Takarmányozzunk vagy legeltessünk – ez a kérdés továbbra is
eredeti cikk: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11306-021-01855-7.pdf
Ismertető: Ez az áttekintés a szarvasmarhák gabonatakarmányozását követő metabolikus eltérésekkel foglalko-zik, a legelőalapú takarmányozás helyett mesterséges teljes keverékadagot (Total Mixed Ration: TMR) alkalmazva.
Célkitűzések: Meghatározni, hogy a szemestakarmányozás hogyan rontja az anaplerotikus mitokondriális mátrix deutériumcsökkentő funkcióit a tej- és hústermékek előállítása során.
Metódusok: Az alábbiakban közölt adatok alapján értékeljük, hogy a gabonával táplált állatok lényegében egy elágazó láncú aminosav- és páratlan láncú zsírsav-alapú, reduktív karboxilációtól függő takarmányozási módot követnek, amely az egyik mitokondriális deutériumfelhalmozódási rendellenesség az humán daganatos megbetegedésekben is.
Eredmények: Mára nyilvánvalóvá vált, hogy az élelmiszer-alapú sejten belüli deutériumcsere-reakciók, különösen a glikogén szubsztrátok oxidációja a deutériummal dúsított (2H; D) metabolikus víz jelentős forrása, mely jelentős hatással van az állati és humán egészségre. A magas deutériumtartalmú tejtermékek oxidáció során az emberi szervezetben bekövetkező anyagcsere-vízzé égése hasonló anyagcsere-állapotokhoz és betegségekhez járulhat hozzá, mint amilyeneket a korszerű tudományos cikkekben a szarvasmarha esetében leírtak. A szemestakarmányozás szintén korlátozza a mitokondriumok oxigénellátását a hatékony deutériumcsökkentett metabolikus víztermeléshez a TMR-összetevők genetikailag módosított növényeiben használt glifozát gyomirtószer-expozíció által.
Következtetés: Az orvosi anyagcseretudomány, a biokémiában és a deutenomikában, azaz a biológiai deutériumfrakcionálás és -megkülönböztetés tudományában elért fejlődés sürgető fontosságú és kritikus felülvizsgálatot igényel annak érdekében, hogy a népbetegségek, például a cukorbetegség, az elhízás és a rák járványügyi mértékét ellenőrzés alatt lehessen tartani annak alapos megértése révén, hogy a szemestakarmánnyal táplált tejelő tehenek veszélyeztetett anyagcseréje hogyan hat az emberekre, a fogyasztókra.
ISMERTETŐ
A metabolomikai megközelítések kiváló erőforrásokat biztosítanak a termelők és a fogyasztók számára az állatok és az emberek tápanyaghatékonyságának javításával, ezáltal javítva azok jólétét anélkül, hogy a környezetre negatív hatást gyakorolnának. Ezen szakterület néhány kiváló tudományos közleménye (lásd pl. Adewuyi et al., 2005; García-Roche et al., 2019) kifejezetten a glükóz- és zsírsav-anyagcsere metabolikus eltéréseivel foglalkozik, amelyeket szoptató marháknál találunk olyan rendszerekben, amelyek vagy teljes vegyes takarmányozási stratégiát (TMR), vagy legeltetéses takarmányozási stratégiát alkalmaznak. Nyugati iparági szabványok szerint a TMR összetört kukoricanövényből (takarmány), lucernából, árpából, kukoricából, napraforgóból és szójababból áll (University of South Dakota). A kukoricát, lucernát és szóját gyomirtó hatású glifozát-rezisztens növénymagból lehet termeszteni és a növekedés során glifozáttal kezelni, míg az árpát és a napraforgót betakarítás előtt gyakran permetezik glifozáttal, mint vízelvonó, szárítószerrel. A szerzők különböző analitikai módszereket alkalmaztak a biokémiai reakciós architektúrára visszavezethető anyagcsere-méréseken