CAD1

Fordøyelse, absorpsjon & metabolisme av lipider (copyright)

Christian A. Drevon professor dr. med.

Avdeling for ernæringsvitenskap, UiO

http://www.med.uio.no/imb/english/research/groups/molecular-nutrition/intern/

CAD2

Mini CV for CAD

  MD 1970, PhD 1977, professor since 1987   Research since1972: Molecular nutrition, physical activity & health

  12 persons in vitamins, fatty acids, antioxidants, cholesterol & physical activity

  CVD, overweight, diabetes, cancer, inflammatory diseases   Supervised ~ 65 master students, 26 PhD & 8 postdoctoral fellows   Published ~ 550 articles (290 peer reviewed in English)

  Teach students in medicine, odontology & nutrition   Inform the public & on committees 90-100 interviews & talks yearly   Co/founder of two public biotech companies: Vitas (analyses of

nutrients & biomarkers) and DBG (consulting)

CAD3

Noen viktige tips

•  Jobb aktivt i alle PBL-gruppene •  Gå dypt & del kunnskapen med andre •  Du har ikke skjønt temaet før du har forklart det til

andre •  Øv dere på formuleringer - muntlig & skriftlig •  Studér hele uken, hele semesteret •  Mat er viktig - vi lever av det, og kan dø av den •  Mange pasienter vet mye

CAD4

Gå til kildene

•  Kunnskapen er mest presis der den er produsert - originalartikler

•  Bruk oppdaterte bøker - Mat & Medisin, 2012 energi, proteiner, karbohydrater, fettstoffer, hjerte-karsykdommer, alkohol, fett- & vannløselige vitaminer, fedme, diabetes & kreft

•  Hent informasjon fra ulike kilder •  Sjekk påstander & still spørsmål •  Formuleringer er avgjørende

– Tren på presise formuleringer

CAD5

Lipidkurs neste uke

•  Møt fastende kl 08 til blodprøvetaking i biokjemisalen

•  Noen spiser 50 g peanøtter •  Ny blodprøve tas senere på dagen •  Dere måler kolesterol- og triglyserider i før-

og etter prøvene •  Les igjennom kursheftet på forhånd

CAD6

Lipider = fettstoffer

•  Uløselige i vann = hydrofobe, apolare •  Løselige i organiske løsemidler •  Energirike (37 kJ/g = 9 kcal/g) •  30 + % av energien i kostholdet •  Viktige for helse & sykdom •  Dette må dere kunne mye om

CAD7

Physical properties •  Nonpolar – completely insoluble in water •  Bipolar (hydrophilic-hydrophobic groups)

Dietary lipids •  Ideally < 70 g/d or 30 E% •  > 90 % TAG •  ≈ 5 % PL (4-6 g) •  Cholesterol/ CE (< 0.3 g/d) •  Essential FA •  Lipid-soluble vitamins (A, D, E & K) •  Lipid-soluble toxins, carcinogens

Endogenous lipids •  Bile PL (10-15 g)

Lipids

CAD8

CH3 - (CH2)n - CH2 - CH2 - COOH ω β α

Nomenklatur for fettsyrer

CAD9

C18

C16

Carbon chain length 1

C18:1

C18:0

C18:2 C18:3

Saturated

Monounsaturated

Polyunsaturated

Number of double bonds … 2

C18:1,ω-9 C18:2,ω-6 C18:3,ω-3

… position from ω-carbon 3

Classification of fatty acids

CAD10

Fatty acids (FA) – building blocks in different lipids

Triacylglycerol (TAG)

- Dietary fat

- Energy storage

Phosholipids (PL)

Cholesterol esters (CE)

-  Cell membranes

-  Lipoproteins

+/-

CAD11

Structure of different fatty acids ω-characteristic Methyl-end Carboxyl-end Saturation Δ-characteristics

