l-蘋果酸的生物活性及其生理功能

l-蘋果酸是一種重要的天然酸，廣泛分布于植物、動物和微生物細胞中。你的感覺像天然蘋果一樣。1967年,美國食品和藥品管理局登記確認為一種安全、無毒、無害、可食用的有機酸。L-蘋果酸是一種四碳酸,因為具有手性結(jié)構(gòu),因此一般有以下三種形式存在,即D-蘋果酸、DL-蘋果酸和L-蘋果酸,自然界存在的蘋果酸都是L-蘋果酸。1蘋果酸天冬氨酸擊穿對atp的生物合成L-蘋果酸是生物體代謝過程中產(chǎn)生的重要有機酸,是三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))及其支路乙醛酸循環(huán)代謝過程中的重要中間產(chǎn)物,也是CO2固定反應(yīng)的中間產(chǎn)物。它是生物體細胞內(nèi)存在的一種活性物質(zhì),易于吸收,可以迅速通過細胞膜,進入線粒體內(nèi)直接參與能量代謝;蘋果酸也是蘋果酸天冬氨酸穿梭的重要組成部分,對胞液(cytosol)和線粒體(mitochondria)之間的還原當(dāng)量(NADH)的轉(zhuǎn)移起到重要的作用。蘋果酸天冬氨酸穿梭主要存在于肝臟和心臟中。如圖1所示,胞質(zhì)中的NADH在脫氫酶的作用下,使草酰乙酸還原成蘋果酸,后者通過線粒體內(nèi)膜上的α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白(OMC)進入基質(zhì),在基質(zhì)脫氫酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH;NADH進入電子呼吸鏈生成ATP,而基質(zhì)內(nèi)生成的草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶的作用生成天冬氨酸,后者經(jīng)酸性氨基酸轉(zhuǎn)運載體(AGC)轉(zhuǎn)運出基質(zhì)再轉(zhuǎn)變成草酰乙酸,繼續(xù)進行穿梭。由此可見,蘋果酸天冬氨酸穿梭對于ATP的可持續(xù)供給起到關(guān)鍵作用,有研究顯示,補充L-蘋果酸可以顯著提高ATP的生成。近年來研究資料表明,蘋果酸脫氫酶(MDH)是蘋果酸天冬氨酸的限速酶,研究發(fā)現(xiàn),L-蘋果酸可以顯著增加線粒體蘋果酸脫氫酶(mMDH)的活性,其活性的提高表明蘋果酸天冬氨酸的穿梭效率提高,機體ATP的合成效率也相應(yīng)得到提高,從而合理解釋了L-蘋果酸促進ATP的生物合成。另外,L-蘋果酸促進TCA循環(huán)及蘋果酸天冬氨酸穿梭,其分子生物學(xué)機理與L-蘋果酸提高蘋果酸天冬氨酸穿梭轉(zhuǎn)運蛋白AGC的基因表達水平有關(guān)。蘋果酸天冬氨酸穿梭在轉(zhuǎn)移還原當(dāng)量中起到關(guān)鍵的作用,很多研究觀察了體內(nèi)蘋果酸天冬氨酸穿梭受阻或抑制時對能量代謝途徑的影響。已有研究發(fā)現(xiàn)在缺乏NADH穿梭的情況下,胰島素刺激糖分解和ATP生成的作用不能實現(xiàn)。蘋果酸天冬氨酸穿梭對于維持細胞正常還原狀態(tài),決定有氧代謝和乳酸生成途徑以及線粒體呼吸作用均起到重要作用。2蘋果酸的生理作用2.1蘋果酸復(fù)合飲料研究發(fā)現(xiàn)蘋果酸含量在持續(xù)5min的動力性運動開始后顯著上升,運動結(jié)束仍保持較高水平,且蘋果酸相對于其他三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物濃度變化有更高的升高幅度。