБП

Одним из новых достижений в области метаболизма фруктозы является роль кишечной микробиоты. Недавние прорывы в технологиях секвенирования метагенома и метаболомики выявили связь между различными субпопуляциями кишечной микробиоты и продуктами их метаболизма в контексте НАЖБП [28,64,65,66]. Поскольку всасывание фруктозы в тонком кишечнике ограничено [38], фруктоза в высоких дозах легко достигает толстого кишечника и вызывает бактериальную ферментацию [67,68,69,70].Исследование 15 здоровых взрослых показало, что более половины участников сообщили о некоторых желудочно-кишечных симптомах при дозировке 25 г фруктозы и более двух третей сообщили о недомогании при дозировке 50 г фруктозы [68]. Интересно, что фруктоза, потребляемая в виде сахарозы или вместе с глюкозой, значительно увеличивает абсорбционную способность [69], что согласуется с представлением о том, что глюкоза способствует всасыванию фруктозы в кишечнике [70]. Кроме того, у некоторых здоровых людей наблюдались повышенные скорости продуцирования H 2 , связанные с мальабсорбцией, что свидетельствует о том, что различный метаболизм фруктозы может приводить к желудочно-кишечным симптомам у некоторых чувствительных к фруктозе людей [69,71].Как только фруктоза достигает толстого кишечника, микробиота кишечника катаболизирует фруктозу с образованием различных метаболитов, включая короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs: ацетат, бутират и пропионат), промежуточные продукты цикла TCA и аминокислоты [3]. Однако важный вопрос заключается в том, какие виды кишечной микробиоты катаболизируют фруктозу и связан ли этот процесс с НАЖБП. Возможно, что все виды кишечной микробиоты способны в некоторой степени катаболизировать фруктозу и вносить свой вклад в заболевание. Микробиота не имеет KHK и вместо этого использует гексокиназы для фосфорилирования фруктозы до фруктозо-6-фосфата для последующего гликолиза [72].В качестве альтернативы фруктоза может питать субпопуляции кишечного микробиома, в которых бактерии с высокой каталитической способностью либо вытесняют конкуренцию, либо образуют кооперативные отношения с бактериями, не имеющими метаболических возможностей фруктозы [73]. В любом случае, хроническое потребление фруктозы, вероятно, изменяет микробную экосистему кишечника [74], что может вызывать НАЖБП различными способами. Наиболее хорошо изученными видами микробиоты в контексте НАЖБП являются Bacteroidetes и Firmicutes, но все еще существуют разногласия по поводу того, какой вид является более вредоносным.Например, секвенирование фекалий крыс на диете с высоким содержанием фруктозы показало заметное увеличение соотношения Bacteroidetes: Firmicutes [70]. С другой стороны, аналогичное исследование на беременных крысах показало снижение уровня Bacteroidetes [65]. В исследовании с участием людей с ожирением была обнаружена чрезмерная представленность нескольких видов Firmicutes среди людей [69]. Эти результаты были подтверждены эпидемиологическим исследованием когорты латиноамериканских подростков с избыточным весом / ожирением, в котором была обнаружена сильная отрицательная корреляция между потреблением фруктозы и Firmicutes, особенно Eubacteria elegens [75].Однако стоит отметить, что обобщение от когорты к более широкой популяции остается трудным из-за влияния генетической структуры, окружающей среды и культуры на микробиом. Также очевидно, что не все популяционные сдвиги в микробиоме имеют причинную связь с метаболизмом фруктозы, поскольку изменения микробиома на поздних стадиях могут быть больше связаны с системными эффектами (например, ожирением и инсулинорезистентностью), а не являться прямой реакцией на диета с высоким содержанием фруктозы. Хотя важно определить, какие виды микробиоты катаболизируют фруктозу и вызывают НАЖБП, не менее важным является вопрос, какие продукты метаболизма микробов вызывают липогенез в печени и воспаление при НАЖБП.Действительно, хотя связь между дифференциальными популяциями Bacteriodetes: Firmicutes и липогенезом печени все еще неясна, количество SCFAs, продуцируемых обоими бактериальными типами, было значительно больше у пациентов с ожирением, чем у худых пациентов [76]. SCFAs, происходящие из микробиоты, играют разностороннюю роль в процессах, включая дифференцировку эпителиальных клеток толстой кишки, эпигенетические модификации (например, ацетилирование гистонов), липогенез печени и передачу сигналов, опосредованную рецепторами, связанными с G-белками (GPCR) [77,78,79,80,81 ].В частности, SCFAs были связаны с липогенезом через ингибирование гистондеацетилазы и активацию GPCR41 / 43, последняя из которых имеет значение при НАЖБП [80,82,83]. Количественно ацетат является наиболее распространенным SCFA, его уровни на порядок выше, чем у других SCFA. Это также один из метаболитов с высокой скоростью оборота в обращении [84]. Недавно было показано, что ацетат является важным источником углерода, получаемым из фруктозы кишечной микробиотой для ацетил-КоА и жирных кислот печени [41].Zhao et al. неожиданно было обнаружено, что у мышей с нокаутом АТФ-цитратлиазы (ACLY) все еще развиваются фенотипы НАЖБП при кормлении диетой с высоким содержанием фруктозы, даже несмотря на то, что эти мыши не могли использовать цитозольный цитрат для липогенеза. Используя лечение антибиотиками и специфический для печени нокдаун короткоцепочечного члена 2 семейства ацил-коэнзим А-синтетазы (ACSS2), который является важным ферментом катаболизма ацетата, они показали, что истощение микробиоты или подавление ACSS2 резко снижает включение углерода фруктозы. в печеночный ацетил-КоА и жирные кислоты [41].Важно отметить, что этот эффект не зависел от индуцированной фруктозой активации липогенных генов печени, что свидетельствует о двойном действии фруктозы как сигнальной молекулы и как источника углерода для липогенеза через ацетат. Этот результат также согласуется с высокой конверсией интрацекального введения меченых стабильным изотопом ацетата и бутирата в жирные кислоты печени [85]. В подтверждение этого предположения, накопление липидов в печени у грызунов, получавших пищу с высоким содержанием фруктозы, было спасено как лечением антибиотиками, так и трансплантацией фекалий от здоровых грызунов [10,86,87].Таким образом, антибиотики могут быть эффективным вариантом лечения НАЖБП. Однако длительное лечение антибиотиками не идеально, и хроническое истощение полезной микробиоты может вызвать другие симптомы. Следовательно, потребуется таргетная терапия, о которой мы поговорим в следующем разделе. В дополнение к SCFAs, нецелевая метаболомика необходима для обнаружения новых микробных метаболитов, связанных с НАЖБП. Другой доминирующей теорией возникновения НАЖБП, вызванной фруктозой, через микробиоту кишечника является повышенная проницаемость кишечника и последующее распространение микробных продуктов, вызывающих воспаление печени.Фруктоза, достигающая толстой кишки, может вызвать осмотический шок и ослабить плотные контакты эпителия кишечника. Действительно, в нескольких исследованиях сообщалось о сниженной экспрессии белков плотных контактов у грызунов, получавших пищу с высоким содержанием фруктозы [88]. Это приводит к повышенной доставке бактериальных эндотоксинов, таких как липополисахарид (ЛПС), в портальный кровоток и, таким образом, вызывает воспаление печени [89]. Кроме того, дисбактериоз микробиоты, вызванный хроническим потреблением фруктозы, может реконструировать иммунную систему кишечника в сторону увеличения набора макрофагов и Т-клеток, которые выделяют в гепатоциты воспалительные цитокины, такие как TNFα и IL-6 [10,86,89,90].Мыши, лишенные воспалительного рецептора TLR4, демонстрируют значительно меньшее начало стеатоза при питании с высоким содержанием жиров [91]. Воспалительные сигналы могут либо напрямую активировать липогенез в печени, либо индуцировать резистентность к инсулину в печени, чтобы косвенно индуцировать накопление липидов [92]. Недавнее исследование Todoric et al. обнаружили повышенную проницаемость кишечника и эндотоксемию у мышей, которые постоянно получали пищу с высоким содержанием фруктозы [9]. Эти производные микробиоты агонисты Toll-подобного рецептора (TLR) запускают воспалительную реакцию печени и последующие нижерасположенные цитокиновые пути, что приводит к индукции липогенеза и развитию ожирения печени.Эти результаты еще больше усиливают связь между воспалением печени, вызванным микробными агонистами TLR4, и ожирением печени [93].

7. Перспективы на будущее: разработки в области профилактики НАЖБП, индуцированной фруктозой.

Малые молекулы могут быть эффективными терапевтическими средствами при лечении НАЖБП, индуцированной фруктозой, и связанных с ней сопутствующих заболеваний. Одна потенциальная категория лекарств включает ингибиторы KHK или липогенных ферментов, таких как ацетил-CoA карбоксилаза (ACC). KHK, в частности, был выбран как мишень для лекарств из-за его известной мутации у людей с доброкачественным фенотипом — эссенциальной фруктозурии [94].Эта ферментативная дисфункция приводит к тому, что фруктоза остается в плазме в нефосфорилированной форме и выводится с мочой на более высоком уровне [95]. Мыши, лишенные как KHK-A, так и KHK-C, демонстрировали меньшую массу тела, накопление липидов и липогенез, чем у контрольных мышей при диете с высоким содержанием жиров и высоким содержанием сахара [96]. Дальнейший анализ Lanaspa et al. предполагает, что потеря функции KHK также защищает от выработки эндогенной фруктозы, при которой преобразование сывороточной глюкозы в высоких концентрациях во фруктозу способствует ожирению печени, даже без чрезмерного потребления калорий [97].Следовательно, существует как молекулярная, так и генетическая основа, на которой ингибиторы KHK могут оказаться эффективным средством лечения НАЖБП печени. Анализ in vitro ингибиторов KHK-C человека указывает на пиримидинопиримидиновые соединения как на селективные и высокоаффинитивные ингибиторы, причем некоторые виды демонстрируют как пероральная биодоступность у крыс, так и эффективность клеточных функциональных тестов [95]. Было многообещающим, но также было отмечено, что существует высокая скорость клиренса (C max = 0,16 мкМ), что ставит под вопрос, могут ли ингибиторы пиримидинопиримидина достигать терапевтических концентраций in vivo.Другое исследование in vitro ингибирования KHK с участием ряда индазолов также продемонстрировало способность связывания АТФ с хорошей фармакокинетикой на моделях грызунов [98]. Huard et al. вводили потенциальный ингибитор пиридина для крысиного и человеческого KHK крысам Sprague Dawley, что привело к нелинейному снижению F1P в печени и почках всего за несколько минут после болюсного кормления фруктозой, с сообщенным печеночным ED 50 30,0 мг / кг [99 ]. Основываясь на этих исследованиях in vitro и на животных, ингибитор KHK был применен в клинических испытаниях фазы II, демонстрируя многообещающие эффекты.Низкомолекулярные ингибиторы, нацеленные на АСС, который представляет собой ограничивающий скорость фермент, который модулирует превращение ацетил-КоА в малонил-КоА, также рассматриваются как терапевтические агенты против липогенеза в печени. Тем не менее, есть некоторые споры о значении липогенеза печени при НАЖБП человека: большая часть накопленных триглицеридов в гепатоцитах синтезируется из жировой ткани, а не за счет липогенеза печени [100], и результаты исследований in vivo на грызунах должны быть контекстуализированы более высокой абсолютной скоростью. липогенеза у грызунов, чем у человека [101].Тем не менее также очевидно, что существует некоторая связь между НАЖБП и липогенезом печени. В клинических исследованиях, например, было показано, что у худых пациентов липогенез в печени ниже, чем у их коллег с ожирением [100,102]. У людей с неалкогольным стеатогепатитом на липогенез печени приходится до 38% пальмитата печени [103]. Было показано, что специфическое для печени ингибирование ACC1 и ACC2 небольшими молекулами снижает уровни печеночных триглицеридов и липогенез у пациентов с НАЖБП [104].Однако у этих людей уровень триглицеридов в плазме повышался, вероятно, из-за активации липогенного фактора транскрипции SREBP-1c ниже пути ингибирования АСС. Таким образом, очевидно, что существует сложное взаимодействие между подавлением липогенных ферментов печени и системным образованием триглицеридов. Помимо разработки лекарств от вызванной фруктозой НАЖБП, изменение образа жизни может быть эффективной профилактической стратегией. Имеются данные о различном ответе на потребление фруктозы и развитие НАЖБП [105,106,107,108,109].Джонсон и др. проанализировали влияние HFCS и сахарозы на возникновение НАЖБП и инсулинорезистентность у иберийских свиней [110]. Они обнаружили, что и сахароза, и диета с высоким содержанием углеводов увеличивают массу тела и вызывают стеатоз. Yu et al. проанализировали влияние HFCS и сахарозы на гормоны, регулирующие энергию, в рандомизированном исследовании на людях [111]. В общей сложности 138 пациентам давали молоко с низким содержанием жира с добавлением HFCS или сахарозы, а затем анализировали их в течение десяти недель. Уровни сахара были основаны на 25-м, 50-м и 90-м процентилях потребления сахара.Воздействие было неотличимым между HFCS и сахарозой, при этом в обеих группах наблюдались повышенные уровни лептина, инсулина и триглицеридов, но без изменений в глюкозе или мочевой кислоте. Это согласуется с представлением о том, что сахароза почти сразу расщепляется на глюкозу и фруктозу сахарозой. Таким образом, хотя сахароза является натуральным продуктом, ее метаболические эффекты аналогичны воздействию HFCS. С другой стороны, несколько групп сообщили о различном влиянии фруктозы в жидкой и продаваемой форме на здоровье.Мыши, получавшие жидкую сахарозную диету, имели более высокие уровни триглицеридов в печени, чем их изокалорийные твердые аналоги, получавшие сахарозу [108]. В 6-летнем продольном исследовании европейских детей и подростков была установлена ​​более сильная связь между жидкой сахарозой и ИМТ и окружностью талии, чем между этими физиологическими модификациями и сахаром, сахарозой или твердой сахарозой [109]. В частности, связь между жидкой сахарозой и большей окружностью талии / абдоминальным жиром объяснялась скорее инсулинорезистентностью, чем общим потреблением калорий, возможно, из-за более сильного инсулинового ответа на жидкую сахарозу, чем на твердую сахарозу [105,106].Это быстрое повышение уровня инсулина было связано как с резистентностью к инсулину, так и с последующим отложением висцерального жира. В связи с этим уменьшение потребления фруктозы в жидкой форме является рекомендуемым диетическим вмешательством для предотвращения НАЖБП.

