Effect of Fructose or Sucrose Feeding with Different Levels on Carbohydrate and Lipid Metabolism in Normal or Type 2 Diabetic Rats

Abstract

This study was designed to evaluate the influence of different dietary levels of fructose or sucrose on carbohydrate and lipid metabolism in rats, as substitute for carbohydrate (CHO) and as dietary supplement. This study was comprised three experiments. Experiment I aimed to evaluate the effects of dietary fructose or sucrose, and fructose or sucrose substituted for carbohydrate (cornstarch) in the diet with different levels, with the same degree. Experiment II was designed to determine whether the supplement of fructose or sucrose with different levels might affect blood glucose regulation in Sprague-Dawley (SD) and Goto-kakizaki (GK) rats with type 2 diabetes. Experiment I was designed to determine whether dietary fructose or sucrose might affect carbohydrate and lipid metabolism in middle-aged male SD rats. Seventy rats were maintained for one month, and divided 10 in each group. One group was fed a control diet containing cornstarch as 100% (w/w) CHO. Three groups were fed varying levels of sucrose: 25%, 50% and 100% of CHO, designated 25S, 50S and 100S, respectively. Another three groups were fed varying levels of fructose: 25%, 50% and 100% of CHO, designated 25F, 50F and 100F, respectively. The biomarkers for carbohydrate metabolism were the intraperitoneal glucose tolerance test (IPGTT), plasma concentrations of insulin, c-peptide and glucagon, glycogen concentration in the liver, and fructose 1,6-bisphosphatase (F-1,6-BPase) activity and level in the liver. The biomarkers for lipid metabolism were plasma concentrations of total lipids, triglycerides (TG), total cholesterol, high-density lipoprotein cholesterol, and nonesterified fatty acid. We also measured the concentrations of total lipids, TG, cholesterol, and malic enzyme (ME) and glucose 6-phosphate dehydrogenase (G-6-PDH) activities in the liver. After the rats had fasted 12 h, rats fed with diets containing the 25F diet had higher basal blood glucose level than rats fed with any other diets. At 30 min after glucose loading, rats fed with the 25S diet had the highest blood glucose concentration. At 30, 60, and 90 min after glucose loading, rats on the 25F diet had the lowest blood glucose concentration, and rats fed with the sucrose diets had higher concentrations than those fed with fructose diets. Rats fed with 25F diet had a smaller the area under the curve (AUC) than rats fed with the other experimental diets. Rats fed with diets containing fructose had lower blood glucose concentrations than rats fed with diets containing sucrose with the same degree. Rats fed with diets containing fructose had smaller plasma insulin and c-peptide concentrations than rats fed with diets containing sucrose at the same degree. F-1,6-BPase activity and level in liver were the lowest in the 