L苹果酸生理功能研究

1、L苹果酸的生理功能研究*本文通讯作者 吴军林 吴清平 *本文受到广东省科学院优秀人才基金资助（2007）；广东省科技计划项目(2004B40101011)；广东省粤港招标项目东莞专项资助（200820520047） 张菊梅广东省微生物研究所广东省菌种保藏与应用重点实验室 广州 510070摘要：L苹果酸(Malic acid)是生物体代谢过程中产生的重要有机酸，在线粒体产生能量物质ATP的代谢过程中起到重要作用。苹果酸是苹果酸天冬氨酸穿梭的重要组成部分，对胞液和线粒体之间的还原当量（NADH）的转移起重要的作用。因此，L苹果酸在机体内具有重要的代谢意义，同时具有显著的生理功能。能够有效的提高运动能力，具有抗疲劳、保护心脏、促进羧酸盐的代谢、促进线粒体呼吸、改善记忆能力、增强钙的活性、降低抗癌药物毒副作用等生理功能。关键词：L苹果酸 苹果酸天冬氨酸穿梭 生理功能L苹果酸(Malic acid)是一种重要的天然有机酸，广泛分布于植物、动物与微生物细胞中，其口感接近天然苹果的酸味。1967 年, 美国食品和药品管理局登记确认为一种安全、无毒、无害、可食用的有机酸。L苹果酸是一种四碳酸，因为具

2、有手性结构, 因此一般有这三种形式存在, 即D苹果酸、DL苹果酸和L苹果酸，自然界存在的苹果酸都是L型。1.苹果酸的代谢意义L苹果酸是生物体代谢过程中产生的重要有机酸，是三羧酸循环(TCA循环) 及其支路乙醛酸循环代谢过程中的重要中间产物，也是CO2固定反应的中间产物1，它是生物体细胞内存在的一种活性物质，易于吸收，可以迅速通过细胞膜，进入线粒体内直接参与能量代谢；苹果酸又是苹果酸天冬氨酸穿梭的重要组成部分，对胞液（cytosol）和线粒体（mitochondria）之间的还原当量（NADH）的转移起到重要的作用。苹果酸天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心脏中2，3。如图1所示3，胞质中的 NADH 在脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸, 后者通过线粒体内膜上的-酮戊二酸转运蛋白（OMC）进入基质，在基质脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和 NADH，NADH 进入电子呼吸链生成ATP，而基质内生成的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸转运载体（AGC）转运出基质再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。由此可见，苹果酸天冬氨酸穿梭对于ATP的可持续供给起到关键作用，有研究显示补充L

3、苹果酸可以显著提高ATP的生成4。近年来研究资料表明，苹果酸脱氢酶（MDH）是苹果酸天冬氨酸的限速酶5，研究发现，L苹果酸可以显著增加线粒体苹果酸脱氢酶（mMDH）的活性6，其活性的提高表明苹果酸天冬氨酸的穿梭效率的提高，机体ATP的合成效率也相应地得到提高，从而合理解释了L苹果酸促进ATP的生物合成。另外，L苹果酸促进TCA循环及苹果酸天冬氨酸穿梭，其分子生物学机理与L苹果酸提高苹果酸天冬氨酸穿梭转运蛋白AGC的基因表达水平有关7。苹果酸天冬氨酸穿梭在转移还原当量中起到关键的作用，很多研究观察了体内苹果酸天冬氨酸穿梭受阻或抑制时对能量代谢途径的影响。已有研究发现在缺乏NADH穿梭的情况下，胰岛素刺激糖分解和ATP生成的作用不能实现8。苹果酸天冬氨酸穿梭对于维持细胞正常还原状态，决定有氧代谢和乳酸生成途径以及线粒体呼吸作用均起到重要作用9。 图1. 苹果酸天冬氨酸穿梭示意图Figure 1. Schematic of malate aspartate shuttle.2.苹果酸的生理作用2. 1苹果酸与运动能力的作用关系研究发现苹果酸含量在持续5分钟的动力性运动开始后显著上升，运动结束