keresztül a közbenső folyamatok megfejtésére. A TMR-hez és a legeltetésen alapuló takarmányozáshoz való változatos mitokondriális alkalmazkodást nemrégiben erősítették meg genetikai és fehérjeexpressziós kísérletekkel (García-Roche et al., 2021). Ezek egyértelműen lényeges előrelépéseket jelentenek a szakterület számára a tej és más bioszintetikus termékek előállításához szükséges biokémiai reakciók fontosságának megértésében a szemestakarmánnyal, vagy legelőn táplált szarvasmarhák esetében. A tehén-takarmányozási protokollokhoz alkalmazkodó anyagcsere-áramlási szerkezetek részletes megértése azért fontos, mert a szemestakarmányozott állatok által használt glikogén szubsztrátoknak, például a kukoricakeményítőnek, az elágazó láncú aminosavaknak és a páratlan láncú zsírsavaknak eredendően magasabb a nehézhidrogén izotóp (deutérium) tartalma (Schleucher et al., 1999), amelyeket kapcsolatba hoztak a sejtproliferatív rendellenességekkel (Boros et al., 2016, 2017). A deutérium gyors és erőteljes metabolikus kicserélődése a különböző sejtvizes rendszerekben a deuterált keményítőből származó glükózból a glikogén termékeken és prekurzorokon keresztül már leírták az orvos irodalomban (Ben-Yoseph et al., 1994), melyet a közelmúltban mágneses rezonancia képalkotó (MRI) módszerekkel aktualizáltak (Mahar et al., 2021). Ezek a mechanizmusok történelmileg a szarvasmarhák szívizomzatában a mitokondriális ATP-szintáz dózisfüggő károsodásához kapcsolódnak válaszul a deutérium hatására (Dorgan & Schuster, 1981; Urbauer et al., 1984). Az ilyen jellegű károsodás pontosan a deutériumnak a mitokondriális ATP-szintázra gyakorolt biológiai hatásai révén következik be, a deuteronáció által (Olgun, 2007), amely a protonok deutériumatomra való kicserélésének folyamata az élet bármely területén. A deuteronáció a TMR-takarmányozás következtében a metabolikusan károsodott marhatermékekben - tej- és hústermékekben egyaránt - gyakori, ami az emberi egészség szempontjából is aggályos lehet a fogyasztók számára, amint azt az alábbiakban ismertetjük. A deutenomika fontos fejleményeire mutat rá a cikkünk, ugyanis az Egyesült Államok F.D.A. honlapja szerint a hús- és tejtermelés céljából tartott állatok több mint 95%-a az Egyesült Államokban GMO-növényeket, többek között lucernát, repcét, kukoricát és szóját fogyaszt (Regulated Products, 2020). A deutenomika az orvosi biokémia interdiszciplináris megközelítése, mint a deutérium nagy szubmolekuláris izotóphatások bevezetése, mint gyorsan fejlődő tudomány, amely a diagnosztika, a megelőzés, valamint a klinikai beavatkozások irányába mutat.
Különböző takarmányozási protokollok biokémiai hatása
Garcia-Roche két takarmányozással foglalkozó cikke szerint, hogy ilyen betekintést nyújtson a vélemények kialakításához, a Holstein-Fríz teheneket az ellést követően hosszabb ideig (több mint 3 hónapig) vagy mesterségesen kevert gabona/fehérje alapú takarmánnyal, vagy pedig természetes legelőről származó fűvel takarmányozták. Ezek a szakirodalmi cikkek kiválóan feltárnak számos fehérje-, glükóz- és zsírsav-anyagcsere-útvonalat a keringő és szövethez kötött köztitermékek, enzimreakciók és hormonális változások feltérképezése révén. Rendszeresen vettek tej-, vér- és májmintákat az anyagcsere-termékek, a hormonok, a génkifejeződés (transzkripció) és a fehérjék tanulmányozása (transzláció) céljából.