25F diet group. Rats fed with diets containing fructose had higher liver glycogen concentrations than rats fed with diets containing sucrose with the same degree. Plasma total lipids and TG concentrations of all groups but 25F diet group fed with higher level sucrose or fructose diets were higher than those of groups fed with smaller level sucrose or fructose diets, respectively. Groups fed with fructose diets had higher concentrations of plasma total cholesterol than groups fed with sucrose diets at the same degree. Liver concentrations of total lipids and TG were not affected by any dietary factor. Liver ME and G-6-PDH activities of all the experimental diet groups were significantly higher than that of the control group. Liver ME and G-6-PDH activities of groups fed with higher levels sucrose or fructose diets were higher than those of groups fed with lower levels sucrose or fructose diets, at the same degree. Fructose and sucrose intakes increased the levels of lipogenic enzyme activities about equally. Experiment II was designed to determine whether acute fructose or sucrose administration at different levels (0.05g/kg, 0.1g/kg or 0.4 g/kg body weight) might affect oral glucose tolerance test (OGTT) in normal or type 2 diabetic rats. Seventy male nine-month-old SD rats and seventy male six-week-old GK rats were fed with a normal diet for seven days of adaptation before testing. In OGTT, there were no significant differences in glucose responses between acute fructose- and sucrose-administered groups. In normal rats, the AUCs of the blood glucose response for the fructose-administered groups were lower than those of the control and sucrose-administered groups. The AUCs of the smaller levels fructose- or sucrose-administered groups were lower than those of higher levels fructose- or sucrose-administered groups. In type 2 diabetic rats, only the AUC of the 0.05F diet group was lower than that of the control group. The AUCs of fructose-administered groups were lower than those of the sucrose-administered groups, and the AUCs of lower levels fructose-administered groups were lower than those fed higher levels of fructose. In conclusion, in normal SD rats, the AUC of rats fed with the 25F diet were lowest, and rats fed with fructose diets had lower concentration of blood glucose than those fed with sucrose diets. In the case of 25F diet group, low glucose production rate due to low F-1,6-BPase activity and level, and the increased glycogen synthesis level in liver are thought to contribute to low blood glucose level. There were no significant differences in glucose responses between the acute fructose- and sucrose-administered groups for either the normal SD or the type 2 diabetic GK rats. However, the AUC of the group administered the smallest level of fructose (0.05 g/kg body weight) was less than those administered higher levels of fructose or sucrose and less than the control