4、仍保持较高水平10，且苹果酸相对于其他三羧酸循环中间产物浓度变化有更高的升高幅度11。外源性苹果酸很容易被机体吸收利用，能迅速穿过细胞膜进入线粒体，满足机体特殊条件下能量的需求，显著提高运动能力。补充苹果酸可以提高体内血液和组织中苹果酸浓度，Ueda等人用同位素14C 标记苹果酸钠盐，发现灌服苹果酸钠30 分钟后，小鼠肝、肾等组织以及血浆中苹果酸浓度达到最大值12。Janeria等曾观察到苹果酸瓜氨酸复合物可提高篮球运动员的无氧阈值，可以提高篮球运动员的有氧工作能力13。王莹等发现苹果酸复合营养液灌注后,小鼠负重游泳的力竭时间明显延长14。樊庆敏等对从事拳击专项训练的运动员进行实验研究，发现补充苹果酸复合营养液可提高运动员无氧总功输出，加速无氧运动后心率恢复，提高无氧做功能力，同时可降低亚极量定量负荷运动后血乳酸浓度，提高有氧做功能力15。邱俊强等发现补充苹果酸低聚糖饮料可使运动至力竭的时间明显延长，使耐力运动员在力竭性运动后乳酸消除速率加快, 维持长时间亚极量运动中的血糖稳定，有利于延缓运动中的疲劳出现16，17。Wu等人发现补充L苹果酸能显著延长小鼠游泳至力竭的时间6。2.2 苹果

5、酸的抗疲劳作用苹果酸对正常体力劳动及紧张劳动后体力的恢复有显著影响。研究发现瓜氨酸苹果酸盐能促进肝脏的氨代谢，增强了肝脏的功能，同时促进肾脏重碳酸盐的再吸收，缓解代谢性酸中毒，表明瓜氨酸苹果酸盐能促进疲劳的消除，在人体中具有抗疲劳的作用。苹果酸和氢氧化镁混合物还用于治疗肌纤维疼痛综合征(Fibromyalgia Syndrom) ,该病症的主要症状是长期肌肉酸痛且无力，混合物中的苹果酸能在低氧情况下产生ATP18。Bendahan等人的研究发现，摄入瓜氨酸苹果酸盐可使运动中ATP 的产生率增加34%，运动后磷酸肌酸恢复率增加20%，导致了疲劳感的明显降低19。尽管瓜氨酸苹果酸被广泛认为具有抗疲劳作用，但究竟是瓜氨酸、苹果酸单一成分，还是在两者共同作用下才具有抗疲劳作用依然有待阐明清楚。外源性苹果酸提高运动做功能力可能与苹果酸促进线粒体呼吸过程有关。苹果酸浓度上升，线粒体内利用底物合成ATP 的作用加强，同时也加强对ATP 的利用20，21。苹果酸浓度提高表明三羧酸循环底物浓度的增加和三羧酸循环流量的增多。此外，苹果酸浓度上升使苹果酸天冬氨酸穿梭作用加强，基质内的NADH进入线粒体增多，

6、线粒体呼吸率的增高可能与二者共同作用有关22。补充苹果酸使肝细胞胞质苹果酸脱氢酶与线粒体苹果酸脱氢酶活力增加，使三羧酸循环中间产物迅速增加，推动了三羧酸循环的循环速率及苹果酸天冬氨酸穿梭速率，有利于维持较高的三羧酸循环中间产物，提高肝组织产能效率；降低运动过程中血清肌酸激酶的水平，减少运动过程中骨骼肌的损伤，从而提高运动能力6。2.3 苹果酸对心脏的保护作用临床上已将苹果酸作为心脏基础液的成份之一，加上K+、Mg2+以保护心脏的能量代谢23,24。同位素示踪实验发现离体大鼠心肌细胞缺氧孵育60 分钟，苹果酸可直接作为前体经延胡索酸还原产生琥珀酸，同时生成ATP，保护心肌细胞膜的完整性25。另外，静脉注射苹果酸钠可以显著提高冠状动脉血流量，而耗氧却无明显增加，苹果酸和氧化型辅酶（NAD）结合使用时冠脉血流量和心肌耗氧量均明显升高26,27。在进一步研究中发现苹果酸和NAD使冠状动脉阻塞的心肌侧支循环有所增加，心肌收缩能力也有所加强，心肌耗氧量适当增加，血液动力学参数也变为正常值28。苹果酸对心脏的保护还体现在影响心肌线粒体酶系的活性上。研究表明，晕厥时心肌线粒体重要酶琥珀酸脱氢酶（SDH