Существенная роль фермента фруктозо-1,6-бисфосфатазы 2 в тепловом гомеостазе при холодовом стрессе

Мыши, состав тела и энергетический обмен

Мыши с нокаутом Fbp2 (KO) были любезно предоставлены доктором Донг Конгом и доктором Брэдом. Лоуэлл (Отделение эндокринологии, Медицинский факультет Медицинского центра Бет Исраэль Дьяконисса и Гарвардской медицинской школы, Бостон, Массачусетс).Пожалуйста, свяжитесь с [email protected] или [email protected] для получения подробной информации о создании модели мыши). Мышей Fbp2 KO подвергали обратному скрещиванию со штаммом C57BL / 6J в течение пяти поколений перед использованием в этом исследовании в помещениях для животных Института рака и диабета Ли Гиль Я (Университет Гачон, Инчхон, Корея). Животных содержали при контролируемой комнатной температуре (22 ± 2 ° C) и 12-часовом цикле свет / темнота со свободным доступом к воде и пище ad libitum с обычным питанием (5053, Labdiet, St.Луис, Миссури, США) или диету с высоким содержанием жиров (D12492, Research Diets, Нью-Брансуик, Нью-Джерси, США).

Жирные и тощие массы мышей анализировали с помощью системы ядерного магнитного резонанса 1 (Bruker Optics, Биллерика, Массачусетс, США) и выражали в граммах. Для оценки энергетического метаболизма всего тела применялась комплексная система мониторинга лабораторных животных (CLAMS, Columbus Instruments, Колумбус, Огайо, США). Уровень потребления кислорода (VO 2 ), выработка углекислого газа (VCO 2 ), респираторный коэффициент, расход энергии, потребление пищи и активность отслеживались в течение 72 часов после 24-часового периода акклиматизации.Все экспериментальные протоколы были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Института рака и диабета Ли Гил Я, Университет Гачон (номер разрешения: 2017-0055).

Гиперинсулинемико-эугликемический зажим

Мышей поддерживали на обычной диете или диете с высоким содержанием жиров (60 ккал%) в течение 4 недель. За шесть-семь дней до гиперинсулинемического-эугликемического зажима постоянные катетеры под задней частью шеи были помещены в правую внутреннюю яремную вену, которая простирается до правого предсердия.Чтобы оценить базальную скорость оборота глюкозы, [3- 3 H] -глюкозу (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) вливали в течение 2 часов со скоростью 0,05 мкКи / мин после ночного голодания. После этого выполняли зажим гиперинсулинемии-эугликемии в течение 150 мин с непрерывной инфузией человеческого инсулина (Eli Lilly and Company, Индианаполис, Индиана, США). Более подробно, инсулин вводили со скоростью 3 мЕд / кг / мин для непрерывной инфузии. Чтобы оценить потоки глюкозы во всем организме при стимуляции инсулином, [3- 3 H] -глюкоза вводилась со скоростью 0.1 мкКи / мин во время зажимов. Поглощение и метаболизм периферической глюкозы в условиях стимуляции инсулином оценивали путем болюсной инъекции 2-дезокси-D- [1- 14 C] -глюкозы (2-DOG) (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) через 125 мин. во время гиперинсулинемико-эугликемического зажима. Потоки глюкозы в организме и поглощение глюкозы тканями рассчитывали, как описано ранее 23,24,25 .

Эксперименты холодового стресса

Индивидуально размещенных мышей в возрасте 11–12 недель помещали в климатическую камеру (Dae Han Biolink, Eumseong, Корея) через 2 часа голодания.Эксперименты с холодовым стрессом на мышах при 4 ° C проводили до 10 ч без еды, но со свободным доступом к воде. Для длительного эксперимента по холодовому стрессу мышей помещали в климатическую камеру со свободным доступом к воде и пище ad libitum. Внутреннюю температуру мышей измеряли, как описано ранее 26 . Чтобы получить изменения температуры тела мышей, ректальную температуру мышей измеряли с помощью термометра, соединенного с зондом (925, Testo, Lenzkirch, Germany).50% (об. / Об.) Раствор глицерина использовали в качестве смазки для датчика термометра, чтобы предотвратить повреждение анального канала.

Иммуноблоттинг

Замороженные ткани из мышц задних конечностей мыши использовали для экстракции белка. После гомогенизации тканей в жидком азоте буфер для лизиса тканей (9803S, Cell Signaling Technology, Данверс, Массачусетс, США) дополнен коктейлем ингибиторов протеаз (P8340, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) и коктейлем ингибиторов фосфатазы (P5726 , Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).Затем лизаты дополнительно гомогенизировали и инкубировали 5 мин на льду. Образцы центрифугировали 10 мин при 13 200 об / мин, а супернатанты использовали для иммуноблоттинга. Электрофорез в полиакриламидном геле и перенос белков на PVDF-мембраны (IPVH00010, Millipore, Burlington, MA, USA) проводили для иммуноблоттинга. 5% (мас. / Об.) Раствор обезжиренного молока (232100, Difco, Детройт, штат Мичиган, США) на основе трис-буферного раствора с 0,1% твин-20 (IBS-BT007, Intron Biotechnology, Sungnam, Корея) использовали для мембран. блокировка.Антитела были приобретены, как показано ниже. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза 2 (ab131253, Abcam, Кембридж, Великобритания), субстрат фосфо-PKA (9624S, Cell Signaling Technology, Danvers, MA, США), разобщающий белок 1 и 3 (ab10983 и ab10985, соответственно, Abcam, Кембридж, Великобритания) и козье антитело против кроличьего IgG (AP132P, Millipore, Берлингтон, Массачусетс, США).

Выделение РНК и количественная ПЦР в реальном времени

Полную изоляцию РНК из клеток или тканей проводили с использованием реагента TRIzol (15596026, Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) в соответствии с инструкциями производителя.Затем выделенную РНК подвергали обратной транскрипции в комплементарную ДНК с использованием набора TOPscript TM RT DryMIX (RT200, Enzynomics, Daejeon, Korea). Количественный анализ ПЦР в реальном времени проводили с помощью ABI 7300 (Applied Biosystems, Фостер-Сити, Калифорния, США) с использованием TOPreal TM qPCR 2X PreMIX (RT501M, Enzynomics, Тэджон, Корея). Относительная экспрессия мРНК каждой мишени была нормализована к циклофилину А или Gapdh. Последовательности праймеров для мышей доступны по запросу (CycloA, Gapdh, Fbp1, Fbp2, Pygm, G6pi, Pfk1, Pgm2, Gys1, PGC-1α, Tfam, Nrf-1, Cox5b, Atp5b, Ndufv5).

Измерение гликогена

Быстро замороженные мышечные ткани задних конечностей мышей в экспериментах по холодному стрессу использовали для количественного анализа содержания гликогена. Образцы тканей гомогенизировали 0,9 н. Хлорной кислотой (244252, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) в смесителе при 2000 об / мин в течение 30 с. Затем 50 мкл гомогената хлорной кислоты тщательно перемешивали с 25 мкл 1 М бикарбоната калия (237205, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США). Свежая амилоглюкозидаза 4 мг / мл (10115, Sigma-Aldrich, St.Louis, MO, USA) в ацетатном буфере добавляли к 125 мкл гомогенатной смеси, и конечный раствор инкубировали при 56 ° C в течение 4 часов. После этого всю смесь центрифугировали в течение 1 мин при 13 200 об / мин, и супернатант использовали для измерения концентрации глюкозы с помощью набора для анализа глюкозы (GAGO-20, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США). Содержание гликогена определяли по разнице концентраций глюкозы до и после обработки амилоглюкозидазой, чтобы исключить свободную глюкозу из гликогена в скелетных мышцах.Для анализа содержания гликогена в клетках использовали набор для колориметрического анализа гликогена (K646-100, Biovision, Milpitas, CA, USA) в соответствии с протоколом производителя. Более подробно, осадки клеток гомогенизировали в дистиллированной воде на льду. Гомогенаты кипятили в течение 10 минут для инактивации ферментов и центрифугировали при 18000 × g в течение 10 минут. Наконец, супернатант использовали для измерения содержания клеточного гликогена в соответствии с протоколом, предоставленным производителем.

Ex vivo

14 Включение С-лактата в гликоген в скелетных мышцах

Гликонеогенез в мышцах измеряли в мышечных тканях с использованием меченого радиоизотопом индикатора, как описано ранее с небольшими модификациями 10 .Индивидуально размещенных мышей помещали в камеру для окружающей среды после 2 ч голодания. Мышей основной группы содержали при комнатной температуре, а мышей из группы холодового стресса подвергали воздействию 4 ° C в течение 6 часов при свободном доступе только к воде. Во-первых, бикарбонатный буфер Кребса-Хенселейта (KHB) (pH 7,4), содержащий 20 мМ L-лактата натрия (L7022, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США), 0,3 мкКи / мл L- 14 C (U) -молочной кислоты и натриевой соли (NEC599050UC, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) газировали кислородом в течение 1 часа.Во время оксигенации буфера мышечные ткани длинного разгибателя пальцев (EDL) были быстро изолированы от мышей. Затем мышечные ткани инкубировали в буфере при 37 ° C в течение 1 ч, а затем трижды промывали буфером KHB. Инкубированные ткани добавляли к 300 мкл 30% раствора КОН и нагревали при 95 ° C в течение 5 мин. Для выделения осадка гликогена добавляли 100 мкл 6% раствора Na 2 SO 4 и 600 мкл этанола, и всю смесь инкубировали на льду для осаждения.Затем всю смесь центрифугировали при 16000 × g в течение 10 минут и супернатант отбрасывали. Осадок трижды промывали этанолом (70%, 95% и 99,9% последовательно) и растворяли в дистиллированной воде после полного высыхания. Радиоактивность растворенного гликогена измеряли с помощью жидкостного сцинтилляционного анализатора (Tri-Carb 3110 TR, PerkinElmer, Waltham, MA, USA).

Первичные мышечные клетки и культура эмбриональных фибробластов мыши

Выделение первичных миобластов и эмбриональных фибробластов мыши проводили, как описано ранее 27,28 с небольшими изменениями.Более подробно, мышца задних конечностей была выделена у новорожденных мышей (возраст 2-7 дней) и промыта холодным фосфатно-солевым буфером (ML008-01, Welgene, Daegu, Korea). Изолированную мышечную ткань измельчали ​​лезвиями бритвы на чашке для культивирования и добавляли 2 мл смеси 1,5 Ед / мл коллагеназы (11088866001, Sigma, Сент-Луис, Миссури, США) / 2,4 Ед / мл диспазы (D4693, Sigma, St Луис, Миссури, США) / 2,5 мМ раствора CaCl 2 (21115, Sigma, Сент-Луис, Миссури, США) на грамм ткани добавляли для дальнейшего расщепления ткани при 37 ° C в течение 20 минут.После того, как ткань переварилась и превратилась в тонкую суспензию, среда для культивирования клеток на основе F-10 Хэма (LM009-01, Велген, Тэгу, Корея) с добавлением 20% об. / Об. FBS (S001-07, Велген, Тэгу, Корея) и 25 мкг / мл основного фактора роста фибробластов (2,5 нг / мл для конечной концентрации, F0291, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) добавляли для инактивации активности коллагеназы и диспазы. Затем большие комки и мусор удаляли через сетчатый фильтр для клеток (352350, Falcon, Corning, NY, USA). Всю смесь центрифугировали в течение 5 минут при 350 × g , и осадок ресуспендировали в среде для культивирования клеток.Наконец, миобласты (суб) культивировали в покрытых коллагеном чашках 1 типа (39006, 21100, 21150, SPL, Pochon, Корея) до тех пор, пока не было достигнуто достаточное количество клеток. Носители Ham’s F-10 (LM009-01, Велгене, Тэгу, Корея) и DMEM / Ham’s F-10 (LM002-112, Велджен, Тэгу, Корея) с добавлением 20% об. / Об. FBS (S001-07, Велгене, Тэгу). , Корея), 25 мкг / мл основного фактора роста фибробластов (конечная концентрация 2,5 нг / мл, F0291, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) и 1% об. / Об. Пенициллин / стрептомицин (LS202-02, Welgene, Тэгу, Корея) использовали для культивирования миобластов.Эмбриональные фибробласты мыши выделяли из эмбрионов мыши (E13.5-15.5) и поддерживали в DMEM с добавлением 10% об. / Об. FBS и 1% об. / Об. Пенициллина / стрептомицина. Для имитации холодового стресса in vitro 1 мкМ изопротеренола (I5627, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) обрабатывали в течение 4 часов в бессывороточных условиях, поддерживаемых в среде DMEM с низким содержанием глюкозы (LM001-11, Welgene , Тэгу, Корея).