A legelőn táplált állatok ketogén anyagcseréje a keringő zsírok és zsírsavak alapján a különböző növényi zsírsavtermékek alapvetően alacsonyabb deutériumtartalmával (< 130 ppm) jellemezhető (Billault et al., 2005) ( 1. ábra A és B jelzésű szubsztrátok). Az is fontos, hogy a keringő glükóz (szőlőcukor) képződéséhez szükséges glükoneogenikus enzimek hírvivő-RNS kifejeződése számottevően emelkedett. Ezek az enzimek részt vesznek a fűfélék alacsony deutériumtartalmú prekurzorának, a glicerin egy részének glükózzá történő átalakításában (Schleuche et al., 1999). A növényi eredetű glicerin a konjugált zsírsavak mellett természetszerűleg alacsony deutériumtartalommal rendelkezik, és a glicerin jelentős glükoneogén prekurzor, miután a májban a szarvasmarhák glicerin-kináza által foszforilálja. A fűből származó glicerin, mely a piroszőlősav forrása, a teljes körű katabolikus és deutériumcsökkentő (deupletált) TCA-ciklus (trikarbonsav-, Krebs-Szent-Györgyi-ciklus) funkciókat is táplálhatja a citrát szintézis és a deutériumcsökkentő (deukkentett) mátrixvíz-termelés és -visszaforgatás révén. Az ilyen deupletizáló metabolikus adaptáció védi a mitokondriális ATPáz és más, ionpumpával összefüggő nanomotor funkciókat a szubsztrát-transzport, oxidáció és anaplerózis során, amelyek a szoptatás során a tiszta (új) biomolekula szintézishez szükségesek (1. ábra).
1. ábra: Jelentősen eltérő biokémiai reakcióarchitektúrák a deutériumdús és -szegény takarmány-alapanyagok feldolgozásához mesterséges TMR szarvasmarha-takarmány (narancssárga) és fű (zöld) etetési stratégiák mellett tejhasznú tehenekben. Az A és B feliratú szövegkeretek a fűvel táplált állatok ketogén szubsztrát-metabolitjait mutatják, amelyek a természetesen alacsonyabb deutériumtartalmú zsírok, glicerin és zsírsavak elégetéséhez vezetnek, amelyek deutériumcsök-kentett (deupletált) mátrixvizet termelnek a mitokondriumok számára. A C és D jelölésű szubsztrá-tok a mesterségesen TMR-rel etetett állatok esszenciális elágazó láncú aminosav-alapanyagai, mint például a leucin, izoleucin és valin, valamint a metionin, treonin és timin, és ezek páratlan láncú, magasabb deutériumtartalmú zsírsavszármazékai, ahogyan azt a cikk is ismerteti. Az E jelű reakcióút a magasabb deutériumtartalmú glutamin reduktív karboxilálással történő felhasználását mutatja a mitokondriumok elágazó funkciója felé. Megjegyzendő, hogy a glutamátot és származé-kát, a ketoglutarátot (alfa-szén) oxidáció útján NADPH előállítására is felhasználják, azaz redukáló ekvivalensét a reduktív karboxilációhoz a citráttermelés felé a gabonával táplált tehenek súlyosan károsodott mitokondriumaiban (Mullen et al., 2014). A nyugati mezőgazdasági üzemekben hasz-nált mesterséges TMR szarvasmarhatakarmányok glifozátot is tartalmaznak.
PC piruvát-karboxiláz, MCM metilmalonyl-CoA mutáz (izomerázként is ismert), G6PDH glükóz-6-foszfát dehidrogenáz, TK transzketoláz, TA transzaldoláz, NADPH nikotin-adenin-dinukleotid-foszfát (protonált), LDH laktát-dehidrogenáz, PDH piruvát-dehidrogenáz, MDH malát-dehidrogenáz, PEPCK foszfenolpiruvát-karboxikináz, PEPCK foszfenolpiruvát-karboxikináz.