外源性蘋果酸很容易被機體吸收利用,能迅速穿過細胞膜進入線粒體,滿足機體特殊條件下能量的需求,顯著提高運動能力。補充蘋果酸可以提高體內(nèi)血液和組織中蘋果酸濃度,Ueda等用同位素14C標(biāo)記蘋果酸鈉鹽,發(fā)現(xiàn)灌服蘋果酸鈉30min后,小鼠肝、腎等組織以及血漿中蘋果酸濃度達到最大值。Janeria等曾觀察到蘋果酸-瓜氨酸復(fù)合物可提高籃球運動員的無氧閾值,可以提高籃球運動員的有氧工作能力。王瑩等發(fā)現(xiàn)蘋果酸復(fù)合營養(yǎng)液灌注后,小鼠負重游泳的力竭時間明顯延長。樊慶敏等對從事拳擊專項訓(xùn)練的運動員進行實驗研究,發(fā)現(xiàn)補充蘋果酸復(fù)合營養(yǎng)液可提高運動員無氧總功輸出,加速無氧運動后心率恢復(fù),提高無氧做功能力,同時可降低亞極量定量負荷運動后血乳酸濃度,提高有氧做功能力。邱俊強等發(fā)現(xiàn)補充蘋果酸低聚糖飲料可使運動至力竭的時間明顯延長,使耐力運動員在力竭性運動后乳酸消除速率加快,維持長時間亞極量運動中的血糖穩(wěn)定,有利于延緩運動中的疲勞出現(xiàn)。Wu等發(fā)現(xiàn)補充L-蘋果酸能顯著延長小鼠游泳至力竭的時間。2.2外源性蘋果酸對呼吸過程中atp的影響蘋果酸對正常體力勞動及緊張勞動后體力的恢復(fù)有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn),瓜氨酸-蘋果酸鹽能促進肝臟的氨代謝,增強了肝臟功能,同時促進腎臟重碳酸鹽的再吸收,緩解代謝性酸中毒,表明瓜氨酸-蘋果酸鹽能促進疲勞的消除,在人體中具有抗疲勞的作用。蘋果酸和氫氧化鎂混合物還用于治療肌纖維疼痛綜合癥(fibromyalgiasyndrom),該病癥的主要癥狀是長期肌肉酸痛且無力,混合物中的蘋果酸能在低氧情況下產(chǎn)生ATP。Bendahan等的研究發(fā)現(xiàn),攝入瓜氨酸-蘋果酸鹽可使運動中ATP的產(chǎn)生率增加34%,運動后磷酸肌酸恢復(fù)率增加20%,導(dǎo)致疲勞感的明顯降低。盡管瓜氨酸-蘋果酸被廣泛認為具有抗疲勞作用,但究竟是瓜氨酸、蘋果酸單一成分,還是在兩者共同作用下才具有抗疲勞作用依然有待闡明。外源性蘋果酸提高運動做功能力可能與蘋果酸促進線粒體呼吸過程有關(guān)。蘋果酸濃度上升,線粒體內(nèi)利用底物合成ATP的作用加強,同時也加強對ATP的利用。蘋果酸濃度提高表明三羧酸循環(huán)底物濃度的增加和三羧酸循環(huán)流量的增多。此外,蘋果酸濃度上升使蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用加強,基質(zhì)內(nèi)的NADH進入線粒體增多,線粒體呼吸率的增高可能與二者共同作用有關(guān)。補充蘋果酸使肝細胞胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶與線粒體蘋果酸脫氫酶活力增加,使三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物迅速增加,推動了三羧酸循環(huán)的循環(huán)速率及蘋果酸天冬氨酸穿梭速率,有利于維持較高的三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物,提高肝組織產(chǎn)能效率;降低運動過程中血清肌酸激酶的水平,減少運動過程中骨骼肌的損傷,從而提高運動能力。