Клеточное и изолированное митохондриальное дыхание

Клеточное и изолированное митохондриальное дыхание оценивали с помощью анализатора XF24 (Seahorse Bioscience, Биллерика, Массачусетс, США), как описано ранее с небольшими изменениями 23 .Вкратце, скорость потребления кислорода, индуцированного 25 мМ глюкозой, измеряли в аналитических средах XF (25 мМ глюкоза, 1 мМ пируват натрия в базальных средах XF) для анализа клеточного дыхания. Каждый реагент разводили в среде для анализа XF и загружали в порты флюсового планшета (1 мкг / мл олигомицина, 1 мкМ карбонилцианида п-трифторметоксифенилгидразона и 2 мкМ антимицина A последовательно в качестве конечных рабочих концентраций). Для анализа дыхания изолированных митохондрий митохондрии выделяли, как описано ранее, с небольшими модификациями 25 .Вкратце, мышцы задних конечностей быстро удаляли у мышей, голодавших в течение ночи, и гомогенизировали с помощью гомогенизатора Даунса в буфере для выделения (215 мМ маннита, 75 мМ сахарозы, 0,1% BSA, 1 мМ EGTA, 20 мМ HEPES, pH 7,2). Затем гомогенат центрифугировали при 800 × g в течение 10 мин. Супернатант снова центрифугировали при 10000 × g в течение 10 минут, и осадок митохондрий использовали для последующего анализа. Митохондрии (10 мкг / мл), выделенные из скелетных мышц, добавляли в каждую лунку с буфером для анализа дыхания (220 мМ маннит, 70 мМ сахароза, 10 мМ Kh3PO4, 5 мМ MgCl2, 1 мМ EGTA, 25 мМ MOPS, 0.2% БСА, pH 7,2) с добавлением субстратов (10 мМ пируват, 2,5 мМ, малат, 2,5 мМ глутамат и / или 5 мМ сукцинат). Затем каждый реагент разводили в буфере для анализа дыхания и загружали в порты планшета (1 мМ АДФ, 1 мкг / мл олигомицина, 1 мкМ карбонилцианида, п-трифторметоксифенилгидразона и 2 мкМ антимицина А последовательно в качестве конечных рабочих концентраций). .

Статистика

Все значения выражены как среднее ± S.E.M. Статистическую значимость разницы средних значений анализировали с помощью двустороннего теста Стьюдента t или ANOVA с апостериорным анализом Бонферрони с использованием GraphPad Prism 5.0 (GraphPad Software Inc., Сан-Диего, Калифорния, США). P -значения менее 0,05 считались значимыми различиями.

Фруктоза — Энциклопедия Нового Света

Фруктоза (или левулоза ) представляет собой простой сахар (моносахарид) с той же химической формулой, что и глюкоза (C 6 H 12 O 6 ), но с другой атомной договоренность. Наряду с глюкозой и галактозой фруктоза является одним из трех наиболее важных сахаров в крови у животных.

Источники фруктозы включают мед, фрукты и некоторые корнеплоды. Фруктоза часто встречается в сочетании с глюкозой в виде дисахарида сахарозы (столового сахара), легко транспортируемого и мобилизуемого сахара, который хранится в клетках многих растений, таких как сахарная свекла и сахарный тростник. У животных фруктоза также может использоваться в качестве источника энергии, а фосфатные производные фруктозы участвуют в углеводном обмене.

Помимо натуральных источников, фруктоза может быть найдена в коммерчески производимом кукурузном сиропе с высоким содержанием фруктозы (HFCS).Как и обычный кукурузный сироп, HFCS получают в результате гидролиза кукурузного крахмала с образованием глюкозы; однако происходит дальнейшая ферментативная обработка для увеличения содержания фруктозы. До недавнего времени фруктоза не присутствовала в рационе человека в больших количествах; таким образом, растущее потребление HFCS в качестве подсластителя в безалкогольных напитках и обработанных пищевых продуктах было связано с опасениями по поводу роста ожирения и диабета типа II в Соединенных Штатах.

Гликемический индекс фруктозы (выражение относительной способности различных углеводов повышать уровень глюкозы в крови) относительно низок по сравнению с другими простыми сахарами.Таким образом, фруктоза может быть рекомендована людям с сахарным диабетом или гипогликемией (низким уровнем сахара в крови), поскольку потребление не вызывает высоких уровней секреции инсулина. Это преимущество смягчается опасением, что фруктоза может оказывать неблагоприятное воздействие на уровни липидов и мочевой кислоты в плазме, а также что более высокие уровни фруктозы в крови могут повредить белки.

Химическая структура фруктозы

Открытоцепочечная структура фруктозы

Фруктоза представляет собой левовращающий моносахарид (вращение плоско поляризованного света против часовой стрелки) с той же эмпирической формулой, что и глюкоза, но с другим структурным расположением атомов (т.е., это изомер глюкозы). Как и глюкоза, фруктоза представляет собой гексозу, (шестиуглеродный) сахар, но она содержит кетогруппу вместо альдегидной группы, что делает ее кетогексозой .

Подобно глюкозе, фруктоза также может существовать в кольцевой форме. Его структура с открытой цепью способна циклизоваться (образовывать кольцевую структуру), потому что кетон может реагировать со спиртом с образованием гемикеталя. В частности, кетогруппа C-2 молекулы фруктозы может реагировать со своей гидроксильной группой C-5 с образованием внутримолекулярного полукетала .Таким образом, хотя фруктоза является гексозой, она может образовывать пятичленное кольцо, называемое фуранозой , которая является структурой, преобладающей в растворе.

Специфическая конформация (или структура) фруктозы отвечает за ее уникальные физические и химические свойства по сравнению с глюкозой. Например, хотя восприятие сладости зависит от множества факторов, таких как концентрация, pH, температура и отдельные вкусовые рецепторы, фруктоза оценивается примерно в 1,2-1.В 8 раз слаще глюкозы.

Фруктоза как источник энергии

Всасывание фруктозы

Фруктоза всасывается медленнее, чем глюкоза и галактоза, в результате процесса облегченной диффузии (при которой перенос через биологические мембраны обеспечивается транспортными белками). Большое количество фруктозы может перегрузить абсорбционную способность тонкого кишечника, что приведет к диарее. Например, маленькие дети, которые пьют много фруктового сока, состоящего в основном из фруктозы, могут страдать от «детской диареи».«Фруктоза лучше всасывается при приеме внутрь вместе с глюкозой, отдельно или в виде сахарозы.

Большая часть пищевой фруктозы затем метаболизируется в печени, являющейся контрольной точкой циркуляции сахара в крови.

Расщепление фруктозы

Энергия из углеводов получается почти всеми организмами посредством гликолиза. Это только начальная стадия катаболизма углеводов для аэробных организмов, таких как человек. Конечные продукты гликолиза обычно входят в цикл лимонной кислоты и цепь переноса электронов для дальнейшего окисления, производя значительно больше энергии на молекулу глюкозы.

Фруктоза может проникать в гликолитический путь двумя основными путями: один преимущественно в печени, другой — в жировой ткани (специализированная жировая ткань) и в скелетных мышцах. В последнем случае разложение фруктозы очень похоже на катаболизм глюкозы: фермент гексокиназа фосфорилирует (добавляет фосфат) с образованием фруктозо-6-фосфата , промежуточного продукта гликолиза.

Печень, напротив, по-разному обрабатывает глюкозу и фруктозу. Фруктозо-1-фосфатный путь состоит из трех этапов, которые предпочтительны для печени из-за высокой концентрации фруктокиназы по сравнению с гексокиназой:

  1. Фруктоза фосфорилируется ферментом фруктокиназой до фруктозо-1-фосфат .
  2. Шестиуглеродистая фруктоза расщепляется на две трехуглеродные молекулы, глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат .
  3. Глицеральдегид затем фосфорилируется другим ферментом, так что он тоже может попасть в гликолитический путь.

Потенциальное воздействие на здоровье высокого потребления фруктозы

Поскольку печень метаболизирует фруктозу иначе, чем глюкозу, ее распад также имеет различные биохимические и физиологические эффекты. Метаболизм фруктозы обеспечивает печень большим количеством пирувата и лактата для дальнейшего разложения, так что метаболиты цикла лимонной кислоты, такие как цитрат и малат, также накапливаются.Цитрат может быть преобразован в ацетил-КоА, который служит предшественником синтеза жирных кислот или холестерина. Таким образом, долгосрочное увеличение потребления фруктозы или сахарозы может привести к повышению уровня триглицеридов и лактата в плазме, а также к увеличению накопления липидов в жировой ткани.

Нарушения, связанные с метаболизмом фруктозы

Непереносимость фруктозы ( Наследственная непереносимость фруктозы или HFI ) вызвана наследственным дефицитом фермента Фруктозо-1-фосфатальдолаза-B .Отсутствие этого фермента предотвращает расщепление фруктозы за пределы ее промежуточного соединения фруктозо-1-фосфат . Возникающее в результате накопление фруктозо-1-фосфата и истощение запасов фосфатов для производства АТФ в печени блокируют как синтез глюкозы (глюконеогенез), так и высвобождение глюкозы за счет распада гликогена (гликогенолиз). Проглатывание фруктозы может вызвать рвоту и гипогликемию; долгосрочные эффекты включают снижение функции печени и возможную почечную недостаточность.

Фруктозурия , напротив, вызывается генетическим дефектом фермента фруктокиназы. Это доброкачественное заболевание приводит к выведению фруктозы с мочой.

Мальабсорбция фруктозы ( Диетическая непереносимость фруктозы или DFI ) возникает из-за дефицита фермента-переносчика фруктозы в энтероцитах (специализированных клетках, обнаруженных на поверхности кишечника). При мальабсорбции фруктозы тонкий кишечник не может должным образом всасывать фруктозу.В толстом кишечнике неабсорбированная фруктоза метаболизируется нормальными бактериями толстой кишки до короткоцепочечных жирных кислот и газов водорода, углекислого газа и метана, что приводит к симптомам вздутия живота, диареи или запора. Продукты с высоким содержанием глюкозы помогают больным усваивать фруктозу.

Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы

Производство

Процесс производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS) был разработан японскими исследователями в 1970-х годах. HFCS был быстро введен во многие обработанные пищевые продукты и безалкогольные напитки в Соединенных Штатах в период 1975–1985 годов, и его использование продолжает расти (Bray et al.2004 г.).

Предпочтение фруктозы глюкозе или сахарозе в коммерческом производстве пищевых продуктов в США можно частично объяснить более низкой стоимостью из-за субсидий на кукурузу и импортных тарифов на сахар. Кроме того, фруктоза не образует кристаллов при кислом pH и обладает лучшими замораживающими свойствами, чем сахароза, что облегчает транспортировку и увеличивает срок хранения пищевых продуктов.

Обычные товарные сорта кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы содержат 42, 55 или 90 процентов фруктозы.Сорт 55% чаще всего используется в безалкогольных напитках и эквивалентен сахарной пудре.

Потенциальное влияние на здоровье человека

Одно исследование пришло к выводу, что фруктоза «вырабатывала значительно более высокие уровни триацилглицерина в плазме натощак, чем глюкозная диета у мужчин» и «если триацилглицерины в плазме крови являются фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний, то диеты с высоким содержанием фруктозы могут быть нежелательными» (Bantle et al. 2000). ). Исследование на мышах показывает, что фруктоза увеличивает ожирение (количество жира в организме или жировой ткани) (Jurgens et al.2005). Однако в этих исследованиях изучалось влияние одной фруктозы. Как было отмечено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в 1996 году, сахаридный состав (соотношение глюкозы и фруктозы) HFCS примерно такой же, как у меда, инвертного сахара и дисахарида сахарозы.

Более недавнее исследование показало, что существует связь между ожирением и высоким потреблением HFCS, особенно из безалкогольных напитков (Bray et al. 2004). В то время как чрезмерное потребление HFCS может способствовать развитию эпидемии ожирения и диабета II типа в Соединенных Штатах, эпидемия ожирения имеет множество факторов.Питер Хавел, исследователь питания из Калифорнийского университета в Дэвисе, указал, что, хотя между подсластителями, вероятно, существуют различия, «повышенное потребление жира, повышенное потребление всех сахаров и бездействие — все это виновато в эпидемии ожирения» (Warner 2006). .

Список литературы

  • Бэнтл, Дж., С. К. Раатц, В. Томас и А. Георгопулос. 2000. «Влияние диетической фруктозы на липиды плазмы у здоровых людей». Американский журнал клинического питания 72 (5): 1128-1134.
  • Бараси, М. Э. 2003. Питание человека: перспективы здоровья . Лондон: Ходдер Арнольд. ISBN 978-0340810255
  • Брей, Г. А., С. Дж. Нильсен и Б. М. Попкин. 2004. «Потребление кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы в напитках может сыграть роль в эпидемии ожирения». Американский журнал клинического питания 79 (4): 537-543.
  • Деннисон, Б. 1997. «Чрезмерное потребление фруктового сока детьми дошкольного возраста связано с низким ростом и ожирением.” Педиатрия 99 (1): 15-22.
  • Гавел, П. Дж. 2005. «Диетическая фруктоза: последствия для нарушения регуляции энергетического гомеостаза и липидного / углеводного обмена». Обзор питания 63 (5): 133-157.
  • Jurgens, H. et al. 2005. «Употребление подслащенных фруктозой напитков увеличивает ожирение у мышей». Исследование ожирения 13: 1146-1156.
  • Леви Б. и М. Дж. Верман. 1998. «Длительное потребление фруктозы ускоряет гликирование и несколько возрастных переменных у самцов крыс.” Journal of Nutrition 128: 1442-1449.
  • Манн Дж. И Стюарт Трасуэлл (ред.). 2012. Основы питания человека . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199566341
  • Макферсон, Дж. Д., Б. Х. Шилтон и Д. Дж. Уолтон. 1988. «Роль фруктозы в гликировании и сшивании белков». Биохимия 27: 1901-1907.
  • Страйер, Л. 1995. Биохимия . Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN 978-0716720096
  • Стипанук, М.H. 2006. Биохимические, физиологические и молекулярные аспекты питания человека . Сент-Луис, Миссури: Saunders / Elsevier. ISBN 978-1416002093
  • Уорнер, М. 2006. «Подсластитель с плохой репутацией». New York Times 2 июля 2006 г.
  • Wylie-Rosett, J. et al. 2004. «Углеводы и рост ожирения: имеет ли значение тип углеводов?» Исследование ожирения 12: 124S-129S.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Безумие над фруктозой — Новости эндокринной системы

Спросите врача о диетических эффектах фруктозы, и вы, вероятно, получите страстный ответ. Ни разу со времен войны между низким содержанием жиров и низким содержанием углеводов в 1990-х годах тема питания не привлекала столько внимания средств массовой информации и не вызывала столько споров в медицинском и научном сообществах. В основе дебатов лежит роль фруктозы в борьбе Америки с ожирением и связанными с ним нарушениями обмена веществ. Некоторые исследователи говорят, что фруктоза особенно смертельна, в то время как другие ставят под сомнение ценность выделения фруктозы и утверждают, что ожирение вызвано просто потреблением большего количества энергии, чем нужно.