Stearic acid 18:0

Oleic acid 18:1n-9

Linoleic 18:2n-6

α-Linolenic 18:3n-3

DHA 22:6n-3**

* EPA =eicosapentaenoic acid ** DHA=docosahexaenoic acid

6 12 9

3

EPA 20:5n-3*

19 16 13 10 7 4

3 17 14 11 8 5

COOH Saturate 18:0

COOH Monoene 18:1Δ 9

COOH Polyene 18:2Δ 9,12

COOH Polyene 18:3Δ 9,12,15

COOH Polyene 22:6 Δ 4, 7, 10,13,16,19

COOH Polyene 20:5 Δ 5,8,11,14,17

15 12 9

3

9 9

CAD12

Fettsyrers - funksjoner •  Energi

–  Mest energitette næringsstoffet •  Transport av energi

–  Plasma lipider (TAG i lipoproteiner) –  Frie fettsyrer

•  Lagring av energi •  Isolasjon - termisk, elektrisk & mekanisk støtte •  Signaler

–  Eikosanoider –  Ligander for transkripsjonsfaktorer

CAD13

ATGL; adipose tissue triglyceride lipase

TG metabolisme

CAD14

CAD15

Plasma lipoproteins

Lusis & Pajukanta, Nature Genetics, 2008, 40, 129 – 130)

Dietary lipids

CAD16

Gastrointestinaltraktus (GI)

•  Munn –  Tenner, tunge gane spyttkjertler

•  Svelg •  Spiserør (øsofagus) •  Magesekken (ventrikkelen) •  Tynntarmen

–  Tolvfingertarmen (duodenum) •  Lever •  Galleblæren •  Bykspyttkjertelen (pankreas)

–  Jejenum –  Ileum

•  Tykktarmen (Colon) •  Endetarm og anus

CAD17

Sekreter fra GI Spytt (1 L/dag) Magesaft (2 L/dag)

–  Slimhinnen (epitelceller) --> slim –  Kjertler --> saltsyre & pepsinogen, –  gastrin & indre faktor

Bukspytt (1.5 L/dag) –  Vann, hydrogenkarbonationer (HCO3

-), enzymer (lipase, amylase, proteinaser som trypsin & chymotrypsin)

Galle (1.5 L/dag) gallesalter, gallefargestoffer, fosfolipider & kolesterol

Tynntarmen (1,5 L/d) vann, ioner & slim, enzymer (funksjon i epitelcellenes membraner)

Tykktarmen (0,5 L/d slim)

CAD18

Lingual lipase starter enzymatisk lipolyse

Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2003, Saunders

• Viktig i neonatal periode • Frigjøres fra von Ebner glands på

tungen • Funksjon vedrørende fettsmaking?

CAD19

Gastrisk lipase

(Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2003, Saunders)

•  Viktig neonatalt •  15-20 % av fettfordøyelsen i en voksen

magesekk

•  Finnes I hovedcellene i funds, samlokalisert med pepsin

•  Resistent til lav pH, pepsin •  pH 4 optimum •  Hemmes av pankreas proteaser/ gallesalter

•  Katalyserer: TAG à DAG + FA

•  Hydrolyserer ikke: - CE - Korte FA (< 8 C); passiv transport via

gastrisk og jejunal mucosa inn i portablod

CAD20

Pankreatisk lipolyse

(Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2003, Saunders)

Pankreas lipase •  1000-gabger overskudd •  Sekreres i aktiv form fra acinære celler •  Aktive i olje-vann interfase •  Aktivering: Colipase •  Procolipase + trypsin à Colipase •  Også aktiverende: pH, gallesalter, FA

•  Katalyserer: TAG à 2-MAG + 2 FA

Karboksyl ester hydrolase •  Mange ulike substrater •  Hydrolyserer kolesterol estere, retinol estersere

Fosfolipase A2 (PLA2) •  Fosfatidyl choline ◊ Lysofosfatidyl choline + FA •  Proenzym, høyt pH optimum, gallesalt aktivert

CAD21 Hermoso, EMBO, 1997, 5531–5536

Binding of Colipase to Pancreatic Lipase helps stabilize the open configuration of the flap (in gold), exposing the active site and generating an extensive hydrophobic surface

Aktivering av pankreas lipasen av colipase

CAD22

Mekanisk knusing •  Tilberedning av mat •  Tygging

Gastrisk finfordeling til 2 mm •  Delvis lukket pylorus •  Peristaltisk transport •  Blanding i antrum •  Retrograde blanding duodenum à magesekk •  Tilførsel av HCl (parietalceller) og enzymer (hovedceller)

