Фруктоза метаболизмі: KHK, ChREBP және бауыр липидтері

Фруктоза липид синтезіне көміртек береді және липогендік ферменттердің экспрессиясын арттыра алатын метаболизмдік сигналдарды қалыптастырады. Оның әр тінге қанша және қаншалықты жылдам жететіні, энергия теңгерімі, инсулин әсері мен бауырдың жағдайы маңызды. Биохимиялық сызба ықтимал реакцияларды көрсетеді; ол құрамында фруктоза бар кез келген тағам бауырды зақымдайтынын өздігінен дәлелдемейді.

Эволюция, тағам түрі және атаулар

Адамда және басқа адамтәрізді маймылдарда қызмет атқаратын уратоксидаза, UOX, жоқ. Ежелгі ферменттерді қалпына келтіру приматтар эволюциясында уриказа белсенділігінің біртіндеп төмендеп, кейін геннің белсенділігін жоғалтқанын қолдайды. Уриказа алдымен 5-гидроксиизоурат түзеді, келесі реакциялар аллантоин береді. Ураттың жоғарылауы жеміс тапшы кезеңдерде энергия жинауға көмектесті деген пікір — эволюциялық гипотеза. Ол нақты тағам мөлшерінің қазіргі ауруға себеп болатынын немесе ежелгі және қазіргі күндік фруктоза тұтынудың бәріне ортақ санын анықтамайды (Kratzer, 2014).

Сахароза қорытылғанда глюкоза мен фруктозаның молярлық мөлшері шамамен тең болады. HFCS-55 құрғақ қант бөлігінің шамамен 55%-ы фруктоза, 42%-ы глюкоза, қалғаны басқа сахаридтер; өзге сироптар басқаша болуы мүмкін. Жалпы қосылған қант, порция, тағам пішіні және энергия теңгерімі ескеріледі. Тұтас жемісте су, талшық және сақталған тағам матрицасы бар, оны жеу әдетте тәтті сусын ішкеннен баяуырақ. Шырын мен эксперименттегі жылдам фруктоза болюсы тұтас жеміске тең емес. Сусынмен қосымша энергия алу басқа көмірсуды бірдей калориямен алмастырудан өзгеше.

MASLD — метаболизмдік дисфункциямен байланысты бауырдың стеатоздық ауруы — стеатозды және кемінде бір анықталған кардиометаболизмдік қауіп факторын талап етеді. Алкоголь және басқа себептер стеатоздық аурулар жіктемесінде бағаланады. Ескі зерттеулердегі NAFLD атауы олардың бастапқы популяциясын сипаттау үшін сақталады. MASH стеатогепатитті де қамтиды; фиброз бен циррозға өту әртүрлі және міндетті емес. Май тінінен келетін май қышқылдары, тағам майы, синтез, тотығу және экспорт бауыр майын бірге анықтайды. Бұл байланыстар эктопиялық май және TOFI фенотипі туралы мақалада түсіндіріледі (Rinella, 2023).

Бауырға дейінгі ішек өңдеуі

SLC2A5 кодтайтын апикалдық GLUT5 фруктозаны жеңілдетілген диффузиямен тасымалдайды; базолатералдық GLUT2 энтероциттен шығуына қатысады. Глюкоза натрийге тәуелді SGLT1 жүйесін де пайдаланады. GLUT2-нің апикалдық мембранаға келуі модель мен жағдайға байланысты, сондықтан адамдағы сіңудің бір әмбебап сызбасын білдірмейді.

Энтероциттерде KHK және альдолаза B бар; олар фруктозаны глюкоза мен органикалық қышқылдарға айналдыра алады. Тышқандардағы ауыз арқылы берілген изотоптық трассер төмен жүктемеде ішек клиренсінің елеулі екенін, ал мүмкіндік асқанда бауыр мен тоқ ішекке көбірек фруктоза жететінін көрсетті (Jang, 2018). Тышқан дозалары адам үшін қауіпсіз алма санын немесе сусын көлемін анықтамайды. Тұтыну жылдамдығы, бейімделу, бірге түскен глюкоза және ішек мүмкіндігі әсер етеді. Порталдық концентрация бейіні шеткергі қаннан өзгеше, бірақ әр асқа тұрақты порталдық сан немесе бауырдың бөліп алу үлесін тағайындауға болмайды.