«Люди, которые говорят, что сахар — это сахар, калорийноцентричны, и, вероятно, с точки зрения калорийности фруктоза и другие сахара равны, это правда», — говорит Майкл И. Горан, доктор философии, профессор профилактической медицины, физиологии и биофизики, и педиатрия в Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии. «Но при этом не учитываются последствия метаболической судьбы различных сахаров. Эта проблема выходит далеко за рамки калорий ».

Ранее в этом году Горан и его коллеги опубликовали статью в журнале Global Public Health, в которой они отметили, что страны, которые используют кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (КСВСФ) в своих пищевых продуктах, имеют на 20% более высокий уровень распространенности диабета, чем страны, в которых этого не делают, хотя между ними не было значительных различий в отношении индекса массы тела (ИМТ) или других диетических переменных, таких как потребление калорий и общее потребление сахара.

Другое исследование, опубликованное ранее в этом году в PLOS One, проведенное Санджаем Басу, доктором медицинских наук, доцентом медицины Стэнфордского центра профилактических исследований, и его коллегами, показало, что каждое увеличение доступности сахара на 150 калорий на человека в день связано с с повышением заболеваемости сахарным диабетом на 1,1%.

Metabolic Mayhem

Фруктоза была предметом исследований еще в 1950-х годах, когда команда из Гарвардского университета продемонстрировала, что фруктоза может вызывать инсулинорезистентность у крыс, результаты были воспроизведены в достаточном количестве лабораторий с тех пор, и это было принято как факт.

«В тщательных биологических исследованиях на животных и культурах клеток есть недвусмысленные доказательства того, что фруктоза имеет эффекты, не зависящие от ее калорий», — говорит Ричард Дж. Джонсон, доктор медицины, профессор кафедры медицины Университета Колорадо-Денвер. . «Если вы кормите животных фруктозой или глюкозой, и все они потребляют одинаковое количество калорий, у тех, кто ест фруктозу, будут худшие метаболические особенности, чем у тех, кто ест глюкозу».

Джонсон добавляет, что, как известно, фруктоза вызывает и другие проблемы у животных, такие как ожирение печени, высокий уровень триглицеридов и устойчивость к лептину, гормону, который помогает контролировать аппетит.В прошлом году он и его коллеги опубликовали статью в Journal of Biological Chemistry, в которой они предполагают, что высокие уровни мочевой кислоты, вызванные фруктозой, играют роль в метаболическом синдроме и развитии диабета, вызывая окислительный стресс в клетках.

Исследования дали аналогичные результаты на людях. Несколько небольших исследований, таких как исследование на женщинах, проведенное доктором философии Карен Тефф из Пенсильванского университета в 2004 году, показывают, что фруктоза способствует ожирению, потому что она не стимулирует инсулин и лептин.

Лептин очень беспокоит Роберта Люстига, доктора медицинских наук, профессора педиатрии отделения эндокринологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, члена Рабочей группы эндокринного общества по ожирению и одного из соавторов Басу.

«Лептин говорит мозгу сжигать энергию на нормальном уровне. Это сигнал мозгу об адекватности периферической энергии. Когда уровень инсулина повышается, это мешает передаче сигналов лептина в мозгу, что мозг воспринимает как голодание », — говорит Люстиг.

В результате употребление фруктозы не приводит к ощущению сытости, а вместо этого вызывает явную нехватку энергии, что затрудняет поиск мотивации для занятий физическими упражнениями, добавляет он. «Биохимия действительно меняет поведение».

В выпуске журнала Американской медицинской ассоциации от 2 января исследование Йельского университета под руководством доктора медицинских наук Кэтлин Пейдж (теперь из Медицинской школы им. Кека) предполагает, что фруктоза и глюкоза по-разному влияют на мозг.В небольшом слепом исследовании здоровых взрослых, которым давали напитки с фруктозой или глюкозой, команда обнаружила, что после напитков, подслащенных глюкозой, тела участников вырабатывали инсулин, и активность в гипоталамусе, области мозга, которая стимулирует аппетит, замедлялась. . Участники также сказали, что не чувствовали себя голодными. Однако после напитка, подслащенного фруктозой, у них почти не наблюдалось повышения уровня инсулина, гипоталамус оставался активным, и они сказали, что почувствовали голод.

Доказательства начали указывать на более темную сторону фруктозы.Кимбер Стэнхоуп, доктор философии, доктор медицинских наук, младший биолог-диетолог из отдела молекулярных биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе, провела два исследования, которые подогревают дискуссии. В одном из них команда сравнила эффекты потребления 25% калорий из фруктозы или глюкозы у участников с избыточным весом и ожирением — максимальный уровень потребления калорий из добавленного сахара, предложенный в Руководстве по питанию для американцев 2010 года. Как описано в майском выпуске журнала клинических исследований за 2009 год, команда обнаружила, что, хотя обе группы пациентов набрали одинаковое количество веса, группа фруктозы испытала повышенное производство жира в печени и увеличение внутрибрюшного жира, что повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний. больше, чем подкожный жир.Уровни глюкозы и инсулина натощак повысились, а чувствительность к инсулину также снизилась в группе фруктозы.

В другом исследовании, появившемся в октябрьском выпуске Журнала клинической эндокринологии и метаболизма за 2011 год, команда сравнила влияние фруктозы, HFCS и глюкозы на 25% от общего количества калорий у взрослых в возрасте от 18 до 40 лет с более низкий средний ИМТ, чем у участников предыдущего исследования, включая участников с ИМТ ниже 18 холестерина ЛПНП по сравнению с группой глюкозы.

Стэнхоуп указывает на метаболизм фруктозы в печени как на вероятную причину. «Фруктокиназа, фермент, регулирующий усвоение и метаболизм фруктозы в печени, включен постоянно. Таким образом, независимо от того, нуждается печень в энергии или нет, почти вся фруктоза из напитков попадает в печень. Метаболические пути становятся перегруженными, что приводит к увеличению выработки жира и мочевой кислоты ».

Подобных исследований достаточно, чтобы заставить Горана опасаться фруктозы. «Вы не можете оспаривать метаболический механизм клетки», — говорит он.

«Теперь речь идет о том, чтобы склонить чашу весов. Сколько еще фруктозы вам нужно, чтобы вызвать метаболический вред и привести вас на путь развития диабета? Мы все должны потреблять меньше сахара, но если бы вам пришлось выбирать, [знайте, что] добавленный сахар, содержащий фруктозу, будет более разрушительным [в целом] », — добавляет Горан, отмечая, что текущая маркировка продуктов питания не указывает, сколько фруктоза или HFCS находятся в продукте. «В предыдущем исследовании мы измерили фруктозу в газированных напитках и показали, что она может быть выше, чем мы думаем.”

Фруктоза в вакууме?

Некоторые критики текущих исследований фруктозы сомневаются в полезности выделения фруктозы.

«Эффекты [фруктозы и глюкозы] могут несколько отличаться в зависимости от химической структуры, но вместо того, чтобы заменять одну другую, давайте вместо этого сосредоточимся на сокращении всех сильно переработанных углеводов, потому что все они имеют неблагоприятные эффекты», — говорит Дэвид С. Людвиг, доктор медицинских наук, директор Центра профилактики ожирения New Balance Foundation и клиники «Оптимальный вес для жизни» в Бостонской детской больнице.

Людвиг подчеркивает, что фруктоза естественным образом содержится во фруктах и ​​что люди, которые съедают несколько порций фруктов в день, как правило, имеют лучшее здоровье.

«Проблема не в фруктозе как таковой, а скорее в том, как мы ее потребляем. Необработанные источники фруктозы, такие как фрукты, перевариваются медленнее и не перегружают печень », — говорит Людвиг, добавляя, что было бы медвежьей услугой, если бы пациентам не есть фрукты.

«Мы не потребляем фруктозу отдельно. Мы всегда потребляем его с глюкозой », — говорит Джеймс Риппе, доктор медицинских наук, профессор биомедицинских наук Университета Центральной Флориды, который также является консультантом Ассоциации переработчиков кукурузы.«Сахароза, ведущий в мире подсластитель, наполовину состоит из фруктозы и наполовину из глюкозы. Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, второй по значимости подсластитель, также состоит из глюкозы и фруктозы, причем наиболее распространенной формой является 55% фруктозы и 45% глюкозы ».

Риппе говорит, что то, что происходит в лаборатории, отличается от того, что происходит на пластине. «Здесь возникает большая путаница, потому что люди сравнивают большие количества чистой фруктозы с большими количествами чистой глюкозы, чтобы показать, что они ведут себя по-разному, но мы не потребляем их по отдельности.

Он добавляет, что исследования, которые обеспечивают 25% калорий в виде фруктозы или глюкозы, как это сделали Стэнхоуп и другие исследователи, превышают среднее потребление. «Это искусственное состояние, не имеющее отношения к питанию человека».

Тем не менее, Риппе и его коллеги провели исследование, в котором участникам со средним возрастом 42 года был назначен один из трех различных уровней сахарозы или HFCS — 8%, 18% или 30% калорий, необходимых для поддержания веса. Их результаты, опубликованные в июньском выпуске журнала «Applied Physiology, Nutrition and Metabolism» за 10 недель, не показали изменений в содержании жира в печени или нескольких основных группах мышц.

«Я никоим образом не рекомендую людям потреблять чрезмерное количество сахара, но я говорю, что нет доказанного вреда от добавления сахара до 25% калорий», — говорит Риппе, добавляя, что вместо этого исследователи должны рассмотрим общий рост ежедневного потребления калорий американцами за последние 30 лет.

Согласно данным исследований девяти национальных обследований здоровья и питания, проведенных в период с 1971 по 2010 год, среднее дневное общее потребление выросло на 314 калорий с 1971 по 2003 год.Хотя затем в период с 2003 по 2010 год он упал на 74 калории — без соответствующего снижения показателей ожирения — в 2010 году чистый прирост калорий на 240 калорий в день больше, чем в 1971 году.

«Когда вы смотрите на увеличение калорий, сосредотачиваясь на фруктоза похожа на погоню за зеброй в стаде лошадей », — говорит Риппе. «Дело в том, что мы [как нация] едим слишком много всего, и пока мы не убедим людей обратить внимание на их общий рацион, это не изменится. Если бы я мог взмахнуть волшебной палочкой и убрать всю фруктозу, я не думаю, что что-то изменится.”

— Д’Арриго — писатель о здоровье и науке из Холбрука, штат Нью-Йорк, и постоянный автор журнала Endocrine News

Frontiers | Компьютерное моделирование метаболизма и развития фруктозы при НАЖБП

Введение

Неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП) является наиболее распространенной хронической дисфункцией печени во всем мире (Miele et al., 2009). Он охватывает спектр состояний, возникающих в результате избыточного накопления липидов в печени без чрезмерного употребления алкоголя.Патологические проявления НАЖБП развиваются от простого стеатоза (внутрипеченочное отложение липидов) до неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), поздней стадии, сочетающей стеатоз с воспалением. Затем НАСГ может прогрессировать до фиброза (избыток волокнистой соединительной ткани) и цирроза (поздняя стадия рубцевания) и, возможно, до гепатоцеллюлярной карциномы (Ouyang et al., 2008; Cohen et al., 2011). Среди этих состояний стеатоз и НАСГ обратимы, в то время как фиброз и цирроз часто считаются необратимыми (Maldonado et al., 2018). За последние три десятилетия распространенность НАЖБП увеличилась в 20 раз, что в основном связано с ожирением, диабетом и многими другими нарушениями обмена веществ. В настоящее время во всем мире от него страдают 20–30% населения в целом (Nomura and Yamanouchi, 2012; Younossi et al., 2016). Было подсчитано, что в период с 2016 по 2030 год уровни НАЖБП продолжат стабильно расти до ~ 30% (Estes et al., 2018). Однако молекулярные механизмы, вызывающие НАЖБП, многофакторны и остаются плохо изученными, что приводит к отсутствию эффективных терапевтических вмешательств.

Хотя переедание и малоподвижный образ жизни часто называют причиной НАЖБП, недавние клинические и экспериментальные исследования неоднократно предполагают, что возрастающее потребление фруктозы также может быть важным фактором (Jensen et al., 2018). Фруктоза, наряду с глюкозой и галактозой, является одним из трех основных пищевых моносахаридов. Между 1900 и 1950 годами с ежедневным приемом пищи потреблялось ~ 20 г фруктозы (5% от общей энергии), в основном из фруктов и меда (Douard and Ferraris, 2008).В настоящее время фруктоза стала повсеместным ингредиентом, на который приходится значительная часть потребляемой энергии (около 15–25% от общей энергии) (Softic et al., 2016; Jensen et al., 2018). В последние десятилетия наблюдается 30% -ное увеличение общего потребления фруктозы (Ventura et al., 2011). Среднее потребление фруктозы для всего населения в Америке составило 49 г / день в 2004 году (Douard and Ferraris, 2013) и 54,7 г / день в 2008 году (Vos and Lavine, 2013). Для возрастных групп 15–18 и 19–22 лет, согласно сообщениям, в день потребляется 75 г фруктозы (Douard and Ferraris, 2013).Рафинированная и переработанная фруктоза ответственна за этот резкий рост. Сахароза и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (HFCS) стали основными источниками потребления фруктозы с соотношением фруктоза / глюкоза 50/50 и 55/45 соответственно (Ventura et al., 2011; Jensen et al., 2018). HFCS, ключевой компонент сахаросодержащих напитков, считается недорогим заменителем других простых сахаров в пищевой промышленности, составляя 40% всех добавленных сахаров (Bray et al., 2004). В последнее время этот подсластитель стал объектом кампаний общественного здравоохранения (например,g., программа снижения сахара в Великобритании) и с налогом на сахар в нескольких странах (Jones, 2016; Briggs et al., 2017; Hashem et al., 2019).