2.3蘋果酸鈉對心肌組織病理學(xué)的影響臨床上已將蘋果酸作為心臟基礎(chǔ)液的成分之一,加上K+、Mg2+以保護心臟的能量代謝。同位素示蹤實驗發(fā)現(xiàn),離體大鼠心肌細胞缺氧孵育60min,蘋果酸可直接作為前體經(jīng)延胡索酸還原產(chǎn)生琥珀酸,同時生成ATP,保護心肌細胞膜的完整性。另外,靜脈注射蘋果酸鈉可以顯著提高冠狀動脈血流量,而耗氧卻無明顯增加,蘋果酸和氧化型輔酶(NAD)結(jié)合使用時冠脈血流量和心肌耗氧量均明顯升高。在進一步研究中發(fā)現(xiàn),蘋果酸和NAD使冠狀動脈阻塞的心肌側(cè)支循環(huán)有所增加,心肌收縮能力也有所加強,心肌耗氧量適當(dāng)增加,血液動力學(xué)參數(shù)也變?yōu)檎Ｖ怠ＬO果酸對心臟的保護還體現(xiàn)在影響心肌線粒體酶系的活性上。小鼠實驗研究表明,暈厥時心肌線粒體重要酶——琥珀酸脫氫酶(SDH)、細胞色素氧化酶(CCO)的活性降低,灌注蘋果酸鈉能促進其活性恢復(fù),增加ATP的合成。因此,蘋果酸可以保護心肌的能量代謝,對心肌有顯著的保護作用。2.4l-蘋果酸系統(tǒng)L-蘋果酸有促進檸檬酸鹽氧化的作用,而且延胡索酸鹽及琥珀酸鹽轉(zhuǎn)化為蘋果酸后,同樣可以刺激檸檬酸的氧化,可見其主要是由蘋果酸介導(dǎo)。L-蘋果酸可以提高精子線粒體丙酮酸脫氫酶活性,從而促進丙酮酸鹽的吸收利用。Matsuishi等發(fā)現(xiàn)蘋果酸鹽可以促進琥珀酸鹽的氧化,能有效解除丙酸鹽對肝線粒體呼吸抑制的作用。2.5蘋果酸為藥物系統(tǒng)動物實驗表明,機體ATP需求增加時,肝臟線粒體內(nèi)蘋果酸濃度上升,線粒體內(nèi)利用底物合成ATP的作用加強。推測呼吸作用的加強由蘋果酸介導(dǎo),蘋果酸可能是線粒體內(nèi)產(chǎn)生ATP的動力。BobylevaGuarriero等發(fā)現(xiàn)給大鼠注射少量蘋果酸鹽,肝臟線粒體中蘋果酸鹽濃度上升,檸檬酸鹽、α-酮戊二酸和琥珀酸鹽的氧化率上升。小劑量補充外源性蘋果酸,可提高線粒體蘋果酸濃度,既節(jié)省基質(zhì)中的蘋果酸,又促進線粒體內(nèi)的穿梭速率,從底物的供給和能量的轉(zhuǎn)移兩個方面推動了線粒體的代謝。2.6蘋果酸對學(xué)習(xí)記憶的影響γ-氨基丁酸是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì),它會造成皮層軸突-樹突突觸聯(lián)系發(fā)生障礙,是引起中樞疲勞的因素之一。腦內(nèi)谷氨酸在谷氨酸脫羧酶的作用下可產(chǎn)生γ-氨基丁酸。體外實驗表明,10mmol/L蘋果酸可抑制谷氨酸脫羧酶活性,因此蘋果酸是一個比較理想的谷氨酸脫羧酶抑制劑。周紅宇等發(fā)現(xiàn)小鼠連續(xù)5d使用L-蘋果酸后,對記憶的獲得、鞏固和再現(xiàn)均有明顯改善作用。腦內(nèi)游離氨基酸測定顯示,蘋果酸可明顯降低小鼠腦內(nèi)γ-氨基丁酸水平,提高谷氨酸/γ-氨基丁酸比值,從而達到促進記憶作用。體外神經(jīng)元培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)蘋果酸可抑制小鼠大腦細胞的線粒體對谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運,拮抗谷氨酰胺濃度過高導(dǎo)致的線粒體腫脹以及谷氨酸誘發(fā)的神經(jīng)元遲發(fā)性壞死,對皮層及海馬神經(jīng)元有明顯保護作用。周紅宇等利用腦缺血再灌注致學(xué)習(xí)記憶障礙的模型研究L-蘋果酸改善記憶的作用,發(fā)現(xiàn)腦缺血再灌注后給予L-蘋果酸對學(xué)習(xí)記憶有明顯的改善作用。丁細桃等研究發(fā)現(xiàn)蘋果酸可能通過調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)遞質(zhì)、改善神經(jīng)元能量代謝、提高腦內(nèi)還原當(dāng)量等多方面途徑減輕Al3+對腦神經(jīng)元的損傷,從而改善學(xué)習(xí)記憶功能,預(yù)示其在防治老年性癡呆中有一定的實用價值。2.7檸檬酸-蘋果酸鈣蘋果酸鈣的可溶性高于碳酸鈣,且其生物活性高,易于為人體吸收,是一種良好的鈣源。Deehr等給絕經(jīng)后女性服用檸檬酸-蘋果酸鈣,發(fā)現(xiàn)這種鈣源與從牛奶等食物中得到的鈣源相比,能更有效防止體內(nèi)鐵的丟失。動物實驗也證明,蘋果酸鈣生物活性要高于碳酸鈣,使用檸檬酸-蘋果酸鈣比碳酸鈣對鈣的吸收利用率和存留率更高。2.8抗癌藥cddp與dpmSugiyama等研究表明,從白芷根中提取有效成分——蘋果酸鈉能夠有效保護腎臟和骨髓細胞,能夠顯著降低因使用抗癌藥物順氯氨鉑(cis-diamminedichloroplatinum,CDDP)所產(chǎn)生的毒性,但不降低抗癌藥自身的活性,有助于減少癌癥患者因化療引起的副作用。Ueda等對蘋果酸降低抗癌藥CDDP毒副作用的機理作了進一步的研究,發(fā)現(xiàn)服用同位素14C標(biāo)記的蘋果酸能很快分布在肝及腎臟等組織中,但在腫瘤細胞中蘋果酸的濃度很低,且大約40%的蘋果酸與抗癌藥CDDP結(jié)合轉(zhuǎn)化為DPM(diamminoplatinum(II)malate),DPM同樣具有抗癌效果且毒性較低。因此蘋果酸可以通過與抗癌藥物結(jié)合來達到降低抗癌藥物CDDP的毒副作用,而且還可以提高抗癌藥物的使用劑量。2.9改變細胞內(nèi)ca2+濃度實驗證明,丙酮酸和蘋果酸聯(lián)合使用有利于神經(jīng)元線粒體內(nèi)Ca2+的動態(tài)平衡,防止被谷氨酸孵育的神經(jīng)元線粒體內(nèi)Ca2+大幅上升,從而減少谷氨酸的刺激毒性,保護海馬回和大腦皮質(zhì)神經(jīng)元細胞,延緩細胞的死亡。Francini等實驗也證明,蘋果酸可以緩沖蛙骨骼肌纖維細胞內(nèi)Ca2+濃度的改變。蘋果酸能促進肝臟的氨代謝,降低血氨的濃度,對肝臟具有保護作用。它是治療肝功能不全、肝衰竭、肝癌,特別是多氨癥的有效藥物。Wu等研究發(fā)現(xiàn)補充蘋果酸可以有效的降低老年大鼠活性氧含量,提高老年大鼠肝臟超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化酶活力及抗氧化物質(zhì)谷胱甘肽的水平,增強機體的抗氧化能力,減少脂質(zhì)過氧化的發(fā)生,起到抗氧化應(yīng)激作用。3蘋果酸的作用機理蘋果酸的研究主要集中在上世紀(jì)90年代,相對比較晚,因此還有許多有待解決的問題。蘋果酸抗疲勞作用機理有多種,研究L-蘋果酸對運動過程中不同組織的自由基及抗氧化能力影響,或許能找到蘋果酸緩