KHK изоформалары, кинетикасы және құрылымы

Адамның KHK гені 2p23.3 аймағында орналасқан. Бірін-бірі жоққа шығаратын баламалы экзондар KHK-A және KHK-C түзеді. Құрылымдық салыстыруда 72–115 қалдықтар аймағы өзгеше; ол орталық қатпар мен димер шекарасына әсер етеді. KHK-C бауырда, бүйректе және ішекте көбірек, KHK-A кеңірек таралған. Бұл экспрессия бейімділігі, абсолютті тіндік шектеу емес. Рекомбинанттық ферменттерде KHK-C фруктозаға жоғарырақ жақындық көрсетеді, ал тұрақтылар өлшеу жағдайына тәуелді (Asipu, 2003; Diggle, 2009; Trinh, 2009).

Бұл сандар қарапайым Михаэлис–Ментен қатынасымен есептелген, порталдық концентрацияны немесе бүкіл мүше ағынын өлшемейді:

$$\frac{v}{V_{\max}}=\frac{[S]}{K_m+[S]}.$$

[S] пен Km бірдей концентрация бірлігінде. 2–5 ммоль/л кезінде модель KHK-C толық қанығады демейді. Фермент мөлшері мен жағдайды ескермей Vmax пен айналым санын әр препарат арасында көшіру дұрыс емес.

KHK pfkB көмірсу киназалары отбасына жатады және димер түзеді. Әр суббірлікте орталық α/β-домен және шекара мен белсенді саңылауға қатысатын шағын β-қабат домені бар. Trinh әріптестері бос KHK-A, оның фруктоза/нуклеотид аналогымен кешені және бос KHK-C құрылымдарын анықтады. PDB 3B3L — 2,9 Å ажыратымдылықтағы адам KHK-C; 2HLZ — KHK-A. 3NBD саңырауқұлақ лектинына жатады және бұл ферментке қатысы жоқ. KHK-A кешенінде Asp15, Gly41, Asn42, Asn45, Asp258 фруктозамен байланысады; сақталған C-соңғы мотив фосфат байланысын ұйымдастырады. Ұсынылған каталитикалық негіз Asp258, Asp16 емес. Құрылымдық байланыстар ингибиторлардың барлық ұсынылған әсерін дәлелдемейді.

hnRNP ақуыздары қатысатын изоформа ауысуы ісік модельдерінде зерттелген; ол сау бауырдың әмбебап жауабы ретінде берілмеуі тиіс. Ishimoto тышқан тәжірибесінде KHK-A жойылуы метаболизмдік бұзылыстарды күшейткен, ал A/C екеуін жою қорғаған. Бұл тек KHK-C-ні таңдамалы жою тәжірибесі емес (Ishimoto, 2012).

Фосфорлану, энергия және урат

Магнийді қажет ететін KHK ATP-мен байланысқан реакцияны катализдейді:

$$\text{Фруктоза}+\mathrm{ATP}\longrightarrow\text{фруктоза-1-фосфат}+\mathrm{ADP}.$$

Бұл биохимиялық қысқарту иондану күйі мен металл координациясын толық көрсетпейді. Фруктолиз триозофосфаттар пулына фосфофруктокиназа-1-ден кейін қосылып, гликолиздің дәл сол бақылау нүктесін айналып өтеді. Ол субстрат, ATP, кейінгі ферменттер мен тіндік реттеуге тәуелді болып қалады. Фруктоза-1-фосфат глюкокиназаның реттеуші ақуызына әсер етіп, ферменттің босауын жеңілдетеді; глюкоза фосфорлануы гликоген мен өзге жолдарды қолдайды. Гликоген тармағы пируваттан тікелей емес, глюкоза-6-фосфат арқылы өтеді.