Несмотря на то, что исторически фруктоза была предложена в качестве полезного подсластителя и рекомендована для людей с ожирением и для пациентов с диабетом, высокое потребление фруктозы, как сообщается, связано с рядом проблем со здоровьем, таких как метаболический синдром, ожирение, диабет 2 типа. , и НАЖБП (Basaranoglu et al., 2013). Предполагается, что фруктоза тесно связана с этими хроническими проблемами со здоровьем из-за ее уникальных и различных метаболических путей, которые происходят исключительно в печени.Известно, что, в отличие от глюкозы, фруктоза инициирует свой метаболизм через фермент фруктокиназу после поглощения клетками печени (гепатоцитами), минуя критическую стадию гликолиза, ограничивающую скорость, и доставляя большое количество высокоэнергетических субстратов для последующего метаболизма (Ouyang et al. , 2008). Все больше данных свидетельствует о том, что диета с высоким содержанием фруктозы способствует усилению липогенеза de novo , уменьшая β-окисление, а также повышая уровни как триглицеридов, так и липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) в плазме (Koo et al., 2008; Лим и др., 2010). Следовательно, эти метаболические эффекты могут привести к накоплению липидов в печени, инсулинорезистентности и усилению воспалительной реакции, которая, в свою очередь, способствует развитию НАЖБП (Duarte et al., 2019). Однако до сих пор остается спорным вопрос о том, вносит ли диетическая фруктоза уникальный вклад в развитие НАЖБП у людей и каким образом. Основная цель данной статьи — изучить влияние диетической фруктозы на энергетический метаболизм в печени и последствия ее чрезмерного потребления в развитии НАЖБП с использованием моделей известных метаболических функций.

Изучение in vivo систем сложно, требует много времени и дорого. Вычислительная модель, основанная на подходе системной биологии, является привлекательным вариантом для получения более полного представления о возможных патофизиологических механизмах.

Благодаря обширным исследованиям в области моделирования метаболизма человека за последние 20 лет и подходу системной биологии, называемому метаболическими сетями в масштабе генома человека (GEMN), были введены реконструкции.Были созданы три хорошо известные реконструированные человеческие метаболические сети, включающие сложные метаболические пути и биохимические реакции у людей (Duarte et al., 2007; Ma et al., 2007; Gille et al., 2010). Среди них модель «HepatoNet1», разработанная Gille et al. (2010) в основном изучает функцию печени в системном масштабе. Он содержит 777 компонентов и более 2500 реакций для изучения скорости детоксикации аммиака и синтеза желчных кислот в условиях голодания. Однако главное ограничение этих реконструированных моделей, основанных на стехиометрии, состоит в том, что их статические прогнозы не отражают динамические потоки метаболических реакций.

Применение кинетической модели для изучения энергетического метаболизма печени исследуется с 1970-х годов. Первая модель метаболической регуляции была представлена ​​Гарфинкелем (1971), который перечислил 34 динамических химических выражения для моделирования цикла TCA. В последние десятилетия большинство печеночных моделей сосредоточено на регуляции гомеостаза глюкозы. Сообщалось о соответствующих имитациях in silico , включая абсорбцию и транспортировку глюкозы, гормональную регуляцию, эффекты зонирования и взаимосвязь между потреблением глюкозы и высокоинтенсивными упражнениями, метаболизм липидов в дополнение к метаболическим заболеваниям (Chalhoub et al., 2007а, б; Hetherington et al., 2012; Кениг и др., 2012; Самнер и др., 2012; Ashworth et al., 2016; Нафталин, 2016; Noorman et al., 2019). Несмотря на то, что многочисленные исследования подчеркнули важную роль метаболизма фруктозы в метаболических заболеваниях, лишь несколько моделей сделали акцент на метаболизме фруктозы, и ни одна из них не отразила потенциально динамические изменения (Allen and Musante, 2017, 2018; Maldonado и др., 2018).

Таким образом, здесь мы представляем подробную кинетическую модель метаболизма фруктозы, чтобы исследовать метаболический механизм, посредством которого потребление фруктозы может вызывать изменения липидного обмена, связанные с НАЖБП, и изучить, можно ли обратить патологические состояния вспять на ранних стадиях заболевания.

Методы

Описание модели

Кинетическая модель метаболизма фруктозы была разработана на основе модифицированных уравнений Михаэлиса-Ментен и Хилла. Эта модель включает ~ 120 параметров, 25 переменных и 25 дифференциальных уравнений первого порядка. Как показано на рисунке 1, переменные и уравнения были разделены на три части, представляющие гепатоциты (SH), печеночный кровоток (SHB) и кровоток остальной части тела (SBC). Параметры модели были определены и уточнены путем сравнения со значениями, указанными в литературе (см. Таблицу S1).Жирные кислоты печени (ЖК) и триглицериды печени (ТГ) выбраны в качестве основных выходных данных в этой модели, поскольку они являются наиболее важными показателями, отражающими накопление липидов в печени. Также прогнозируются свободные жирные кислоты (СЖК) и триглицериды плазмы, поскольку они являются наиболее непосредственно измеряемыми показателями соответствия, зарегистрированными в клинических и экспериментальных данных. Уравнения приведены в этом разделе.

Рисунок 1 . Основные принципы моделирования метаболизма фруктозы.

Гепатоциты – метаболизм фруктозы

Поскольку метаболическая активность фруктозы в основном происходит в паренхиме печени, метаболизм гепатоцитов находится в центре внимания данной статьи. Как упоминалось выше, наиболее распространенным предположением является связь фруктозы с НАЖБП из-за ее уникальных метаболических процессов. Поскольку фруктокиназа (также известная как кетогексокиназа, KHK), альдолаза B и триокиназа являются тремя специализированными ферментами для метаболизма фруктозы, химические реакции, связанные с этими тремя ферментами, были впервые включены для начала построения модели.Существенные доказательства приводят к предположению, что высокое потребление фруктозы связано с усилением липогенеза de novo , подавлением β-окисления и облегчением синтеза триглицеридов (Koo et al., 2008; Lim et al., 2010; Tappy and Lê, 2010; Nomura и Яманучи, 2012). Поэтому модель была разработана для включения этих путей. Однако не все компоненты метаболизма печени были включены. Пируват, ацетил-КоА, жирные кислоты и триглицериды были выбраны, поскольку они определены как наиболее распространенные промежуточные продукты и основные метаболиты в процессе метаболизма углеводов, связанном с отложением липидов (Mayes, 1993; Sun and Empie, 2012; Laughlin, 2014).Кроме того, они считаются ключевыми компонентами, и их можно оценить в клинических экспериментах, что позволяет настраивать и проверять соответствующие параметры во время разработки модели. Действительно, реакции между этими ключевыми метаболитами в организме человека более сложны, чем те, которые представлены в модели. Тем не менее, ферменты, определяющие скорость, среди биохимических процессов были выбраны для упрощения реакций, но при этом обеспечивают адекватные детали для представления реалистичных скоростей реакций.

В результате на рисунке 2 суммированы идентифицированные в литературе биохимические компоненты и реакции, построенные в рамках модели, включая фруктолиз, de novo липогенез (DNL), бета-окисление и синтез триглицеридов.В таблице 1 представлены уравнения скорости для печеночных переменных, используемых в этом разделе.

Рисунок 2 . Метаболизм фруктозы в печени.

Таблица 1 . Скоростные уравнения для печеночных переменных в разделе Гепатоциты (SH).

Отличительные пути метаболизма фруктозы

Наиболее существенное различие между метаболизмом глюкозы и метаболизмом фруктозы — их процессы фосфорилирования. После попадания в гепатоцит диетическая фруктоза быстро фосфорилируется KHK с образованием фруктозо-1-фосфата, который обходит ключевой регулирующий скорость фермента (фосфофруктокиназу) гликолиза в метаболизме глюкозы.Затем фруктозо-1-фосфат превращается альдолазой B в дигидроксиацетонфосфат (DHAP) и глицеральдегид (GA), обеспечивая промежуточные соединения для дальнейших процессов гликолиза. Триокиназа, третий важный фермент, функционирует путем фосфорилирования GA с образованием глицеральдегид-3-фосфата (GA3P), который также производит промежуточные соединения для последующих реакций. Затем пути метаболизма глюкозы и фруктозы сливаются на стадии триозофосфата (как GA3P) и с этого момента становятся одинаковыми (Havel, 2005; Rutledge and Adeli, 2007; Ouyang et al., 2008; Лафлин, 2014). Ключевые ферменты и подробные реакции были продемонстрированы следующим образом. Соответствующие метаболические функции перечислены в таблице 2.

(1) Печеночная фруктокиназа (KHK)

Таблица 2 . Процессы метаболических реакций и скоростные функции в модели фруктозы.

Фруктоза + АТФ → KHK Фруктоза-1-фосфат + АДФ

Печеночная фруктокиназа (KHK, EC 2.7.1.3), один из трех характерных ферментов метаболизма фруктозы человека, превращает фруктозу во фруктозо-1-фосфат (F1P) путем переноса одной фосфатной группы из аденозинтрифосфата (АТФ).В отличие от фосфорилирования глюкозы, для фруктозы нет ингибирования обратной связи, что указывает на то, что активность KHK практически не контролируется регулятором. Следовательно, когда доступно достаточное количество фруктозы, значительное количество F1P вступает в последующие метаболические реакции. Кроме того, поскольку константа Михаэлиса (Km) KHK ниже, чем у глюкокиназы, было показано, что KHK эффективно в 10 раз быстрее, чем глюкокиназа, в фосфорилировании субстрата (Patel et al., 2015). С точки зрения переноса энергии, даже несмотря на то, что гуанозинтрифосфат (ГТФ) также может использоваться аналогично АТФ для этой первоначальной реакции фосфорилирования, он отвечает только за небольшую часть общего процесса, и влияние ГТФ можно игнорировать. это уравнение.

(2) Альдолаза B

Фруктозо-1-фосфат → АльдолазаBДигидроксиацетонфосфат + Глицеральдегид

После фосфорилирования фруктозо-1-фосфат (F1P) подвергается дальнейшему распаду на два трехуглеродных компонента, а именно дигидроксиацетонфосфат (DHAP) и глицеральдегид (GA) альдолазой B. Альдолаза B (EC4.1.2.13) специфична для печени. альдолаза, которую можно рассматривать как фермент, ограничивающий скорость метаболизма фруктозы в печени. Поскольку мало что известно о механизме регуляции альдолазы B, сильный аллостерический контроль для этого фермента еще не выявлен.

(3) Триозофосфат изомераза (TPI)

Дигидроксиацетонфосфат⇔TPIGA3P

DHAP изомеризуется в глицерадегид-3-фосфат (GA3P) триозофосфат-изомеразой (TPI) (E.C.5.3.1.1) быстро и обратимо.

(4) Триокиназа

Глицеральдегид + АТФ → ТриокиназаGA3P + АДФ

Основной путь метаболизма GA осуществляется через GA3P, катализируемый триокиназой (E.C.2.7.1.28). Для этой реакции требуется одна молекула фосфата из АТФ, высвобождая аденозиндифосфат (АДФ).Активность триокиназы аллостерически активируется АТФ-Mg -2 и ингибируется как АТФ, так и АДФ, предполагая, что эта печеночная триокиназа регулируется потенциалом фосфорилирования в цитоплазме. В нормальных условиях триокиназа полностью активируется.

(5) Пируваткиназа (PK)

GA3P + 2ADP + 2Pi → PK Пируват / лактат + 2ATP

Поскольку пируват может быть быстро и обратимо преобразован в лактат, в модели используется только одна переменная для обозначения этого. Пути метаболизма глюкозы и фруктозы сливаются на стадии триозофосфата и с этого момента становятся одинаковыми.GA3P расщепляется до пирувата в результате ряда ферментативных реакций. Ферментом, ограничивающим скорость в этом процессе, является пируваткиназа (PK; E.C.2.7.1.40). Здесь мы упрощаем все шесть этапов преобразования GA3P в пируват с помощью PK. Фосфат в GA3P и дополнительный свободный неорганический фосфат объединяются с молекулами АДФ с образованием двух молекул АТФ в этом процессе. Следует отметить, что две молекулы GA3P генерируются из одной молекулы фруктозы на предыдущем этапе метаболизма, поэтому в текущей реакции образуются четыре молекулы АТФ и две молекулы пирувата.Пируваткиназа аллостерически контролируется ацетил-КоА.

(6) Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK)

Пируват / лактат + 2ATP + GTP → PEPCK GA3P + 2ADP + GDP + 2Pi

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK) (E.C.4.1.1.32) ограничивает скорость превращения пирувата в GA3P, потребляя два АТФ и один гуанозинтрифосфат (GTP). Не существует идентифицированной аллостерической регуляции PEPCK, хотя многочисленные метаболиты, такие как инсулин и жирные кислоты, способны стимулировать его производство.Считается, что сверхэкспрессия PEPCK связана с высокой продукцией глюкозы и развитием диабета 2 типа (Beale et al., 2007).

(7) Комплекс пируватдегидрогеназы (PDC)

Пируват / лактат + NAD + → PDCAcetyl-CoA + NADH

Окисление пирувата регулируется пируватдегидрогеназным комплексом (PDC). Этот комплекс содержит три фермента, которые катализируют превращение пирувата в ацетил-КоА. PDC аллостерически ингибируется в механизме обратной связи ацетил-КоА, чтобы предотвратить его избыточное производство, что может привести к митохондриальному стрессу.