group. The AUCs of fructose-administered groups tended to be lower than those of sucrose-administered groups. The AUCs of lower levels fructose- or sucrose-administered groups were smaller than those of higher levels fructose- or sucrose-administered groups. The beneficial effect of low level of fructose in regulating blood glucose may arise from slow absorption and a low glycemic index. In supplement to the stimulated net hepatic glucose uptake secondary to enhanced translocation of glucokinase, fructose led to increased levels of glucokinase activity, hepatic glycogen synthesis, and hepatic glycolysis. When glucose and fructose are supplemented together, fructose is induced to suppress the absorption of glucose in GLUT2 which exists in the apical surface. Higher blood glucose level and less effective blood glucose regulation was observed when we performed OGTT to diabetic rats than to normal rats. This can be accounted for by the impaired insulin secretion which leads to reduced translocation GLUT4 in diabetic rats. The latter is associated with decreased glucose transport in type 2 diabetic rats. Increased amounts of added fructose led to impaired blood glucose regulation. The fact that increased supplement of fructose translates to extra calorie which transforms to glucose and eventually higher blood glucose level can account for this. Intakes of fructose and sucrose had little effect on lipid metabolism, so differences in lipid metabolism between groups fed with fructose and with sucrose were minimal. However, the lipogenic metabolism of rats fed higher fructose or sucrose diets were higher than those fed with lower fructose or sucrose diets. Thus, increased intakes of fructose or sucrose led to higher lipogenic metabolism in normal rats.;본 연구는 수준이 다른 과당이나 서당이 식이 내 탄수화물로 대체하였을 때와 식이와 별도로 첨가되었을 때 시험동물의 당대사 및 지질대사에 미치는 영향을 비교하여 알아보고자 실행되었다. 본 연구는 두 가지 실험으로 구성되었다. 실험 I 은 정상시험동물을 대상으로 수준을 달리한 과당이나 서당을 탄수화물 급원으로 대체하여 공급하였을 때 당대사 및 지질대사에 미치는 효과를 알아보고자 수행하였다. 실험 II에서는 정상시험동물과 당뇨시험동물을 대상으로 포도당 용액에 수준을 달리한 과당이나 서당을 각각 첨가하여 경구 투여하였을 때 혈당조절에 미치는 효과를 비교하여 알아보고자 수행하였다. 실험 I 에서는 생후 9개월 령의 Sprague-Dawley (SD) 종의 수컷 흰쥐 70마리를 사육하였는데 그 중 10마리는 대조군으로서 식이 내 탄수화물 급원으로 100% (w/w as carbohydrate) 옥수수전분을, 60마리에게는 과당과 서당을 각각 식이 내 탄수화물 함유량의 25%, 50%, 100% (w/w as carbohydrate) 수준으로 대체하여 공급하였다. 실험식이가 당대사에 미치는 영향을 알아보기 위하여 복강 당부하 검사 (intraperitoneal glucose tolerance test), 포도당 반응 면적 (the areas under the curve of glucose response), 혈장 내 insulin, c-peptide, glucagon 농도, 간 내 glycogen 농도, 간 내 fructose 1,6-bisphosphatase (F-1,6-BPase) 활성 및 수준을 측정하였다. 시험식이가 지질대사에 미치는 영향을 알아보기 위하여 혈장 내 총 지질, 중성지방, 총 콜레스테롤, 고밀도지단백 콜레스테롤, 유리지방산의 농도를 측정하였으며, 간 내 총 지질, 중성지방 및 콜레스테롤 농도와 간 내 malic enzyme (ME) 과 glucose 6-phosphate dehydrogenase (G-6-PDH) 의 활성을 측정하였다. 실험 II 에서는 생후 9개월 령의 SD 종의 수컷 흰쥐와 6주 령의 Goto-Kakizaki종의 수컷 흰쥐를 각각 70마리씩 일주일 동안 적응 시킨 후 경구 당부하 검사를 실시하였다. 