Másrészről a mesterségesen kevert gabonával táplált állatokban a magasabb (> 140 ppm) deutériumtartalmú (Lecchi & Abramson, 2000) elágazó láncú aminosavak (leucin, izoleucin és valin) jelentős mennyiségben jutnak be a TCA-ciklusba a borostyánkősav révén, ami a mitokondriumokban metilmalonyl-CoA mutáz gének kifejeződését váltja ki. Garcia-Roche publikációiból kitűnik, hogy a szemestakarmányozás átkapcsolja a szarvasmarhákat a magas deutériumtartalmú szénhidrátok (Schleucher et al., 1999), az elágazó láncú aminosavak, valamint a TMR-ek (University of South Dakota) összetétele alapján ezekből képződő páratlan láncú zsírsavak (1. ábra C és D jelzésű szubsztrátok) elégetésére. További hátránya a reduktív karboxiláció által felhasznált glutamin nagyobb szükséglete (Holleran et al., 1995), az aminosav- (glutamin-) forrásból történő irreverzibilis szétágazással a citrát és a zsírsavszintézis felé, ami megfordítja a TCA-ciklus irányát a deutérium-lebontó funkcióról a deutérium-akkumuláló működés irányába (1. ábra, E-vel jelölt bemeneti metabolikus szubsztrát).
A természetszerűleg fűvel táplált állatokban a Krebs-Szent-Györgyi-ciklust deutériumcsökkentett glicerin- és piruvát-levezető anaplerotikus oxálecetsavval látja el a piruvinsav-karboxiláz enzim, amely a ciklus első termékét, a citromsavat hagyományosan a szintázzal állítja elő, amely a mitokondriális deutériumcsökkentett vizet (DDW) hasznosítja a későbbi anyagcsere-protonok forrásaként a katabolikus reakciók során.
Ilyen módon a fentiekben ismertetett Garcia-Roche kiváló publikációiból könnyen megtudhatjuk, hogy a gabonatakarmányozás hogyan tereli el a biokémiai folyamatokat a természetes legeltetés mellett nyomon követhető, alacsony deutériumtartalmú természetes ketogén, azaz zsírsav-béta-széntermék alapú szubsztrátumok használatától. Az alacsony deutériumtartalmú fűalapú szubsztrátoxidáció arra törekszik, hogy a természetes metabolikus ketózisban lévő, fűvel táplált szarvasmarhák testtermékeiben alacsonyabb deutériumszintet eredményezzen. Ellenben a mesterségesen kevert GMO gabona és szója gazdagabb szénhidrátokban és fehérjékben, és olyan enzimeket indukál, amelyek elágazó aminosavakat és páratlan láncú zsírsavakat használnak, amelyek hajlamosak szívelégtelenséget (Sun et al., 2016), cukorbetegséget és elhízást eredményezni (Halama et al., 2016). Amikor a szemes takarmányozású szarvasmarha a laktáció több hónapján keresztül emelkedett deutériumtartalmú környezetben, mint az ebben a cikkben vizsgált tehenek, a tej és a hús előállításához szerves molekulákat termel, metabolikus adaptációjuk nemkívánatos fluxuseloszlást mutat, mint a sejtek anyagcseréjének egyik rendszerjellemzőjét (1. ábra). Ezek a nemrégiben feltárt, az elágazó láncú aminosavak és a páratlan láncú lipidek anyagcseréje közötti keresztcsatornák a szemestakarmányozott tehenek adipogenezise során hozzájárulhatnak az elhízás és a cukorbetegség molekuláris mechanizmusainak jobb megértéséhez, ami potenciális hatással lehet a klinikai előrejelzésekre és a populációs betegségtendenciákra. Úgy véljük, hogy számos feldolgozott tejtermék (iskolatej, sajtok, tejföl, kefir, hús és viszceláris zsírok) gabonával táplált szarvasmarhából származó, potenciálisan magas deutériumtartalmát e kiváló cikk (García-Roche et al., 2021) mellett le kell írni, mivel ez jelentős mértékben hozzájárul számos anyagcsere- és degeneratív megbetegedéshez, mint például a rák, elhízás, cukorbetegség és Alzheimer-kór, amelyek egyszerre több korosztályt is érintenek.