(8) Синтез жирных кислот

8 Ацетил-КоА + 7 АТФ → АЦЦ и ФАС Жирная кислота (пальмитат) +7 АДФ + 7Pi

Липогенез описывает процесс синтеза жирных кислот и триглицеридов. При посредничестве ацетил-КоА-карбоксилазы (АСС) (E.C.6.4.1.2) и синтазы жирных кислот (FAS) (E.C.2.3.1.85) ацетил-КоА превращается в малонил-КоА. Малонил-КоА обеспечивает двухуглеродную структуру для производства жирных кислот с короткой и длинной цепью. В метаболизме печени обнаруживаются две изоформы ACC: ACC1 способствует липогенезу, а ACC2 — бета-окислению.Пальмитат (16: 0), как наиболее распространенная насыщенная жирная кислота, был выбран для обозначения жирных кислот в этой модели с целью упрощения. Таким образом, восемь молекул ацетил-КоА расходуются на синтез одной молекулы пальмитата. Высокие концентрации жирных кислот способны аллостерически подавить этот процесс.

(9) Бета-окисление

Жирная кислота (пальмитат) + 2ATP → CPT-1 (PPARα) 8Acetyl-CoA + AMP + ADP + 3Pi

Печеночная карнитин-пальмитоилтрансфераза I (CPT-1) (E.C.2.3.1.21) — фермент, контролирующий скорость бета-окисления. В процессе метаболизма жирные кислоты расщепляются с образованием ацетил-КоА (Lim et al., 2010). Поскольку малонил-КоА является основным ингибитором СРТ-1, он аллостерически подавляет бета-окисление. Чтобы упростить уравнение, ингибирующий эффект малонил-КоА заменен ацетил-КоА, поскольку путь ацетил-КоА к образованию малонил-КоА является однонаправленным. Напротив, недавно было обнаружено, что рецепторы, активируемые пролифератором пероксисом (PPARs), способствуют бета-окислению за счет усиления экспрессии CPT1 (Kersten, 2014).Однако эту регуляцию можно предотвратить путем производства фруктозо-1-фосфата (Nomura and Yamanouchi, 2012). Следовательно, фруктозо-1-фосфат также считается аллостерическим ингибитором в процессе бета-окисления.

(10) Синтез триглицеридов

3 жирные кислоты (пальмитат) +3 ATP → глицерин-3-фосфат триглицерид + 3AMP + 7Pi

Во время синтеза триглицеридов три молекулы жирных кислот и одна основная цепь глицерина из глицерин-3-фосфата объединяются с образованием триглицерида под действием кофермента A (CoA) и нескольких ацилтрансфераз.Глицерин-3-фосфат обозначается как GA3P из-за высокой скорости обмена между этими двумя молекулами. Синтез триглицеридов регулируется инсулином и глюкагоном.

(11) Липолиз

Триглицерид → Триацилглицероллипаза Глицеральдегид + 3 жирных кислоты (пальмитат)

При расщеплении одного триглицерида выделяются три жирные кислоты. Ферментом, определяющим скорость этого процесса, является триацилглицерин липаза (E.C.3.1.1.3). Концентрация печеночного триглицерида в нормальных условиях регулируется инсулином и глюкагоном.

Кровоток печени: кросс-мембранный обмен

Печеночный кровоток поддерживается печеночными артериями, воротными венами, центральными венами и желчными протоками, которые позволяют гепатоцитам подвергаться воздействию питательных веществ, гормонов (инсулина и глюкагона) и кислорода (Hijmans et al., 2014). Применительно к König et al. (2012) и Ashworth et al. (2016) измененное уравнение Михаэлиса-Ментен используется для межмембранного обмена.При однонаправленной транспортировке в модели компоненты печеночного кровотока рассматриваются как субстраты, а соответствующие молекулы в гепатоцитах — как продукты. Для двунаправленного обмена уравнение для транспортировки ( T ):

TSHB → SH = Vmax (SSHB-SSH) км + SSHB + SSH

, где (секция) кровоток печени обозначена как SHB, а (секция) гепатоциты обозначена как SH.

Скорость транспортировки и обмена фруктозы, пирувата / лактата, жирных кислот и триглицеридов между SHB и SH сведена в Таблицу 3.Константа R HE = 4 используется для представления отношения общего количества гепатоцитов к объему печеночного кровотока, как описано у Ashworth et al. (2016). Скоростные уравнения для SHB перечислены в Таблице 5 вместе с скоростными уравнениями для раздела Кровоток: Остальная часть тела.

Таблица 3 . Скорость переноса и обмена между секциями кровотока печени (SHB) и секциями гепатоцитов (SH).

Фруктоза абсорбируется из просвета кишечника и транспортируется через мембрану щеточной каймы в воротную вену печени посредством энергозависимого процесса с участием транспортера глюкозы 5 (GLUT5) и транспортера глюкозы 2 (GLUT2), в котором GLUT 5 обладает высокой специфичностью к фруктоза (Douard and Ferraris, 2008).После поглощения фруктозы кишечником экспериментально наблюдается повышение фруктозы в плазме только на микромолярные уровни, что означает, что гепатоциты обладают способностью поглощать большую часть фруктозы во время первого прохождения через печень (Tappy and Lê, 2010). Следовательно, и GLUT2, и GLUT5 включены в модель, в которой константа Михаэлиса-Ментен для GLUT2 имеет более низкое значение, чем у GLUT5, как сообщалось ранее (Wright et al., 2012). Кроме того, GLUT 8 также упоминается с точки зрения транспорта фруктозы через печень (Manolescu et al., 2007; DeBosch et al., 2014). Однако, поскольку экспрессия GLUT8 у мышей относительно низка по сравнению с GLUT5 и GLUT2 даже при высоком воздействии фруктозы, и тот факт, что точный механизм этого переносчика у людей остается в значительной степени неизвестным, влияние GLUT8 считается незначительным в исследованиях. текущая модель (Ferraris et al., 2018).

Кровоток — Остальная часть тела

Поскольку для завершения циркуляции кровотока по телу требуется ~ 1 мин, скорость циркуляции кровотока устанавливается равной RBS = 1 / 60≈0.167 с-1. Кроме того, поскольку объем крови всего тела и печени у среднего человека составляет ~ 5 и 0,8 л соответственно, устанавливается соотношение остальной части тела и печени R RL как:

(Arias et al., 1994; Davy and Seals, 1994; Critchley, Critchley, 1999; Eipel et al., 2010; Ashworth et al., 2016).

Уравнение, представляющее кровообращение (C) от (секции) печеночного кровотока (SHB) до (секции) кровообращения (SBC), имеет следующую форму:

CSBC → SHB = RBS * (CSBC-CSHB) RRL

Диетические продукты

После кормления углеводы перерабатываются в пищеварительной системе и попадают в портальную систему печени.Согласно Руководству по питанию для американцев (2015–2020) (Health and Services, 2015), ежедневное потребление калорий здорового взрослого человека находится в диапазоне 1600–3000 ккал, из которых 45–65% получают из углеводов. Поэтому в этой модели мы установили базовый уровень, чтобы отразить среднее потребление калорий, равное 2400 ккал в день, и 50% этого источника энергии должно быть получено из углеводов. Было установлено, что общее количество углеводов в день (4 ккал / г) составляет 300 г / день, которые должны поступать в организм с пищей. Остальные калории будут состоять из белков и жиров.Однако, поскольку модель была настроена для изучения воздействия углеводов на печень, в этом исследовании не рассматриваются поступление белков и жиров.

После смешанного приема пищи диетические дисахариды и полисахариды, такие как сахароза, HFCS и крахмалы, будут расщеплены на различные пропорции моносахаридов; следовательно, фруктоза и глюкоза как основные простые сахара в рационе были выбраны в качестве диетических входов для модели. На рисунке 3 показано, что глюкоза была добавлена ​​в модель в качестве альтернативы фруктозе в рационе, и соответствующие уравнения упрощены из модели, построенной Ashworth et al.(2016), как показано в таблице 4.

Рисунок 3 . Метаболизм фруктозы в печени с поступлением глюкозы.

Периодическое моделирование потребления углеводов (показано ниже) основано на дополнительных данных, адаптированных из Ashworth et al. (2016), которая предусматривает трехразовое питание с 4-часовыми перерывами.

Диетический вход = vinput * sin6 (pi4 (часы))

Дополнительные настройки

Параметры гормональной регуляции, включая секрецию инсулина и глюкагона в кровоток (SBC), основаны на модели, построенной Hetherington et al.(2012), в то время как гормональные уравнения кровотока в печени (SHB) упрощены из модели, построенной Ashworth et al. (2016). Помимо печени, количество каждой ключевой переменной (фруктоза, глюкоза, пируват / лактат, жирная кислота и триглицерид) генерировалось ( USE переменной ) и использовалось ( UP переменной ) другими частями тела, такими как жировая и мышечная ткани, задаются такими же, как уравнения, описанные Ashworth et al.(2016).

В целом, окончательные уравнения ставок для SHB и SBC описаны в таблице 5.

Таблица 5 . Уравнения скорости как для секции кровотока печени (SHB), так и для секции кровообращения (SBC).

Моделирование модели

Моделирование было создано с использованием MATLAB_R2019a (MATLAB, RRID: SCR_001622). Функция «ode45» использовалась для параллельного решения всех обыкновенных дифференциальных уравнений. Единицы концентрации метаболита и скорости реакции представлены в микромоль / литр (мкМ / л) и микромоль / секунду (мкМ / с), соответственно.Продолжительность моделирования была установлена ​​на 12-часовой период с трехразовым питанием. Код Matlab представлен в таблице S2.

Результаты и обсуждение

Для демонстрации поведения модели было проведено три моделирования сценария. Первый прогнозирует концентрации липидов в результате различного пищевого потребления, второй исследует изменчивость скорости кинетики биохимических реакций в общей популяции, а третий тестирует эффект одного конкретного ингибитора липидного метаболизма, способствующего НАЖБП, который может быть потенциально введен.

Сценарий первый: влияние изменения потребления углеводов на накопление липидов

Как описано в разделе «Диетические входы», была создана диета, при которой здоровые субъекты потребляли 100 г углеводов на каждый прием пищи (3 раза в день). Здесь мы проверили влияние трех различных диет на отложение липидов, в том числе: 100% фруктозный прием пищи, смешанный прием пищи (50:50 фруктоза и глюкоза) и 100% глюкоза, представляющие два экстремальных состояния и еще одну реалистичную обстановку.Результаты этого моделирования представлены на рисунке 4. Уровни печеночных жирных кислот (FA), триглицеридов (TG), свободных жирных кислот в плазме (FFA), триглицеридов, а также глюкозы в крови были предсказаны после трех приемов пищи в 8:00. , 12:00 и 16:00 соответственно. Модель занимает приблизительно час для начальной переходной фразы, прежде чем установить набор последовательных прогнозов.

Рисунок 4 . Изменение накопления липидов после различных диетических приемов. (A) печеночных FA, (B) печеночных TG, (C) FFA в плазме, (D) TG в плазме и (E) глюкозы в крови.

Как показано на рисунке 4A, жирные кислоты печени начали снижаться после первого приема пищи и достигли пика примерно в 13:00 в группе, получавшей фруктозу, и ~ 13:30 у субъектов, получавших глюкозу и смешанную диету. Эти закономерности снижения обусловлены тем, что для образования одной молекулы триглицерида после еды во время процесса синтеза триглицеридов требуются три жирные кислоты. После второго приема пищи последующее время пика уровней жирных кислот, стимулированное всеми тремя диетами, наблюдалось между 17:00 и 18:00, и снова группе фруктозы потребовалось немного меньше времени для достижения максимального значения.Несмотря на то, что потребление 50% глюкозы и 50% фруктозы привело к наивысшему уровню жирных кислот печени для первого пика, значительно более высокая концентрация была вызвана фруктозной диетой после второго приема пищи. Было обнаружено, что группа, получавшая глюкозу, имела самый низкий уровень жирных кислот за период наблюдения. Концентрация печеночных ЖК в группе смешанного кормления демонстрировала более сильное периодическое поведение, чем в двух других экстремальных условиях. Что касается печеночного триглицерида (рис. 4B), кривые для глюкозной группы и смешанной углеводной группы перекрываются в течение нескольких часов после завтрака.Примерно с 13:00 группа, получавшая смесь, начала накапливать большее количество триглицеридов в печени, чем группа, получавшая глюкозу. После употребления диеты, содержащей только фруктозу, концентрация триглицеридов показала относительно резкий рост, что привело к самым высоким наблюдаемым уровням.

Помимо концентраций липидов в печени, на рисунках 4C, D показаны уровни свободных жирных кислот и триглицеридов в плазме соответственно. Подобно периодическим образцам жирных кислот печени, количество свободных жирных кислот в плазме снижалось за несколько часов до появления первого пика.Как для групп с сахарным кормом, так и для групп, содержащих только глюкозу, уровни свободных жирных кислот затем возвращались к исходному уровню примерно через 30 минут. Вторые пики этих двух групп генерировали немного более высокие значения, чем первые пики, прежде чем снова снизились до исходного уровня. Что касается модели 100% фруктозы, она показала меньшие колебания, чем две другие диеты, и представила сглаженный профиль, и не было замечено возврата к исходному уровню. В соответствии с наблюдениями печеночных FA, FFA в плазме достигли пика раньше в группе фруктозы, чем другие.Принимая во внимание уровни триглицеридов в плазме (рис. 4D), фруктозная диета давала самые высокие концентрации на протяжении всего моделирования. После первого приема пищи группа глюкозы способствовала большему производству триглицеридов, чем группа, получавшая смесь. Однако это явление изменилось в течение периода 12: 00–13: 00, когда группа смешанного сахара переросла количество глюкозной еды и продолжала увеличивать уровни триглицеридов в плазме.

Уровни глюкозы в крови были также смоделированы после употребления различных пропорций моносахаридов.Исходный нормальный уровень глюкозы в крови был установлен в рамках модели, и в дополнение к этому исследовали влияние приема пищи. Как показано на рисунке 4E, прогнозируемые пиковые значения для каждой модели диеты на протяжении периода были равны по величине, поскольку три приема пищи были разделены и индуцированы одинаково. После приема пищи с чистой фруктозой уровень глюкозы в крови оставался относительно постоянным в течение всего периода времени, в то время как для группы с чистой глюкозой и группы со смесью сахара обе они вызывали периодические динамические колебания.Очевидно, что глюкоза крови более сильно реагировала на диету с чистой глюкозой, чем на смешанную диету. Поскольку в моделях учитывались здоровые люди, эффекты инсулина в опосредовании клеточного поглощения глюкозы из крови становились более очевидными, когда уровни превышали верхние нормальные значения (> 1,2 мМ), что можно было наблюдать как притупление пикового уровня глюкозы на рисунке. .