Stabil emulsjon à miceller (4-7 nm)

•  PL, FA •  Denaturerte proteiner •  Polysakkarider •  Galle •  Kolesterol

Emulgering

CAD23

Fordøyelse

•  Emulgering (varme, mekanisk - tygging & elting) •  Hydrolyse ved lipaser à fettsyrer &

monoacylglyserol –  Starter i munnen, fortsetter i magesekk & tynntarm

•  Dispergering av FS, MAG, PAG, kolesterol v/ gallesalter i vannfase (miceller)

•  Opptak av lipidene i enterocyttene - gallesaltene absorberes senere

CAD24

Må emulgere det vannuløselige fettet ved hjelp av:

•  Mekanisk blanding (tygging, elting) •  Gallesyrer - bipolare (hydrofil/fob) •  Fosfoasylglyseroler - bipolare (hydrofil/fob)

CAD25

Gallesyrer er bipolare���Hva betyr det?

CAD26

Fordøyelse - miceller

•  1 mm emulgerte lipddråper --> stor overflate for lipasen som spalter estere -->

•  Miceller (4-7 nm) Gallesyrer/FAG

Lange fettsyrer/MAG/fettløse-lige vitaminer - absorberes via lymfe som andre hydrofobe stoffer

Korte fettsyrer (< 8 C) er vannløselige - absorberes via v. portae

CAD27

Emulgering, micelledannelse

& absorpsjon

CAD28

Enteroheptaisk sirkulasjon

CAD29

C C C

Flere typer lipaser - tar sn1/3

COOH

COOH

COOH

TAG --> MAG + 2 FS

Må emulgere det vannuløselige fettet ved hjelp av: Mekanisk blanding (tygging, elting) Gallesyrer - bipolare (hydrofil/fob) Fosfoasylglyseroler - bipolare (hydrofil/fob)

CAD30

Lipaser ���(Hamosh M. Biol Neonate 1987;52 Suppl 1:50-64)

•  *Lingual (von Ebners kjertler) - sur pH, gallesyre-uavhengig

•  *Gastrisk - mest i fundus, surt pH-optimum, gallesyre-uavhengig (Abrams CK et al. Gastroenterology 1988;95:1460-1464)

•  *Melke-lipase - gallesyrestimulert •  Pankreatisk - viktig senere i livet, nøytralt

pH-optimum. Trenger co-lipase for god interaksjon med det emulgerte fettet

*Viktig første måneder etter fødsel og for premature

CAD31

Gastrisk & lingual lipase

•  Meget like, i samme genfamilie (Lohse P et al. J Lipid Res 1997;38:880-891)

•  Tar esterbindinger i TAG, men ikke CE •  Hydrolyserer ca. 20 % av TAG i maten hos

friske •  Skilles ut & er aktiv hos pasienter med

cystisk fibrose (liten pankreatisk lipaseakt)

CAD32

Pankreas lipaser ���Van Gaal et al. Best Pract Res Clin Gastroenterol. 2004,18, 1049-72

1.  Colipase-dependent lipase or pancreatic lipase 2.  Carboxyl ester hydrolase

–  Cholesterol esterase, pancreatic non-specific lipase, human milk lipase, carboxyl ester lipase, monoglyceride lipase, and bile salt stimulated lipase

–  Carboxyl ester hydrolase can hydrolyse cholesterol esters, lipidic vitamin esters, MAG, DAG, TAG & PL

3.  Phospholipase A2 4.  Colipase increases pancreatic lipase activity with

affinity for bile acid micelles and PL-covered emulsions

CAD33

Enterohepatic circulation of bile acids

(Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2003, Saunders)

CAD34

Micelles transport lipids to the surface of enterocytes

(Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2003, Saunders)

CAD35

Syntese av TAG i glatt ER i enterocytter

Yen, J Lipid Res. 2008, 2283-301

CAD36

Absorptiv slimhinne i

tynntarm

CAD37

Totter i tynn-tarm

CAD38

GI-traktus

CAD39

CAD40

•  Gastrointestinal tract releases > 20 different regulatory peptide hormones

•  Most of these hormones are sensitive to gut nutrient content

•  Altered circulating gut hormone levels affect short-term sense of hunger and satiety

