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Introduction

在生活中，最常见的糖是葡萄糖和果糖。虽然它们的化学式相同（C6H12O6），但相比葡萄糖，果糖的甜度更大，因此富含果糖的蔗糖和高果糖玉米糖浆常作为甜味剂被应用，但果糖与葡萄糖代谢通路完全不同，正常情况下人体并不会利用果糖供能。在肝脏内，果糖的代谢的主要功能就是刺激并参与肝脏脂肪合成，而这一过程无法被调控。所以，果糖摄入过多，肝脏就会积累大量的脂肪，诱发炎症反应、过敏反应、自身免疫病，最终造成一系列代谢相关疾病。

无论是动物、植物还是微生物，都会产生物质交流，能量交流以及信息交流，而人作为高等动物，就会更加频繁地进行交流。这种形式以循环系统为基础，并由信号分子——酶——代谢途径所构成的一套网络，它不是孤立存在的，而是紧密联系的，是相互作用、相互转化以及相互制约。因此，引入代谢网络和细胞间无线通信网络的概念具有非常重要的应用价值。

本文通过 给予志愿者不同剂量的果糖和葡萄糖（15、35、55 g/人），测定其摄入葡萄糖和果糖后血清中中心碳代谢途径的代谢物水平变化、13 种主要酶活性的变化以及38 种细胞因子的浓度变化，并制作代谢网络图和细胞因子网络图，研究葡萄糖和果糖对人体的不同生理作用。

图1果糖、葡萄糖对人体细胞因子网络和代谢网络的影响

Results and Discussion

代谢酶的表达水平

当酶合成量发生变化时，往往会伴随不同代谢反应的产生，对代谢网络中涉及到的13 种酶进行表达量的测定，比较服用不同剂量的果糖、葡萄糖后代谢酶表达水平的变化，结果见图2。与低剂量的葡萄糖相比，相同剂量果糖可以显著降低异柠檬酸脱氢酶（ICDH）的表达水平（P<0.01），增加丙酮酸脱氢酶复合物（PDHC）的活性（P<0.05）。

图2不同剂量组果糖、葡萄糖13种代谢酶的变化量。A：低剂量组；B:中剂量组；C:高剂量组（*P<0.05，**P<0.01）

血清细胞因子浓度

采用 液相芯片技术 检测血清中 38 种细胞因子的浓度，并根据公式计算相同剂量 的果糖与葡萄糖相比的细胞因子浓度变化率，如表 1 所示 。如：与葡萄糖相比， 服用低剂量（ 15 g/ 人）果糖后 浓度变化率显著较高的 4 种细胞因子和趋化因子： IFN-γ （ P<0.05） 、 MDC （ P<0.01 ）、 IP-10 （ P<0.05 ）和 Eotaxin （ P<0.05 ）。

表1 不同剂量的果糖和葡萄糖比较中具有显着变化的信号分子

细胞因子网络和中心碳代谢网络

根据细胞通讯网络的构建方法，构建分别在低、中、高剂量情况下，果糖与葡萄糖差异的细胞通讯网络。细胞间的有向连线表示细胞通过分泌信号分子（细胞因子、趋化因子和激素）与效应细胞构成的因果通讯关系。连线的粗度表示传递信号的强度，连线的颜色表示不同细胞之间通讯的效果，即细胞作用强度的正负值：红色为正，表示对细胞的刺激作用；蓝色为负，表示抑制作用。结果如图3a、b、c所示，如在低剂量果糖的网络中（图3a），有26 个结点（细胞），整体网络以红色为主，总强度Snetwork=11 183.318（见正文），表明低剂量果糖与葡萄糖相比，以细胞间相互促进作用为主。

根据在不同剂量的果糖和葡萄糖之后测量的志愿者数据，获得中心碳代谢途径网络中每个代谢途径的通量。为了更好地比较，将葡萄糖的代谢通量设置为100（一个当量），其他代谢通量通过转换获得。在代谢网络中，线的粗细表示定量代谢途径通量；箭头指示代谢通量的方向。结果如图3d-j所示，如与空白组（图3j）对比，服用低剂量葡萄糖（图3d）后磷酸戊糖途径由36.07降为29.11，其核糖合成量减少，乳酸通量由27.93降为25.52，而同剂量果糖组（图3g）磷酸戊糖途径由36.07降为27.68，核糖合成量减少，乳酸盐通量由27.93降为25.16；同时，相同剂量比较，低剂量的葡萄糖与果糖对比，磷酸戊糖途径通量、乳酸盐通量和酮体代谢均减少，胆固醇合成途径通量得到提升。

图3与葡萄糖相比，不同剂量果糖细胞因子网络图和代谢网络图

血清中38种细胞因子和13种酶与代谢途径相关的Pearson相关性分析

为了揭示 细胞因子和酶之间的作用机制，受试者血清中的 38 种细胞因子和 13 种酶相关，结果如图 4 所示。如 嗜酸性粒细胞趋化因子（ Eotaxin ）分别与己糖激酶、 3- 磷酸甘油脱氢酶和丙酮酸脱氢酶呈正相关，皮尔逊相关系数（低剂量和高剂量均值）分别为： 0.776 5 、 0.773 2 、 0.742 0 和 0.710 8 （ P ＜ 0.05 ） ，所以与同剂量的葡萄糖相比，果糖能显著促进机体内炎症趋化因子 Eotaxin 的表达，还能够激活 3- 磷酸甘油脱氢酶和丙酮酸脱氢酶的表达，而这两种酶的辅酶分别是 NAD+ ，可以在分解代谢中接受电子生成 NADH 。