경구 당부하 검사시, 대조군 10마리에게는 포도당 용액 (1 g/kg body weight) 을, 60마리에게는 포도당 용액 (1 g/kg body weight) 에 과당이나 서당을 각각 세가지 수준별 (0.05 g/kg body weight, 0.1 g/kg body weight, 0.4 g/kg body weight) 로 첨가하였다. 과당과 서당을 식이 내 탄수화물로 대체하였을 때 당대사 및 지질대사에 미치는 효과는 다음과 같았다. 복강 당부하 검사시, 식이 내 탄수화물 함유량의 25%를 과당으로 섭취한 군의 공복 혈당이 대조군과 다른 군들의 공복 혈당에 비하여 높게 나타났다. 포도당 투여 30분 후에는 식이 내 탄수화물 함유량의 25% 서당 섭취군의 혈당이 가장 높았고 식이 내 탄수화물 함유량의 25% 과당 섭취군의 혈당이 가장 낮았다. 포도당 투여 후 30분, 60분, 90분에는 식이 내 탄수화물 함유량의 25%를 과당으로 섭취한 군의 혈당이 가장 낮았고, 식이 내 탄수화물 함유량의 25%, 50%, 100%를 서당으로 섭취한 군들의 혈당이 식이 내 탄수화물 함유량의 25%, 50%, 100%를 과당으로 섭취한 군들의 혈당보다 높은 경향을 나타내었다. 포도당 반응 면적에 있어서도 식이 내 탄수화물 함유량의 25%를 과당으로 섭취한 군이 대조군과 다른 실험군들에 비하여 낮게 나타나 혈당 조절에 가장 효과적이었다. 과당을 섭취한 군들이 서당을 섭취한 군들에 비하여 낮은 경향을 나타내었다. 혈장 내 인슐린과c-peptide 농도는 과당을 섭취한 군들이 서당을 섭취한 군들에 비하여 낮은 경향을 나타내었고, 간 내 glycogen 함량은 탄수화물 내 동일한 함량을 지닌 군들간 비교시, 과당을 섭취한 군들이 서당을 섭취한 군들에 비하여 높은 경향을 나타내었다. 간 내 F-1,6-BPase 활성과 수준은 식이 내 탄수화물 함유량의 25%를 과당으로 섭취한 군이 다른 군들에 비하여 낮은 경향을 나타내었다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때 식이 내 탄수화물 함유량의 25%를 과당으로 섭취한 군이 다른 군들에 비하여 포도당 반응 면적과 당 신생 과정 효소 활성 및 수준이 가장 낮으며, 인슐린 분비도 증가하지 않아서 혈당 조절에 가장 효과적임을 알 수 있었다. 혈장 내 총 지질과 중성지방 농도는 식이 내 과당과 서당의 함량이 높을수록 높은 경향을 나타내었다. 식이 내 탄수화물의 25%, 50%, 100%를 과당으로 첨가한 군들의 총 콜레스테롤 농도는 다른 군들에 비하여 높은 경향을 나타내었다. 간 내 총 지질과 중성지방 농도는 모든 군 간에 유의적인 차이가 없었다. 간 내 ME와 G-6-PHD의 활성은 과당을 섭취한 군들과 서당을 섭취한 군들이 대조군에 비하여 유의적으로 높은 경향을 나타내었다. 탄수화물 내 동일한 함량을 지닌 군들간에 비교시, 식이 내 과당과 서당의 함량이 높을수록 간 내 ME와 G-6-PDH활성이 높은 경향을 나타내었다. 과당을 섭취한 군들과 서당을 섭취한 군들의 지질합성 효소활성은 유사하게 나타났다. 과당과 서당을 식이와 별도로 첨가하였을 때 혈당 조절에 미치는 효과는 다음과 같았다. 정상시험동물을 대상으로 경구 당부하 검사시, 대조군과 모든 실험군들 간에 혈당은 유의적인 차이가 나타나지 않았으나, 포도당 용액에 과당을 첨가한 군들이 포도당 용액에 서당을 첨가한 군들에 비하여 혈당 감소효과를 나타내었다. 과당의 경우 소량을 첨가할수록 혈당 감소가 더 효과적이었다. 포도당 반응 면적 측정 결과, 대조군에 비하여 포도당 용액에 세가지 수준으로 과당을 첨가하여 투여한 군과 포도당 용액에 소량 (0.05 g/kg body weight) 의 서당을 첨가한 군이 유의적이지 않으나 포도당 분비 반응 면적이 낮음을 볼 수 있었다. 제 2형 당뇨시험동물을 대상으로 경구 당부하 검사시 대조군과 모든 군들 간에 유의적인 차이가 나타나지 않았으나, 포도당 용액에 과당을 첨가한 군들이 포도당 용액에 서당을 첨가한 군들에 비하여 혈당 감소효과를 나타내었다. 포도당 반응 면적 측정 결과, 대조군에 비하여 소량 (0.05 g/kg body weight) 의 과당을 첨가하여 경구 투여한 군만이 유의적이지 않으나 포도당 분비반응 면적이 낮음을 볼 수 있었다. 결론적으로 정상시험동물을 대상으로 식이 내 탄수화물의 25%를 과당시험시료로 대체한 경우는 대조군과 식이 내 탄수화물을 서당시험시료로 대체한 경우보다 혈당 조절효과가 더 크게 나타났다. 정상시험동물이나 당뇨시험동물에게 각각 포도당용액에 과당이나 서당을 첨가하여 공급한 경우, 혈당조절에 미치는 효과는 유의적이지 않으나 서당을 첨가하여 투여한 군들에 비하여 과당을 첨가하여 경구 투여한 군들의 혈당이 더 낮았고, 과당의 경우 소량 (0.05g/kg body weight) 첨가시 혈당 감소가 가장 효과적이었다. 소량의 과당첨가가 혈당조절에 유익한 이유는 과당이 포도당에 비하여 흡수율과 당 지수가 낮고 glucokinase의 활성 증가를 통하여 간으로의 당 수송을 자극 (net hepatic glucose uptake) 하며 간 내 glycogen합성을 증가시키고 해당과정을 통하여 당을 빠르게 이용하기 때문인 것으로 생각된다. 과당과 포도당을 같이 첨가하여 공급시, 선단 표면 (apical surface) 에 존재하는 glucose transporter 2내에서 과당이 포도당의 흡수를 억제하여 혈당을 조절하는 것으로 생각된다. 과량의 과당 첨가시에는 초과 에너지가 발생하고 포도당으로 전환이 증가되어 혈당이 높아지는 것을 볼 수 있었다. 식이 내 탄수화물로 과당이나 서당을 대체하였을 때 지질대사에 미치는 효과는 뚜렷한 차이를 보이지 않았으나 식이 내 과당이나 서당의 함량이 높을수록 지질합성이 증가하는 경향을 나타내었다. 그러므로 소량 (식이 내 탄수화물의 25%를 대체 하거나 체중당 0.05g 첨가시) 의 과당 섭취시 지질수준은 증가하지 않고 혈당이 가장 효과적으로 조절될 수 있음을 알 수 있었다. 이로써 서당의 대체 감미료로서 소량의 과당을 이용함이 혈당 조절에 유익할 수 있음을 제안한다.