В целом, можно заметить, что для переваривания диетической пищи, содержащей 100 г углеводов, в среднем требовалось ~ 5 часов для последующего достижения пиковых значений липидного профиля.По сравнению с жирными кислотами, триглицериды в печени и плазме накапливаются прогрессивно. Скорость накопления фруктозы была выше, чем у смешанных моделей или моделей, содержащих только глюкозу. Как для жирных кислот, так и для концентраций триглицеридов, пищевые продукты с глюкозой показали самые низкие уровни за период исследования. Кроме того, для модели глюкоза / фруктоза 50/50 кривые жирных кислот колебались более резко по сравнению с другими диетическими входами.

Клинические данные Abraha et al.(1998), Chong et al. (2007) и Stanhope et al. (2008) были использованы для сравнения прогнозов модели. Исследование, проведенное Chong et al. (2007) отобрали 14 здоровых людей для одного пробного завтрака, содержащего 0,75 г / кг фруктозы или глюкозы. Состав плазмы регистрировали в течение 6 часов, чтобы исследовать острый эффект высокоуглеводной диеты. В исследовании Stanhope et al. (2008), больший размер выборки и больший временной масштаб применялись с более обильными диетическими углеводными формами.В общей сложности 34 субъекта получали трехразовое питание с сахарозой или напитками с высоким содержанием углеводов. В этом исследовании восемь мужчин также участвовали в дополнительном исследовании, которое включало потребление чистой глюкозы и чистой фруктозы. Образцы крови всех участников были собраны в течение 24 часов. В отличие от этих двух исследований, Abraha et al. (1998) также включили пациентов с диабетом в качестве субъектов исследования для изучения влияния фруктозы на липидный профиль после приема пищи. Шесть здоровых людей и шесть диабетиков получили пробный обед с напитком, обогащенным фруктозой, или хлебом, обогащенным крахмалом.Метаболиты плазмы обеих групп регистрировались в течение 6 часов. Эти данные были выбраны, поскольку они охватывали различные пищевые углеводные композиции как у здоровых, так и у больных диабетом, которые в значительной степени подходили для тестирования совместимости построенной модели. Следует отметить, что, поскольку считается, что пациенты с диабетом и НАЖБП имеют одинаковые ответы на инсулин при индукции высокоуглеводной пищи, клинические значения, измеренные у этих пациентов с диабетом, считались эталонными показателями.Кроме того, поскольку уровни липидов в печени трудно измерить в клинических исследованиях, для сравнения с данными выбранных исследований использовались только профили липидов плазмы.

Наша модель согласуется с результатами этих трех исследований следующим образом. Прогнозы модели и литературные данные потребовали примерно одинакового времени для обработки метаболизма фруктозы. В частности, концентрации FFA в плазме в смоделированных данных упали примерно на 90 минут, прежде чем они выросли и достигли пика через ~ 5 часов.Кроме того, в соответствии с результатами этих экспериментально измеренных данных, у здоровых субъектов дополнительная концентрация триглицеридов в плазме была выше после приема пищи с чистой фруктозой, чем при других планах питания. Смоделированные результаты показывают, что потребление чистой глюкозы можно отнести к самым низким уровням триглицеридов для различных диет, что согласуется с выводами Stanhope et al. (2008). Кроме того, даже несмотря на то, что расчетным моделям относительно сложно делать прогнозы, соответствующие точным значениям клинических измерений, концентрации триглицеридов в плазме, моделируемые здесь, находились в диапазоне 1000–2000 мкмоль для групп кормления глюкозой и сахаром. здоровые предметы.Несмотря на то, что воздействие чистой фруктозы приводило к значению ТГ в плазме до 3000 мкмоль в модельных прогнозах, этот уровень все еще был ниже, чем ТГ в плазме, измеренный у диабетиков после пробного завтрака с фруктозой (около 3800 мкмоль). Этот результат свидетельствует о том, что прогнозы модели указывают на нормальный диапазон уровней ТГ в плазме у здорового населения, даже с учетом двух экстремальных условий. Прогнозы уровня глюкозы в крови также совпадали с данными литературы, приведенными выше. Кроме того, есть некоторые расхождения между экспериментальными цифрами и смоделированными числами.Следует отметить, что пики FFA в плазме, вызванные употреблением смешанной диеты, были выше, чем пики диеты с чистой фруктозой. Однако это несоответствие может быть вызвано механизмом, посредством которого фруктоза способна увеличивать усвоение глюкозы печенью, что указывает на синергетический эффект фруктозы и глюкозы в синтезе жирных кислот.

Сценарий второй: влияние различных констант скорости реакции на метаболический процесс в печени

Константы скорости указывают на максимальную способность ферментов в метаболических реакциях, на которые влияют многочисленные факторы, например.г., возраст, диета, образ жизни и генетическая предрасположенность. Чтобы изучить изменчивость этих констант скорости метаболических процессов в печени, был проведен анализ чувствительности ОАТ (по одному) путем изменения 11 ключевых констант скорости пути фруктозы в гепатоцитах (SH). Поскольку нормальный диапазон для здоровой функции печени может существенно различаться у разных людей, возможно, на целых 25% в соответствии с мерами клиренса красителя, разработанными для оценки функции детоксикации (Vos et al., 2014), среднее значение 10% вариации было применено к каждая константа скорости отражает ожидаемые метаболические различия среди здоровых субъектов.Разумно выбрать это значение, поскольку оно достаточно велико, чтобы вызывать очевидные изменения уровня липидов, что позволяет нам признать относительную важность метаболических реакций, но достаточно мало, чтобы поддерживать его в пределах здорового диапазона. Диета 50/50 фруктоза / глюкоза была установлена ​​в качестве стандартного входа, и моделирование проводилось в течение 12 часов для рассмотрения острого эффекта. Концентрации жирных кислот и триглицеридов в печени и плазме регистрировали в качестве конечных точек для анализа. Результаты представлены в таблице 6.

Таблица 6 . Результаты анализа чувствительности констант скорости в разделе гепатоциты (SH).

Уровни ТГ в печени были наиболее чувствительны к скорости реакции, связанной с пируваткиназой, ферментом, ограничивающим скорость, который превращает триозофосфатный продукт GA3P в пируват как для фруктозы, так и для глюкозы. Повышение ферментативной активности пируваткиназы на 10% привело к накоплению 320,09 мкмоль ТГ в печени и 74,51 мкмоль ТГ в плазме, тогда как снижение этого показателя на 10% вызвало снижение на 357.91 и 83,11 мкмоль в ТГ печени и плазмы соответственно. Во-вторых, наблюдалось повышение уровня ТГ в печени на 281,15 мкмоль и на 42,43 мкмоль в плазме в результате повышения уровня активности KHK на 10%. Было обнаружено снижение уровня ТГ в печени на 325,16 мкмоль и на 49,38 мкмоль, когда KHK ингибировался на 10%. Причина того, что изменения печеночных триглицеридов были больше, чем изменения триглицеридов в плазме, заключается в том, что в нормальных условиях в печени хранится около 5% липидов организма, поэтому уровень триглицеридов в печени обычно намного выше, чем в плазме. .Два значительных изменения активности пируваткиназы и KHK предполагают, что они, вероятно, являются ключевыми детерминантами индивидуальной чувствительности к прогрессированию простого отложения липидов в печени. Однако, поскольку KHK вносит исключительно вклад в метаболический путь фруктозы, он был выбран для дальнейшего исследования в третьем сценарии. Помимо PK и KHK, PEPCK, PDC и FAS также экспрессируются с высокой чувствительностью к уровням липидов, особенно к концентрациям TG в печени.

Сценарий третий: влияние на НАЖБП посредством потенциальной интервенционной мишени KHK

Ранние стадии НАЖБП идентифицируются по простому накоплению липидов в гепатоцитах.Потенциально фруктоза способствует увеличению липогенеза de novo в печени, тем самым способствуя этому накоплению внутри клеток. Как показано во втором сценарии, фруктокиназа (KHK) в этом процессе представляет интерес как потенциальная точка вмешательства. KHK не ограничивается доступностью аденозинтрифосфата (АТФ) или цитрата (как в случае глюкокиназы в гликолитическом пути) как части процесса фосфорилирования фруктозы, который потенциально доставляет большое количество субстрата для липогенеза.В этом сценарии диета только на фруктозе, представленная в первом сценарии (100 г / прием пищи), была представлена ​​как представление о здоровом субъекте. Диета с очень высоким содержанием фруктозы (150 г / прием пищи) использовалась для моделирования развития простого состояния простеатоза, при котором наблюдалось 18,34% -ное увеличение печеночных триглицеридов. Этот параметр соответствовал критериям легкого стеатоза (Petäjä and Yki-Järvinen, 2016). После кормления диетой с очень высоким содержанием фруктозы моделировались три степени ингибирования KHK, включая 50% подавление, 70% подавление и полное подавление фермента.Результаты представлены на фиг. 5. Ингибирование экспрессии KHK на 50% способно эффективно снижать концентрации липидов в печени. Дальнейшее подавление KHK на 70% позволяет значительно снизить концентрацию FFA в плазме (рис. 5C). Когда KHK полностью подавлялся, печеночные FA, печеночные TG, FFA плазмы и плазма поддерживались в пониженном стационарном состоянии. Эти полные предсказания ингибирования согласуются с недавним исследованием Miller et al. (2018), которые показали, что после кормления диетой с высоким содержанием фруктозы и высоким содержанием жиров уровень триглицеридов в плазме резко снижается у мышей с нокаутом KHK по сравнению с контрольными животными дикого типа.

Рисунок 5 . Изменение накопления липидов после ингибирования KHK. (A) печеночных FA, (B) печеночных TG, (C) FFA в плазме и (D) TG в плазме.

Хотя мы уверены в модели, мы понимаем, что необходимы дальнейшие работы по валидации, чтобы улучшить и расширить модель. Моделирование в трех приведенных выше сценариях предполагает, что модель является надежной и имеет достаточно деталей, чтобы представить кинетическую взаимосвязь между фруктозой и липидами в печени.Однако у модели есть свои ограничения. Во-первых, текущая модель может представить только острые эффекты диеты с различными углеводами. Поскольку развитие НАЖБП является хроническим и многофакторным, применение только одной модели органа для исследования патологического механизма в течение длительного периода может привести к кумулятивным ошибкам. Во-вторых, фактическое потребление с пищей сложнее, чем представлено в этой модели. Модель предназначена только для ответа на поступление углеводов. Надежность прогнозов можно улучшить, если включить потребление белков и жиров для дальнейшего расширения модели.Кроме того, структура печени сложна, и текущее моделирование рассматривает печень как сосредоточенную модель, которая не учитывает зональность по пластине печени. Более полное понимание и более точная информация были бы предоставлены, если бы модель могла быть дополнительно уточнена и расширена для включения зональных эффектов.

Выводы и дальнейшая работа

В этом исследовании мы представили вычислительную модель метаболизма фруктозы в печени. Модель была проверена на экспериментальных данных и показала, что она предсказывает основные тенденции, предполагая, что чрезмерное потребление фруктозы приводит к дислипидемии, связанной с НАЖБП.Модель также использовалась для определения и изучения потенциальной точки регулирования для нового терапевтического вмешательства на основе чувствительности скорости реакции. Поскольку фруктокиназа признана ключевой детерминантой пути фруктозы, был смоделирован эффект подавления активности фруктокиназы. Когда экспрессия KHK подавлялась на 50%, происходило эффективное снижение липидного отложения, облегчая простой стеатоз, в то время как полностью подавленная экспрессия KHK вызывала заметное снижение накопления липидов.Эти результаты совпадают с экспериментальными данными, полученными на животных с нокаутом, и должны быть дополнительно подтверждены клеточными экспериментальными исследованиями с учетом того, что предпочтительным результатом может быть модификация опосредованного фруктозой липогенеза, а не полное ингибирование. Кроме того, в качестве кандидатов на терапевтическое лечение можно было бы протестировать больше потенциальных регуляторных мишеней.

Мы полагаем, что моделирование органов in silico Модельные системы найдут множество применений при разработке будущих терапевтических стратегий и представляют собой область будущего роста для моделирования заболеваний с использованием количественных подходов, применяемых инженерами для решения сложных проблем.Эти исследования должны включать сотрудничество между инженерами и коллегами-клиницистами.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / Дополнительные материалы.

Авторские взносы

Вычислительная модель была построена и проанализирована YL под руководством ND и IB. YL написал рукопись при поддержке ND и IB. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

YL был поддержан стипендией для совместных исследований UCL-CSC.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2020.00762/full#supplementary-material

Таблица S1. Начальные значения переменных и значений параметров, используемых в модели.

Таблица S2. Файл кода Matlab метаболизма фруктозы.

Список литературы

Абраха А., Хамфрис С. М., Кларк М. Л., Мэтьюз Д. Р. и Фрейн К. Н. (1998). Острое влияние фруктозы на липемию после приема пищи у диабетиков и недиабетиков. Br. J. Nutr. 80, 169–175. DOI: 10.1017 / S000711459800107X

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аллен, Р.Дж. И Мусанте К. Дж. (2017). Моделирование липогенеза de novo в печени, вызванного нагрузкой фруктозой, путем упрощения модели. Gene Regul. Syst. Биол. 11, 11776250176

. DOI: 10.1177 / 11776250176

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аллен, Р. Дж., И Мусанте, К. Дж. (2018). Математический анализ адаптации к метаболической судьбе фруктозы у субъектов с эссенциальной фруктозурией. Am. J. Physiol.-Endocrinol. Метабол. 315, E394 – E403.DOI: 10.1152 / ajpendo.00317.2017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ариас, М. И., Бойер, Дж. Л., Фаусто, Н., Якоби, В. Б., Шахтер, Д. А., и Шафриц, Д. А. (1994). Биология и патология печени . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Raven Press.