（a）低剂量组;（b）中等剂量组;（c）高剂量组。红色表示正相关，蓝色表示负相关，颜色越深相关性越强。**表明细胞因子和酶之间的相关性发生显著变化的概率为99%；* 表示发生显著变化的概率为95%。

图4不同剂量果糖与葡萄糖相比的细胞因子和酶的热图

Conclusion

代谢途径中的酶表达量会受到细胞因子或趋化因子的调控，说明了无线细胞通讯网络与“有向加权”代谢通量网络之间的相互关系，证明了食物对机体会产生调节属性的作用。本实验结果表明低剂量的果糖的食用可以降低分解代谢，增加合成代谢，这对人体是有益的，但随着果糖食用剂量的增加，分解代谢变化不明显的情况下，脂肪的合成代谢大幅增加，这无疑会导致肥胖，引起诸多代谢疾病。通过葡萄糖与果糖的对比，证明每日每人果糖摄入量在15 g以下则对人体有益，此实验也为食品加工及合理饮食提供新的分析模型。但本实验仍存在局限性，例如，实验对象仅为健康且年轻的男性志愿者，故实验结果不适应于各类人群。

第一作者简介

鲁丁强，男，于2018年在天津科技大学获得轻工业技术与工程（发酵食品与健康专业）博士学位，现为天津商业大学生物技术与食品科学学院讲师，主要研究方向为食品功能成分的代谢通量控制分析及受配体识别与互作动力学研究。主持国家自然科学青年基金项目1 项，参与国家自然科学基金项目2 项；发表国内外期刊论文30余篇，授权发明专利7 项。

通信作者简介

庞广昌，男，于2006年获天津大学代谢工程博士学位，教授，天津科技大学兼职博导，天津商业大学硕士生导师，主要研究兴趣集中在代谢网络、蜂窝无线通信和生物传感器的开发。先后承担并完成国家自然科学基金6 项，国家重大自然科学基金1 项，为第一子题主持人（主持人为武汉大学杨弘远院士），“九五”期间主持国家攻关项目子课题1项，“新型蛋白资源的开发与利用的研究”；专题1 项：“固定化酶法制备促改吸收因子（CPPs）”。“十五”期间承担并完成了国家乳品重大专项：课题6（第二主持人），国拨总经费670万 元，“十一五”期间承担并完成了国家乳品重大专项：课题7（第二主持人），国拨总经费600万 元，承担省部级各类项目多项，鉴定成果14 项，其中4 项达到国际先进水平，获得授权发明专利4项。获得省部级科技进步特等奖1 项，省部级教学成果二等奖1 项，三等奖4 项（均排名第一），省部级科技进步一等奖2 项（排名第二），主编并出版专著（科学出版社）2 部，编著书5 部，教材3 部。发表学术论文100余篇，SCI收录18 篇，EI收录5 篇，其中单篇最高引用率157。

Effects of different doses of glucose and fructose on central metabolic pathways and intercellular wireless communication networks in humans

Dingqiang Lua,*, Yujiao Liua, Miao Zhaoa, Shuai Yuana, Danyang Liua, Xinqian Wanga, Yixuan Liua, Yifei Zhanga, Ming Lia, Yufeng Lüa, Guangchang Panga,*, Ruijuan Renb,*

a College of Biotechnology & Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, Tianjin 300314, China

b Tianjin Institute for Food Safety Inspection Technology, Tianjin 300134, China

*Corresponding authors.

Abstract

Fructose and glucose are often widely used in food processing and may contribute to many metabolic diseases. To observe the effects of different doses of glucose and fructose on human metabolism and cellular communication, volunteers were given low, medium, and high doses of glucose and fructose. Serum cytokines, glucose, lactate, nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and metabolic enzymes were assayed, and central carbon metabolic pathway networks and cytokine communication networks were constructed. The results showed that the glucose and fructose groups basically maintained the trend of decreasing catabolism and increasing anabolism with increasing dose. Compared with glucose, low-dose fructose decreased catabolism and increased anabolism, significantly enhanced the expression of the inflammatory cytokine interferon-γ (IFN-γ), macrophage-derived chemokine (MDC), induced protein-10 (IP-10), and eotaxin, and significantly reduced the activity of isocitrate dehydrogenase (ICDH) and pyruvate dehydrogenase complexes (PDHC). Both medium and high doses of fructose increase catabolism and anabolism, and there are more cytokines and enzymes with significant changes. Furthermore, multiple cytokines and enzymes show strong relevance to metabolic regulation by altering the transcription and expression of enzymes in central carbon metabolic pathways. Therefore, excessive intake of fructose should be reduced to avoid excessive inflammatory responses, allergic reactions and autoimmune diseases.

Reference:

LIU D Q, LIU Y J, ZHAO M, et al. Effects of different doses of glucose and fructose on central metabolic pathways and intercellular wireless communication networks in humans[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(4): 1906-1916. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250158.

本文编译内容由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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