Gut hormones

Murphy Nature 2006, 444, 854-859

CAD41

Lipids stimulate CCK (cholecystokinin) release from I cells in duodenum and jejunum During meals plasma levels increase 5-10 fold within 10-30 min To stimulate CCK secretion triglycerides must be hydrolyzed to fatty acids CCK effects

-  relax sphincter Oddi -  contract gallbladder -  satiety signal via vagal CCK1R

Lipids induce release of CCK from duodenum

Karhunen, Regul Pept. 2008

CAD42

•  Approx. 60 % dietary cholesterol •  Niemann-Pick C1-like 1 protein:

-  sterol-sensing domain -  translocated to surface under

cholesterol-deprived conditions •  Scavenger receptor B-I •  FA translocase CD36 •  ABC Transporters – apical efflux

to limit absorption •  ABCG5 •  ABCG8

Intestinal transporters & cholesterol absorption

Hui, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2008, G839

CAD43

mikrovilli

monoglyserider frie fettsyrer

triglycerider

kylomikroner

eksocytose

lymfekar

miceller

kolesterol

kolesterolestere

lipaser

ENTEROCYTT

protein

små fettdråper

CAD44

Kylomikroner i tarmmukosa og

plasma

CAD45

Lipid transport i tarmlymfe ���LN= lymfeknute,

CAD46

Ductus thoracicus –  Drenerer v. side av hode, hals, bryst, v.lunge, og litt av v.lunge –  Starter som cysterna chyli –  Krysser over til v. baktil i mediastinum –  Kommer opp på halsen bak a.carotis communis –  Tømmer seg i venevinkelen mellom v.subclavia og v.jugularis interna, med betydelig varisasjon

CAD47

Hemme lipaser���(Guerciolini R. Int J Obes Relat Metab Disord 1997;21 Suppl 3:S12-S23)

•  Orlistat (Xenical ®) hemmer pankreas & gastrisk lipase

•  Bindes til serin-residue i det aktive setet •  Konkurrende & spesifikk hemmer •  120 mg x 3-4/dag à 30 % malabsorpsjon

–  20 - 30 g fett tapes i avføringen/dag •  Fettdiaré à vektreduksjon. Sjøstrom L et al. Lancet. 1998;352:167-72

•  Cystisk fibrose - lipase, kan få tilført lipase

CAD48

•  Ezetimibe selectively inhibits absorption of cholesterol at the brush border membrane in the intestinal lumen

•  Probably via Niemann-Pick C1-like 1 protein •  Interruption of cholesterol absorption stimulates LDL-receptor expression in the liver

and thereby increases LDL clearance from the circulation •  Controversial clinical effects

Ezetimibe inhibits cholesterol absorption

Gotto, Nature Clinical Practice Cardiovascular Medicine, 2006, 664-672

CAD49

Energy-reduced lipids

•  Salatrim contains 18:0 & SCFAs (acetic, propionic, and butyric acids) – Low absorption of 18:0 --> 6 kcal/g compared

with the 9 kcal/g of typical fats •  Sucrose polyester (OlestraR)

– Poorly absorbed – Limited weight reduction (Brayet al. Am J Clin Nutr 2002,

76, 928-934)

CAD50

Premature barn (< 2. 5 kg)

•  Er små og umodne, særlig CNS •  galleproduksjon •  pankreatisk lipase •  Prematur morsmelk inneholder relativt mer

MCT og PUFA enn fullbåren morsmelk •  Har gastrisk lipase fra uke 11 i fosterlivet,

når max 3 mndr gml, varer ut livet (Sarles J et al. Acta Paediatr 1992;81:511-513)

CAD51

Bacteria in the GI tractus

CAD52

Normal functions of gut microbiome

•  Produce or modify molecules – Fermentation of undigested carbohydrates – Fermentation of undigested proteins – Modify bile acids

•  Immune system –  Involved in development of innate and aquired

immune system

CAD53

Gut microbiota in lean and obese mice

Murphy et al, Gut, 2010

CAD54

Effects of weight loss

Ley et al, Nature, 2006

CAD55

Infusion of donor feces was significantly more effective for treatment of recurrent C. difficile infection than the use of vancomycin ������van Nood et al. N Engl J Med 2013, 368, 407-15