Google Scholar

Эшворт, В. Б., Дэвис, Н. А., Богл, И. Д. Л. (2016). Вычислительная модель метаболизма энергии в печени: понимание зонального повреждения и стеатоза при НАЖБП. PLoS Comput. Биол. 12: e1005105. DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1005105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басараноглу, М., Басараноглу, Г., Сабунку, Т., и Сентурк, Х. (2013). Фруктоза как ключевой фактор в развитии жировой болезни печени. World J. Gastroenterol. 19, 1166–1172. DOI: 10.3748 / wjg.v19.i8.1166

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брей, Г. А., Нильсен, С. Дж., И Попкин, Б.М. (2004). Потребление кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы в напитках может сыграть роль в эпидемии ожирения. Am. J. Clin. Nutr. 79, 537–543. DOI: 10.1093 / ajcn / 79.4.537

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бриггс, А. Д., Миттон, О. Т., Кельбахер, А., Тиффин, Р., Эльхусейн, А., Райнер, М., и др. (2017). Оценка воздействия на здоровье налога на промышленность безалкогольных напитков в Великобритании: исследование моделирования сравнительной оценки рисков. Lancet Public Health 2, e15 – e22.DOI: 10.1016 / S2468-2667 (16) 30037-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чалхуб Э., Хэнсон Р. В. и Белович Дж. М. (2007a). Компьютерная модель глюконеогенеза и липидного обмена в перфузированной печени. Am. J. Physiol. Эндокринол. Метабол. 293, E1676 – E1686. DOI: 10.1152 / ajpendo.00161.2007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чалхуб, Э., Се, Л., Баласубраманян, В., Ким, Дж., И Белович, Дж.(2007b). Распределенная модель транспорта и метаболизма углеводов в печени во время отдыха и высокоинтенсивных упражнений. Ann. Биомед. Англ. 35, 474–491. DOI: 10.1007 / s10439-006-9217-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чонг, М. Ф., Филдинг, Б. А., Фрейн, К. Н. (2007). Механизмы острого действия фруктозы на постпрандиальную липемию. Am. J. Clin. Nutr. 85, 1511–1520. DOI: 10.1093 / ajcn / 85.6.1511

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кричли, Л.А. и Кричли Дж. А. (1999). Метаанализ исследований с использованием статистических данных смещения и точности для сравнения методов измерения сердечного выброса. J. Clin. Монит. Comput. 15, 85–91. DOI: 10.1023 / A: 1009982611386

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

ДеБош, Б. Дж., Чен, З., Сабен, Дж. Л., Финк, Б. Н., и Моли, К. Х. (2014). Переносчик глюкозы 8 (GLUT8) опосредует индуцированный фруктозой липогенез de novo и макростеатоз. Дж.Биол. Chem. 289, 10989–10998. DOI: 10.1074 / jbc.M113.527002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дуард В., Феррарис Р. П. (2013). Роль переносчиков фруктозы в заболеваниях, связанных с чрезмерным потреблением фруктозы. J. Physiol. 591, 401–414. DOI: 10.1113 / jphysiol.2011.215731

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дуарте, Н. К., Беккер, С. А., Джамшиди, Н., Тиле, И., Мо, М. Л., Во, Т.D., et al. (2007). Глобальная реконструкция метаболической сети человека на основе геномных и библиомических данных. Proc. Nat. Акад. Sci. США 104, 1777–1782. DOI: 10.1073 / pnas.0610772104

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дуарте, С. М. Б., Стефано, Дж. Т., Ванни, Д. С., Каррильо, Ф. Дж., И Оливейра, К. П. М. С. Д. (2019). Влияние текущей диеты на риск неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Arquivos Gastroenterol. 56, 431–439.DOI: 10.1590 / s0004-2803.201

0-67

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эйпель, К., Абсхаген, К., и Фоллмар, Б. (2010). Регуляция печеночного кровотока: еще раз о реакции печеночного артериального буфера. World J. Gastroenterol. 16, 6046–6057. DOI: 10.3748 / wjg.v16.i48.6046

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эстес, К., Ансти, К. М., Ариас-Лосте, М. Т., Бантел, Х., Беллентани, С., Кабальерия, Дж., и другие. (2018). Моделирование бремени болезней в Китае, Франции, Германии, Италии, Японии, Испании, Великобритании и США на период 2016–2030 гг. J. Hepatol. 69, 896–904. DOI: 10.1016 / j.jhep.2018.05.036

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарфинкель Д. (1971). Моделирование цикла Кребса и тесно связанного с ним метаболизма в перфузированной печени крысы. I. Построение модели. Comput. Биомед. Res. 4, 1–17. DOI: 10.1016 / 0010-4809 (71) -9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гилле, К., Bölling, C., Hoppe, A., Bulik, S., Hoffmann, S., Hübner, K., et al. (2010). HepatoNet1: комплексная метаболическая реконструкция гепатоцита человека для анализа физиологии печени. Мол. Syst. Биол. 6: 411. DOI: 10.1038 / msb.2010.62

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хашем, К. М., Хе, Ф. Дж., Олдертон, С. А., и Макгрегор, Г. А. (2019). Поперечное исследование количества сахара и энергии в шоколадных кондитерских изделиях, проданных в Великобритании в 1992 и 2017 годах. Питательные вещества 11: 1798. DOI: 10.3390 / nu11081798

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гавел, П. Дж. (2005). Диетическая фруктоза: последствия для нарушения регуляции энергетического гомеостаза и липидного / углеводного обмена. Nutr. Ред. 63, 133–157. DOI: 10.1111 / j.1753-4887.2005.tb00132.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Здравоохранение и услуги (2015). Министерство сельского хозяйства США, Рекомендации по питанию для американцев на 2015–2020 гг. .Вашингтон.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Хетерингтон, Дж., Самнер, Т., Сеймур, Р., Ли, Л., Рей, М. В., Ямаджи, С. и др. (2012). Составная вычислительная модель гомеостаза глюкозы в печени. I. Построение составной модели. J. R. Soc. Интерфейс 9, 689–700. DOI: 10.1098 / rsif.2011.0141

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хиджманс, Б. С., Грефхорст, А., Остервеер, М. Х., Гроен, А. К. (2014).Зонирование метаболизма глюкозы и жирных кислот в печени: механизм и метаболические последствия. Biochimie 96, 121–9. DOI: 10.1016 / j.biochi.2013.06.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дженсен Т., Абдельмалек М. Ф., Салливан С., Надо К. Дж., Грин М., Ронкал К. и др. (2018). Фруктоза и сахар: основные медиаторы неалкогольной жировой болезни печени. J. Hepatol. 68, 1063–1075. DOI: 10.1016 / j.jhep.2018.01.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кениг, М., Bulik, S., и Holzhütter, H.-G. (2012). Количественная оценка вклада печени в гомеостаз глюкозы: подробная кинетическая модель метаболизма глюкозы в печени человека. PLoS Comput. Биол. 8: e1002577. DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1002577

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ку, Х.-Й., Валлиг, М.А., Чунг, Б.Х., Нара, Т.Ю., Чо, Б.С., и Накамура, М.Т. (2008). Диетическая фруктоза индуцирует широкий спектр генов с отчетливым сдвигом в углеводном и липидном обмене в печени крыс после еды и натощак. Biochim. Биофиз. Acta 1782, 341–348. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2008.02.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лим, Дж. С., Митус-Снайдер, М., Валенте, А., Шварц, Ж.-М., и Люстиг, Р. Х. (2010). Роль фруктозы в патогенезе НАЖБП и метаболического синдрома. Нат. Преподобный Гастроэнтерол. Гепатол. 7, 251–264. DOI: 10.1038 / nrgastro.2010.41

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

млн лет назад, H., Сорокин А., Мазеин А., Сельков А., Сельков Е., Демин О. и др. (2007). Реконструкция метаболической сети человека в Эдинбурге и ее функциональный анализ. Мол. Syst. Биол. 3: 135. DOI: 10.1038 / msb4100177

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мальдонадо, Э. М., Фишер, К. П., Маззатти, Д. Дж., Барбер, А. Л., Тиндалл, М. Дж., Плант, Н. Дж. И др. (2018). Многомасштабные общесистемные модели метаболической адаптации печени к жиру и сахару при неалкогольной жировой болезни печени. NPJ Syst. Биол. Прил. 4, 1–10. DOI: 10.1038 / s41540-018-0070-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манолеску, А. Р., Витковска, К., Киннард, А., Сессфорд, Т., и Чизман, К. (2007). Облегченные транспортеры гексозы: новый взгляд на форму и функции. Физиология 22, 234–240. DOI: 10.1152 / Physiol.00011.2007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Miele, L., Valenza, V., La Torre, G., Montalto, M., Cammarota, G., Ricci, R., et al. (2009). Повышенная кишечная проницаемость и нарушение плотных переходов при неалкогольной жировой болезни печени. Гепатология 49, 1877–1887. DOI: 10.1002 / hep.22848

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллер, К. О., Янг, X., Лу, К., Цао, Дж., Херат, К., Розаль, Т. В. и др. (2018). Мыши с нокаутом кетогексокиназы, модели эссенциальной фруктозурии, демонстрируют измененный метаболизм фруктозы и защищены от метаболических нарушений, вызванных диетой. Am. J. Physiol. Эндокринол. Метабол. 315, E386 – E393. DOI: 10.1152 / ajpendo.00027.2018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нафталин Р. Дж. (2016). Компьютерная модель, имитирующая абсорбцию и метаболизм глюкозы у человека при нарушениях здоровья и нарушениях обмена веществ. F1000 Рес . 5: 647. DOI: 10.12688 / f1000research.8299.1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Номура, К., Яманучи, Т. (2012). Роль диеты, обогащенной фруктозой, в механизмах неалкогольной жировой болезни печени. J. Nutr. Biochem. 23, 203–208. DOI: 10.1016 / j.jnutbio.2011.09.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ноорман М., Аллен Р., Мусанте К. Дж. И Бэнкс Х. Т. (2019). Анализ компартментов в сериях моделей метаболизма печени в виде уравнений в частных производных: влияние дисперсии и количества компартментов. Math. Biosci. Англ. MBE 16: 1082. DOI: 10.3934 / mbe.2019052

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оуян, X., Чирилло П., Саутин Ю., Макколл С., Брюшетт Дж. Л., Диль А. М. и др. (2008). Потребление фруктозы как фактор риска неалкогольной жировой болезни печени. J. Hepatol. 48, 993–999. DOI: 10.1016 / j.jhep.2008.02.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Патель К., Сугимото К., Дуард В., Шах А., Инуи Х., Яманучи Т. и др. (2015). Влияние фруктозы с пищей на уровни фруктозы в портальной и системной сыворотке крови у крыс и мышей KHK ff и GLUT5 -5n . Am. J. Physiol. Гастроинтест. Liver Physiol. 309, G779 – G790. DOI: 10.1152 / ajpgi.00188.2015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петя, Э. М., Ики-Ярвинен, Х. (2016). Определения нормального жира в печени и связи чувствительности к инсулину с приобретенной и генетической НАЖБП — систематический обзор. Внутр. J. Mol. Sci. 17: 633. DOI: 10.3390 / ijms17050633

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ратледж, А.К., и Адели, К. (2007). Фруктоза и метаболический синдром: патофизиология и молекулярные механизмы. Nutr. Rev. 65, 13–23. DOI: 10.1111 / j.1753-4887.2007.tb00322.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Softic, S., Cohen, D. E., and Kahn, C. R. (2016). Роль диетической фруктозы и липогенеза печени de novo при жировой болезни печени. Dig. Дис. Sci. 61, 1282–1293. DOI: 10.1007 / s10620-016-4054-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стэнхоуп, К.Л., Гриффен, С. К., Бэр, Б. Р., Сварбрик, М. М., Кейм, Н. Л., и Гавел, П. Дж. (2008). Двадцать четыре часа эндокринных и метаболических профилей после употребления напитков с высоким содержанием фруктозы кукурузного сиропа, сахарозы, фруктозы и глюкозы во время еды. Am. J. Clin. Nutr. 87, 1194–1203. DOI: 10.1093 / ajcn / 87.5.1194

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Самнер Т., Хетерингтон Дж., Сеймур Р. М., Ли, Л., Рей, М. В., Ямаджи, С. и др.(2012). Составная вычислительная модель гомеостаза глюкозы в печени. II. Изучение поведения системы. J. R. Soc. Интерфейс 9, 701–706. DOI: 10.1098 / rsif.2011.0783

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вентура, Э. Э., Дэвис, Дж. Н., Горан, М. И. (2011). Содержание сахара в популярных подслащенных напитках на основе объективного лабораторного анализа: основное внимание уделяется содержанию фруктозы. Ожирение 19, 868–874. DOI: 10.1038 / oby.2010.255

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вос, Дж.Дж., Виташ, Дж. Г., Абсалом, А. Р., Хендрикс, Х. Г., и Шерен, Т. В. (2014). Зеленый свет для мониторинга функции печени с использованием индоцианинового зеленого? Обзор текущих клинических приложений. Анестезия 69, 1364–1376. DOI: 10.1111 / anae.12755

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райт, Э. М., Сала-Рабанал, М., Лоо, Д. Д. Ф. и Хираяма, Б. А. (2012). «Глава 58 — всасывание сахара», в Physiology of the Gastrointestinal Tract, 5th Edn , eds L.Р. Джонсон, Ф. К. Гишан, Дж. Д. Кауниц, Дж. Л. Мерчант, Х. М. Саид и Дж. Д. Вуд (Бостон, Массачусетс: Academic Press). DOI: 10.1016 / B978-0-12-382026-6.00058-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юноси, З. М., Кениг, А. Б., Абделатиф, Д., Фазель, Ю., Генри, Л., и Ваймер, М. (2016). Глобальная эпидемиология неалкогольной жировой болезни печени — метааналитическая оценка распространенности, заболеваемости и исходов. Гепатология 64, 73–84. DOI: 10.1002 / hep.28431

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *