【原】科研 | Cell Metabolism：小肠将膳食中的果糖转化为葡萄糖和有机酸

微生态 2021-04-13

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导读

葡萄糖和果糖是一种己糖，在过去的两个世纪里，膳食果糖的人均消费量增加了100倍，占卡路里摄入量的10%。果糖的过量食用被认为是代谢性疾病的罪魁祸首。流行病学研究表明，果糖摄入量过高与肥胖、非酒精性脂肪肝、2型糖尿病、肾功能不全和心血管疾病之间有很强的相关性。然而，这种联系背后的生物机制仍然不清楚。此外，果糖与葡萄糖代谢的差异也可能导致代谢性疾病，葡萄糖的磷酸化在6位碳上，果糖的磷酸化在1位碳上。虽然果糖的生化代谢途径已经解释清楚，但是果糖在全身如何进行代谢并不清楚。研究表明，已酮糖激酶（Khk）是果糖代谢的关键酶。肝脏和肾脏是葡萄糖生成的主要器官，同样，肠道也对整个代谢中糖异生有显著的贡献。肠道特异性基因敲除小鼠研究表明，长期禁食后，肠道对全身性糖异生的贡献率为25%。

本研究使用同位素示踪剂和代谢组学的方法，定量研究不同的器官对果糖代谢的贡献。结果显示，小肠在果糖代谢中起着重要作用，能够将果糖转化为葡萄糖和其它循环代谢产物。

论文ID

原名：The Small Intestine Converts Dietary Fructose into Glucose and Organic Acids

译名：小肠将膳食中的果糖转化为葡萄糖和有机酸

期刊：Cell Metabolism

IF：18.164

发表时间：2018年

通讯作者：Joshua D. Rabinowitz

作者单位：普林斯顿大学

实验设计

实验内容

1 食物中果糖的转化

分别标志果糖、葡萄糖的碳13，进行定量研究，一组小鼠灌服有标志的果糖与无标志的葡萄糖（比例为1:1），另一组小鼠灌服无标志的果糖与有标志的葡萄糖（比例为1:1）。结果显示，20 min后，葡萄糖的血药浓度约为2 mM，但果糖的血药浓度为0.1 mM。果糖的转化形式较葡萄糖多。果糖可转化为葡萄糖、三羧酸循环中间体、尿循环中间体等。检测到果糖转化为甘油酸酯是葡萄糖的11倍。说明，葡萄糖进入血液后存在形式不变，果糖进入血液后代谢为葡萄糖和有机酸。

图1 同位素示踪揭示口服葡萄糖与果糖代谢产物的差异

2 小肠是清除果糖的主要器官

2.1 结果显示，葡萄糖的代谢发生在6位碳上，果糖的代谢发生在1位碳上（Fig2.A）。在肝脏、肾脏、胰腺、小肠等部位有大量果糖代谢产物F1P（Fig2.B）。口灌服有标志的果糖与无标志的葡萄糖，空肠＞十二指肠＞回肠部位的F1P高（Fig2.C）。口灌服无标志的果糖与有标志的葡萄糖，，发现肌肉、肝脏、小肠部位的葡萄糖代谢产物G6P高（Fig2.D）。小肠通过主动转运代谢果糖，通过被动转运代谢葡萄糖。

图2 食物中果糖在小肠内的代谢过程

2.2 为评价小肠对果糖的清除能力。检测肝脏和小肠静脉中代谢物的量。结果显示，吸收的营养物质通过门静脉从肠道传递到肝脏从而到达全身进行体循环（Fig.3A）。13C-葡萄糖与未标记果糖口服后，门静脉中迅速出现标记的葡萄糖。同样，当未标记的葡萄糖与13C-果糖一起口服时，标记的果糖很快就会出现在门静脉血液中。然而，标记果糖在门静脉的浓度比标记葡萄糖低10倍（Fig.3B）。事实上，当使用标记果糖时，由于果糖的代谢，标记的葡萄糖很快超过门静脉中标记的果糖（Fig.3C）。在动物同位素标记模式的检测中，表明六个碳的果糖被分解成三个碳单位（Fig.3D）。对敲除Khk基因的小鼠进行实验，敲除Khk基因的小鼠静脉中果糖浓度是控制组的13倍（Fig.3E）, 13C-果糖在静脉中几乎未检测到（Fig.3F）,在敲除基因小鼠的小肠与肝脏中未检测到F1P。说明，小肠依赖Khk基因清除果糖。

图3 果糖在小肠内代谢过程

2.3 小肠吸收动脉血到达静脉，静脉中存在大量肠代谢的产物（Fig.4A）。依据AUC对果糖及葡萄糖代谢产物分析，发现，42%的果糖通过小肠转化为葡萄糖（Fig.4C），20%的果糖转化为乳酸（Fig.4D），10%的果糖转化为丙氨酸（Fig.4E）,仅有14%的果糖被小肠清除（Fig.4F），3%的果糖转化为有机酸（Fig.4G）。

图4 定量分析肠道果糖代谢产物

3 高剂量果糖被肝脏和微生物清除

为研究果糖剂量与代谢性疾病的联系，采用不同剂量的果糖喂食小鼠。结果显示，剂量为0.5 g/kg时，果糖代谢产物葡萄糖的产量增加最快（Fig.5A）。增加果糖的剂量，静脉中13C-果糖/13C-葡萄糖的比率增高（Fig.5B）。果糖剂量为0.5 g/kg时，F1P在空肠的增率最高，果糖剂量为1 g/kg时，F1P在肝脏的增率最高（Fig.5C）。服用高剂量果糖时，在粪便中可以检测到果糖以及F6P，但是未检测到F1P（Fig.5D，Fig.5E）。进一步研究发现，微生物利用果糖碳代谢产生氨基酸、短链脂肪酸等（Fig.5F）。说明，果糖的代谢主要发生在肠，高剂量的果糖则由肝脏与微生物代谢。

图5 定量分析果糖代谢产物

4 服用果糖史对果糖代谢的影响

研究结果显示，低剂量的果糖通过小肠进行代谢，高剂量的果糖不能完全被小肠代谢，则通过肠吸收后，由肝脏或微生物进行代谢。前人研究发现，如果之前有服用果糖的历史，再次服用果糖时，肠代谢果糖的能力增加。记录小鼠5天内的果糖代谢能力，小鼠第5天的果糖代谢能力高于第一天（Fig.6A）。机制研究发现，Glut5、G6pc与果糖的代谢有关，在果糖代谢发时，Glut5、G6pc在2小时内增加了20倍（Fig.6B, Fig.6C）。观察2周内肠道果糖的代谢能力，第7天肠代谢果糖能力最高，14天又变低（Fig.6D）。同时，发现小鼠在喂食与禁食时果糖的代谢能力不同（Fig.6E,Fig.6F,Fig.6G）。