Жылдам фосфорлану фруктоза-1-фосфатты жинап, ATP мен қолжетімді бейорганикалық фосфатты уақытша азайтуы мүмкін. KHK ATP фосфатын тасымалдайды, бос фосфатты тікелей жұмсамайды. ATP жаңаруы, фосфаттың метаболиттерде ұсталып қалуы және аденин нуклеотидтері бұл жауапты түсіндіреді:

$$2\mathrm{ADP}\rightleftharpoons\mathrm{ATP}+\mathrm{AMP}.$$ $$\mathrm{AMP}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{H^+}\longrightarrow\mathrm{IMP}+\mathrm{NH_4^+}.$$

AMP қолжетімділігі және фосфатпен байланысты тежелудің азаюы AMPD, соның ішінде бауыр AMPD2 белсенділігіне ықпал етеді. IMP инозинге, кейін гипоксантинге өтеді; ксантиноксидоредуктаза, XOR, ксантин мен несеп қышқылын түзеді. XDH және XO әртүрлі электрон қабылдағыштарын пайдаланады, тотықтырғыш өнімдер фермент күйіне және жағдайға байланысты. Белгілі тәжірибедегі үлкен ATP төмендеуі әдеттегі жеміс порциясында міндетті емес. KHK, ATP тапшылығы және урат туралы мақала бүйрек пен тамырлық контексті де ашады.

XO жолының төмендегі теңестірілген жиынтық теңдеулері бейтарап молекулалық формаларды және оттектің тотықсыздану өнімі ретінде сутек пероксидін көрсетеді. Супероксид те түзілуі мүмкін; XDH басқа электрон акцепторын пайдаланады.

$$\mathrm{C_5H_4N_4O}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}\longrightarrow\mathrm{C_5H_4N_4O_2}+\mathrm{H_2O_2}.$$ $$\mathrm{C_5H_4N_4O_2}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}\longrightarrow\mathrm{C_5H_4N_4O_3}+\mathrm{H_2O_2}.$$

Кезекті субстраттар — гипоксантин, ксантин және зәр қышқылы.

Жасушалық және жануарлық тәжірибелер жасушаішілік уратты, митохондриялық тотығу стрессін, NOX4-пен байланысты процестерді және аконитаза төмендеуін липогенезбен байланыстырады (Lanaspa, 2012). NOX4 негізінен сутек пероксидін түзеді; реттелуі p47phox-тәуелді оксидазалардай емес. Тотықтырғыштар ACO2 темір–күкірт орталығын зақымдауы мүмкін; бұл урат ферментті тікелей аллостериялық бөгейді дегенге тең емес. SLC25A1 ішкі митохондриялық мембранада цитрат пен басқа субстраттардың алмасуын қамтамасыз етіп, цитозолдық синтезге көміртек береді. Бұл әр адамда үшкарбон қышқылдары циклі толық тоқтайтынын немесе аконитаза белгілі бір тұрақты пайызға жоғалатынын дәлелдемейді.

Фруктоза көміртегінен триацилглицеролға

Альдолаза B фруктоза-1-фосфатты DHAP және фосфорланбаған глицеральдегидке бөледі. TKFC кейін глицеральдегид-3-фосфат, GA3P, түзеді; триозофосфатизомераза GA3P пен DHAP-ты өзара айналдырады. Кейінгі гликолиз, оның ішінде фосфоенолпируват сатысы, пируват береді. MPC1/2 арқылы митохондрияға ену және пируватдегидрогеназа ацетил-КоА түзеді; цитрат синтезі мен экспорты оны цитозолдық DNL-мен байланыстырады.

$$\text{Фруктоза-1-фосфат}\longrightarrow\mathrm{DHAP}+\text{глицеральдегид}.$$ $$\text{Глицеральдегид}+\mathrm{ATP}\longrightarrow\mathrm{GA3P}+\mathrm{ADP}.$$

GPD1 параллель реакциясы глицерол негізін береді:

$$\mathrm{DHAP}+\mathrm{NADH}+\mathrm{H^+}\rightleftharpoons\text{глицерол-3-фосфат}+\mathrm{NAD^+}.$$

Қарапайым сызба май қышқылы көміртегін глицерол негізінен ажыратады; аралық реакциялар мәтінде түсіндіріледі. Фруктоза глюкозаға, лактатқа және тотыққан өнімдерге де өтеді. Микробтық ацетат ACSS2 арқылы бауыр ацетил-КоА көзі болуы мүмкін; Zhao тышқан тәжірибелері осы жолды өз жағдайында растайды, барлық адамда оның басым болуын емес (Zhao, 2020).

ChREBP, SREBP-1c және липогенез ферменттері

MLXIPL кодтайтын ChREBP — көмірсуға жауап беретін bHLH/лейциндік сыдырма транскрипциялық факторы. N-соңғы глюкоза сезу модулінде төмен глюкозада тежейтін LID және глюкоза жауабын белсендіретін сақталған GRACE элементі бар. Метаболиттер, фосфорлану және ақуыздық байланыстар белсенділікті реттейді. Классикалық модельдер глюкоза-6-фосфат, ксилулоза-5-фосфат, PP2A, PKA/AMPK-тәуелді фосфорлану мен 14-3-3 қатысатын орналасуды қамтиды. Бұлар фруктоза-1-фосфаттың дәлелденген жоғары жақындықты жалғыз лиганда ауыстырғышына тең емес. ChREBP MLX-пен бірігіп көмірсу жауап элементтеріне, әдетте арасы бес негіз болатын жұп E-box-қа байланысады (Li, 2006).

ChREBP-α баламалы ChREBP-β промоторынан транскрипцияны күшейте алады. Қысқа β-изоформада N-соңғы тежегіш аймақтың көп бөлігі жоқ; ол алғаш май тінінде сипатталған (Herman, 2012). Кері байланыс бір болюс адам бауырын бірнеше күн липогенезге «бекітеді» деген дәлел емес. Инсулинге жауапты SREBP-1c SCAP арқылы эндоплазмалық тордан Гольджиге тасымалдану және протеолиздік белсену жолымен әрекет етеді. Екі бағдарлама ынтымақтасады, бірақ бастапқы сигналдары әртүрлі.

ACLY цитозолдық ацетил-КоА береді, биотинге тәуелді ACC1 малонил-КоА түзеді, FASN ацетил/малонил бірліктері мен NADPH арқылы пальмитат жасайды:

$$\text{Цитрат}+\mathrm{CoA}+\mathrm{ATP}\longrightarrow\text{ацетил-КоА}+\text{оксалоацетат}+\mathrm{ADP}+\mathrm{P_i}.$$ $$\text{Ацетил-КоА}+\mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{ATP}\longrightarrow\text{малонил-КоА}+\mathrm{ADP}+\mathrm{P_i}.$$ $$\begin{aligned} \text{Ацетил-КоА}+7\text{ малонил-КоА}+14\mathrm{NADPH}+14\mathrm{H^+}&\longrightarrow\\ \text{пальмитат}+7\mathrm{CO_2}+8\mathrm{CoASH}+14\mathrm{NADP^+}+6\mathrm{H_2O}.& \end{aligned}$$

Алғашқы екеуі қалыпты биохимиялық қысқартумен берілген; үшіншісі FASN жиынтық реакциясы. SCD1 майлы ацил-КоА-ны десатурациялайды, ELOVL6 C16 тізбегін C18-ге ұзартады. GPAT, AGPAT, липин және DGAT глицеролипид аралықтары арқылы триацилглицерол түзеді. Ұзарту эстерификацияға жатпайды.

Малонил-КоА CPT1A-ны тежеп, ұзын тізбекті май қышқылдарының митохондрияға енуін шектейді. Бұл мөлшер мен компартментке тәуелді реттеу, тотығудың толық өшуі емес; ACC2-мен байланысты жергілікті малонил-КоА да маңызды. Белсенген AMPK ACC-ті фосфорлау арқылы тежейді. Берберинді AMPK ингибиторы, ал белсенді емес ACC-ті дефосфорланған фермент деу дұрыс емес.

Изотоптық әдістер DNL үлесін, абсолютті өндірілуін және жалпы бауыр майын ажыратады. Donnelly NAFLD зерттеуінде өлшенген бауыр триацилглицерол май қышқылдарының шамамен 59%-ы айналымдағы эстерификацияланбаған май қышқылдарынан, 26%-ы DNL-ден, 15%-ы тағам майынан келген. Бұл сол жұмыстың көздер үлесі, әмбебап қалыпты көрсеткіш немесе әр фруктоза дозасының майға айналу пайызы емес (Donnelly, 2005).

Липид сақтау, инсулин сигналы және зақым

PLIN2 жабындысы бар тамшылардағы бейтарап триацилглицерол реактивті липидтерді буферлеуі мүмкін. Жалпы май липоуыттылықты толық сипаттамайды. Мембранадағы sn-1,2-DAG PKCε-ні белсендіреді: ол жаңа PKC түрі, кальцийге тәуелсіз, бірақ DAG-қа жауап береді. Адам инсулин рецепторы Thr1160 қалдығының тәжірибелік фосфорлануы киназа белсенділігін тежейді; тышқандағы сәйкес орын Thr1150. Бұл атиптік PKC жолы емес. IRS–PI3K–Akt бұзылысы FoxO1 тежелуін әлсіретіп, глюконеогенез гендерін арттыруы мүмкін. Глюкоза өндірілуі бұзылып, липогенез сақталуы таңдамалы бауыр инсулинге төзімділігі деп аталады, бірақ оған бірнеше сигналдық және субстраттық механизм қатысады (Petersen, 2016).

Церамид әсері түрі мен орналасуына тәуелді. CerS6 C16 түрлерімен байланысты, CerS2 көбіне өте ұзын тізбекті церамидтер жасайды. PP2A және атиптік PKC арқылы Akt әсерлері модельге байланысты. Қаныққан ацил түрлері эндоплазмалық тор мембранасын және кальций алмасуын бұза алады. Қате бүктелген ақуыздарға жауап бастапқыда IRE1–XBP1, PERK–eIF2α–ATF4 және ATF6 өңделуі арқылы бейімдейді; созылмалы стресс JNK, CHOP пен зақым жолдарын іске қосуы мүмкін. Кеміргіш IRS1 Ser307 орны адам Ser312-ге сәйкес келеді және оның фосфорлануы әрдайым тежегіш емес.

SERCA қызметі, тордан кальций босатылуы және MCU арқылы митохондрияға түсуі органелла стрессін байланыстырады. Өтімділік ауысуына қатысты дисфункция BAX/BAK арқылы сыртқы мембрана өткізгіштігінің артуынан бөлек процесс. Цитохром c, APAF1 және каспаза 9/3/7 ішкі апоптозды қамтамасыз етеді; өтімділік ауысу порасы әр апоптозға міндетті емес. Бұл механизмдер стеатозды MASH-қа қайтымсыз өтуге айналдырмайды.

VLDL экспорты ApoB100, MTTP және фосфатидилхолинді қажет етеді. MASLD кезінде экспорт артып, соның өзінде келу мен синтезді теңестірмеуі мүмкін; бәріне ортақ ApoB тапшылығы түсіндірме емес. Зақымдалған жасушалардан шыққан ATP, митохондриялық ДНҚ және HMGB1 макрофагтарға әсер етеді. TLR4 сигналдары қабынуды алдын ала дайындауы мүмкін, инфламмасома белсенуі қосымша жағдайды талап етеді. Пальмитатты TLR4-тің дәлелденген тікелей лиганды немесе урат кристалдарын MASH-тың міндетті бөлігі деуге болмайды. Купфер жасушалары мен келген иммундық жасушалар қатысады.