Egy másik jelentős különbség a legelőn tenyésztett és a szemes takarmányozású szarvasmarha táplálékforrásai között a takarmányban lévő glifozát-szennyezés mennyisége. A glifozát egy mesterséges glicin-származék gyomirtó szer, amelyet széles körben használnak a gabonatermesztésben, és ismert toxikus hatása van a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP+) fenntartásában részt vevő kritikus enzimekre, amelyek viszont kritikusak a deutérium homeosztázis szempontjából. A Dániában tartott fejőstehenek például nagymértékben ki vannak téve a takarmányukban lévő glifozátnak, és ez hatással van az anyagcseréjükre (Krüger et al., 2013). A gabonatakarmányozott szarvasmarhák súlyosan károsodott mitokondriumai valószínűleg szintén a toxikus glifozát kitettségnek köszönhetőek, mely a takarmányuk magasabb deutériumtartalmával ütközik, hasonlóan, mint ahogyan a kutatások kimutatták, hogy a glifozát súlyosan károsítja a mitokondriumokat (Bailey et al., 2018). A fentieket tovább erősíti, hogy a glifozát mind a növényekben, mind a mikrobákban blokkolja a sikimát-útvonalat, amelyből a triptofán, a sikimát-útvonal terméke, a NAD nélkülözhetetlen prekurzora (Lu et al., 2013). A glifozát hatása mind a növényi eredetű táplálékforrásokra, mind a bélmikrobákra valószínűleg NAD-hiányt okoz, a García-Roche és munkatársai (2019, 2021) által leírt messzemenő mitokondriális problémákkal együtt, gabonával táplált tejelő tehenekben. A glifozát például elnyomja a G6PD-t, egy olyan enzimet, amely a vörösvértestekben igen aktív, és amely alapvető szerepet játszik a mitokondriumokban lévő antioxidánsok, például a glutation NADPH-jának ellátásában (Cattani et al., 2014). A nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát a mitokondriális citrátból történő de novo (nettó) zsírsavszintézis során is alapvető redukáló ekvivalens. A mitokondriális izocitrát-dehidrogenáz és a glutamát-oxidáció a gabonatakarmányozott tehenekben a NADPH pótlása érdekében a G6PD-aktivitás elnyomása miatt aktívvá válhat. A glifozátról azt is kimutatták, hogy visszaszorítja a szukcinát-dehidrogenázt, amely mind az oxidatív foszforiláció, mind a citromsavciklus kritikus enzimje (Ugarte, 2014). Emellett a glifozát nemcsak a hemben lévő pirrolgyűrű szintézisét zavarja (Kitchen et al., 1981), hanem gátolja a hem termékét, azaz a vörösvértestek hemoglobinját is, hogy oxigént szállítson a szövetekbe, így a mitokondriális deutériumcsökkentett metabolikus víztermelés oxigénhiányon keresztül korlátozódik. Ez azért következik be, mert a glifozát jelentős szerkezeti homológiát mutat a glicerin-biszfoszfáttal, a biszfoszfogloglicerát-mutáz (BPGM) szubsztrátjával. ez az enzim, amely csak az eritrocitákban és a placentasejtekben található, felelős a 2,3-biszfoszfogloglicerát (2,3-BPG) 1,3-biszfoszfogloglicerátból történő katalitikus szintéziséért, amely szabályozza a szövetek oxigénszállítását. Valószínűnek tűnik, hogy a glifozát által okozott deutérium-homeosztázis megzavarása az egyik legfontosabb emberi betegséget okozó tényező, amely megkülönbözteti a deuterált gabonával táplált tehéntermékek metabolikus hatását az emberi fogyasztásra szánt, deuterált fűvel táplált tehenészeti termékek metabolikus hatásától, következetes metabolikus víztermeléssel.