7、）、细胞色素氧化酶（CCO)的活性降低，灌注苹果酸钠能促进其活性恢复，增加ATP 的合成29。因此，苹果酸可以保护心肌的能量代谢，对心肌有显著的保护作用。2.4 苹果酸促进羧酸盐代谢作用L苹果酸有促进柠檬酸盐氧化的作用，而且延胡索酸盐及琥珀酸盐转化为苹果酸后，同样可以刺激柠檬酸的氧化，可见其主要是由苹果酸介导30。L苹果酸可以提高精子线粒体丙酮酸脱氢酶活性，从而促进丙酮酸盐的吸收利用31。Matsuishi等人发现苹果酸盐可以促进琥珀酸盐的氧化，能有效解除丙酸盐对肝线粒体呼吸抑制的作用32。2.5 苹果酸促进线粒体呼吸作用动物实验表明，机体ATP 需求增加时，肝脏线粒体内苹果酸浓度上升，线粒体内利用底物合成ATP 的作用加强。推测呼吸作用的加强由苹果酸介导，苹果酸可能是线粒体内产生ATP 的动力20。Bobyleva-Guarriero等人发现给大鼠注射少量苹果酸盐，肝脏线粒体中苹果酸盐浓度上升，柠檬酸盐、- 酮戊二酸和琥珀酸盐的氧化率上升21。小剂量补充外源性苹果酸，可提高线粒体苹果酸浓度，既节省基质中的苹果酸，又促进线粒体内的穿梭速率，从底物的供给和能量的转移两个方面推动了线粒体的

8、代谢。2.6 苹果酸的改善记忆能力氨基丁酸是一种抑制性神经递质，它会造成皮层轴突树突突触联系发生障碍，是引起中枢疲劳的因素之一。脑内谷氨酸在谷氨酸脱羧酶的作用下可产生氨基丁酸。体外实验表明33，10mmol/ L 苹果酸可抑制谷氨酸脱羧酶活性，因此苹果酸是一个比较理想的谷氨酸脱羧酶抑制剂。周红宇等人发现小鼠连续5 天使用L苹果酸后，对记忆的获得、巩固和再现均有明显改善作用34。脑内游离氨基酸测定显示，苹果酸可明显降低小鼠脑内氨基丁酸水平，提高谷氨酸/氨基丁酸比值，从而达到促进记忆作用。体外神经元培养发现苹果酸可抑制小鼠大脑细胞的线粒体对谷氨酰胺的转运，拮抗谷氨酰胺浓度过高导致的线粒体肿胀以及谷氨酸诱发的神经元迟发性坏死，对皮层及海马神经元有明显保护作用35,36。周红宇等人利用脑缺血再灌注致学习记忆障碍的模型研究L苹果酸改善记忆的作用，发现脑缺血再灌注后给予L苹果酸对学习记忆有明显的改善作用37。丁细桃等人研究发现苹果酸可能通过调节中枢神经递质，改善神经元能量代谢，提高脑内还原当量等多方面途径减轻Al3+对脑神经元的损伤，从而改善学习记忆功能，预示其在防治老年性痴呆中有一定的实用价值3

9、8。2.7 苹果酸增强钙的活性苹果酸钙的可溶性高于碳酸钙，且其生物活性高，易于为人体吸收，是一种良好的钙源。Deehr等人给绝经后女性使用柠檬酸苹果酸钙，发现这种钙源与从牛奶等食物中得到的钙源相比，能更有效防止体内铁的丢失39。动物实验也证明，苹果酸钙生物活性要高于碳酸钙，使用柠檬酸苹果酸钙比碳酸钙对钙的吸收利用率和存留率更高40，41。2.8 苹果酸降低抗癌药物毒副作用Sugiyama等人的研究表明，从白芷根中提取的有效成分苹果酸钠能够有效保护肾脏和骨髓细胞，能够显著降低因使用抗癌药物顺氯氨铂(cis-diamminedichloroplatinum，CDDP) 所产生的毒性，但不降低抗癌药自身的活性，有助于减少癌症患者因化疗引起的副作用42。Ueda等人对苹果酸降低抗癌药CDDP毒副作用的机理作了进一步的研究，发现服用同位素14C标记的苹果酸能很快分布在肝及肾脏等组织中，但在肿瘤细胞中苹果酸的浓度很低，且大约40的苹果酸与抗癌药CDDP结合转化为DPM（diamminoplatinum(II) malate），DPM同样具有抗癌效果且毒性较低43。因此苹果酸可以通过与抗癌药物结合来达到降低抗癌药物CDDP的毒副作用，而且还可以提高抗癌药物的使用剂量44。2.9 苹果酸的其他作用实验证明，丙酮酸和苹果酸联合使用有利于神经元线粒体内Ca2+的动态平衡，防止被谷氨酸孵育的神经元线粒体内Ca2+大幅上升，从而减少谷氨酸的刺激毒性，保护海马回和大脑皮质神经元细胞，延缓细胞的死亡35。Francini等人的实验也证明，苹果酸可以缓冲蛙骨骼肌纤维细胞内Ca2+浓度的改变45。苹果酸能促进肝脏的氨代谢，降低血氨的浓度46，对肝脏具有保护作用。它是治疗肝功能不全、肝衰竭、肝癌，特别是多氨症的有效药物47。Wu等人研

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