TGF-β–SMAD2/3 және PDGF жолдары бауырдың жұлдызша жасушаларын, олардың өсуін, матрикс түзілуін және ретиноид тамшылары өзгерісін белсендіреді. Коллаген I/III, фибронектин және TIMP реттейтін матрикс айналымы фиброзға ықпал етеді; синусоид капиллярлануы алмасуды нашарлатып, гипоксияны қолдауы мүмкін. PNPLA3 I148M, rs738409, және TM6SF2 E167K, rs58542926, липид тамшысы мен экспорт биологиясы арқылы бейімділікті өзгертеді. Олар өзге әсерлермен әрекеттеседі және адамға тұрақты «фруктозалық» фиброз көбейткішін бермейді (Romeo, 2008; Kozlitina, 2014).

Адам зерттеулері нені көрсетеді

Lustig (2016) қантты крахмалмен тоғыз күн алмастыруды да зерттеді. «Дейін/кейін» дизайны мен салмақтың төмендеуі әсерді тек фруктозаға жатқызуды шектейді.

KHK тежеу механизмді тексеруге көмектеседі, бірақ молекула қуаты мен жануар нәтижесі бекітілген ем сызбасына айналмайды. PF-06835919 қоспаларға тең емес. Тағам, калория, салмақ өзгерісі және ферментті дәрімен бұғаттау әртүрлі сұрақтарға жауап береді.

Қоспалар және тамақтану уақыты

EASL–EASD–EASO тиімділік пен қауіпсіздік деректері жеткіліксіз болғандықтан нутрицевтиктерді MASLD емі ретінде ұсынбайды. PIVENS сияқты витамин E немесе пиоглитазон сынақтары осы қоспа комбинациясын немесе бәріне ортақ дозаны растамайды.

Тамақтану терезесі тұтынуды және тәуліктік ырғақ контекстін өзгерте алады, бірақ 16:8 режимі гликогеннің нақты сағатта таусылуына кепіл емес. TFEB, аутофагия, липофагия және лизосомалық қышқыл липаза — тәжірибелік механизмдер, қосымша клиникалық пайданың дәлелі емес. TREATY-FLD семіздігі мен NAFLD бар 88 ересекті 12 айға сегіз сағаттық терезе немесе күндік калория шектеуіне, ұқсас энергия мақсатына рандомизациялады; уақыт шектеуі бауыр майына қосымша пайда бермеді (Wei, 2023). Ұстану, тағам сапасы және нақты энергия теңгерімі маңызды.

Бақылау көрсеткіштерін түсіндіру

$$\mathrm{FIB\!\!\!-4}=\frac{\text{жас}\times\mathrm{AST}}{\text{тромбоциттер}\times\sqrt{\mathrm{ALT}}}.$$

Жас — жыл, AST/ALT — U/L, тромбоциттер — 10⁹/л. Тиісті ересектерде 1,3-тен төмен мән көбіне төменірек қауіп көрсетеді; 1,3-тен бастап қосымша бағалау, жиі эластография, ал 2,67-ден жоғарыда жоғарырақ қауіп қарастырылады. 65 жастан асқанда төменірек қауіп шегі 2,0 қолданылады. Бұлар диагноз емес, бағалау жолдары; клиникалық жағдай төмен нәтиженің өзінде тексеруді талап етуі мүмкін. Фиброз қаупі, кардиометаболизм жағдайы және өзге себептер бірге қаралады (EASL–EASD–EASO, 2024).

Қоспалардың тұрақты курсы ферменттерді 12–16 аптада қалыпқа келтіруге немесе фиброзды алты айда кері қайтаруға уәде бере алмайды. Қолдау бар бағыттар — тәтті сусынды азайту, бүкіл рацион сапасын жақсарту, қимыл белсенділігі және семіздік, диабет пен жүрек-қантамыр қаупін жеке басқару. Концентрленген фруктоза тәжірибесі бір маркерді өзгертті деп тұтас жемістен бас тарту қажет емес. Механизм әсерді және белгісіздікті түсіндіру үшін пайдалы, адамның жеке бағасын алмастыру үшін емес.