Megbeszélés
A fentiekből világosan látszik, hogy a szarvasmarhák gabonatakarmányozása a legelő alapú takarmányozás helyett mitokondriális deutériumcsökkentő hiányt idéz elő, és ezáltal károsítja a mitokondriális mátrix deutériumcsökkentő funkcióját a tej- és hús előállítása során. Az emelkedett deutérium- és glifozát-hatásnak kitett, gabonafélékkel táplált állatok lényegében egy elágazó láncú aminosav- és páratlan láncú zsírsav-alapú reduktív karboxilációtól függő táplálkozási módot követnek, amely a humán rákos sejtek anyagcseréjének egyik jelentős mitokondriális anyagcsere-jellemzője is (Mullen et al., 2012; 2014). A deutenomika összefüggésében a mesterséges teljes vegyes takarmányozás komolyan megzavarja a tejelő tehenek deutériumcsökkentési folyamatát, és a magas deutériumtartalmú tápanyagtermékeik ennek következtében az emberi szervezetben történő oxidáció során metabolikus vízzé történő elégetése hozzájárulhat a teheneknél fentebb leírtakhoz hasonló anyagcsere-állapotokhoz és betegségekhez. Tudomásul vesszük, hogy a deutérium- és glifozáttartalmon kívül számos további tényező is eltér a takarmányok között. Azonban a deutériumtartalom és a deutériumcsökkenést zavaró tényezők közötti különbségek a metabolikusan glikogén (gabonatakarmányozott) és ketogén (legeltetett) állatok között egyre nagyobb érdeklődésre tartanak számot a transzlációs orvoslás szempontjából (Boros et al., 2017) a deutérium kivételes izotóp-helyettesítő hatása miatt a kollektív proton-alagút bontásán keresztül (Drechsel-Grau & Marx, 2014). Ez a folyamat, azaz az alagútszerű proton átvitel az újrahasznosított, strukturált (kötött) metabolikus vízkompartmentek között a mitokondriális mátrixban termelt biológiai energia elsődleges forrása (Ruffle et al., 2002), ahol a szoros alagútszerű proton átvitel a deutériumot mintegy ezerszer jelentősebb szervetlen elemmé teszi, mint az viszonylag alacsony természetes gyakorisága alapján várható lenne. A fent említettek a hidrogén összes izotópjának teljes alagútszerű átvitelére hivatkoznak a hidridion-transzferreakciók során, a nehézatomot (2H; D) tükröző gátakkal (Klinman, 2006), ami szükségessé teszi a mitokondriális enzimekben a hidrogén alagútszerű átvitelét implikáló táplálkozási adatok integrálását a Swain-Schaad összefüggések és a biológiában a hidrogénizotóphatás félig klasszikus hőmérsékletfüggése helyett. Az itt áttekintett adatokból az is nyilvánvaló, hogy a tápanyagok deutériumtartalmának messzemenő következményei vannak azáltal, hogy a hidrogénnel és deutériummal kapcsolatos nukleáris kvantumhatásokat (Shrestha et al., 2019), mint például a alagútszerű proton átvitel és a delokalizáció, potenciálisan magyarázza a szubmolekuláris orvosi és agrártudományok számára, szoros összefüggésben a táplálkozással. A szubmolekuláris biológiai tudományokban az alagútszerű proton átvitel jobb megértésével áttekintésünk könnyen rámutat a deutériummal kapcsolatos jelentős kinetikus izotóphatásokra a fizikában, a szervetlen kémiában és a transzlációs orvostudományban, mint a közegészségügy javításának kívánatos interdiszciplináris vizsgálati megközelítésére.