Nutrient absorption

Owen McGuinness

Adapted from Patrick Tso and Genie Moore

Average daily intake in the U.S.

• Total energy intake: 2150 kcal– Protein: 79 g (2/3 animal, 1/3 plant sources)

– CHO: 265 g– Fat: 81 g– Alcohol: 8 g (2/3 of a beer)

From NHANES publication 245, July 2002 www.cdc.gov/nchs/data/sr_11

Intestinal Mucosa

Transport across the apical membrane

• Passive diffusion– Rate is proportional to concentration gradient– No saturation– Some lipids, water, high doses of many water soluble vitamins

• Facilitated diffusion– Rate exceeds that of passive diffusion– Saturation kinetics observed– No accumulation against a concentration gradient– Fructose, low doses of water soluble vitamins such as folate, C, B12

• Active transport – linked to Na+,K+‐ATPase– Energy requiring– Can occur against a concentration gradient– Glucose, amino acids

FAT (TG)

PROTEIN

CHO

FA, MG FA,MG,

BILE MICELLE

INTRALUMINAL INTESTINAL REMOVAL

ORAL,GASTRIC,

PANCREATIC

BILIARY SURFACE CELLULAR

FA

TG

PHASE OF DIGESTION AND ABSORPTION

CHYLO-MICRONS LY

MPH

SMALLPEPTIDES

AMINOACIDS

AAs

AAs

CA

PILL

AR

IES

OLIGO-AND DI-

SACCHARIDES

MONO-SACCHA-

RIDES

CholesterolesterLipase(nonspecific lipase)

Bile salts12 g/L

Phospholipids5 g/L

Cholesterol1 g/L

Protein2 g/L

Electrolytes9 g/L

Bilirubin0.2 g/L

Bile composition

• 98% of bile acids are conjugated with amino acids when secreted– Conjugation occurs in the liver– Glycine and taurine are the preferred amino acids in humans – Conjugation increases solubility in aqueous environment

• Cholic acid soluble to 0.28 g/l in water at 15ºC• Glycocholic acid soluble to 274 g/l

Glycocholic acid

Storage and release of bile

Bile salts

• In gallbladder, concentration is >35 mM– Spontaneously form micelles with polar portions oriented outward

• Diluted in duodenum to 10‐20 mM• Critical micellar concentration required for mixed micelle formation with products of fat digestion is approx. 2 mM

Bile salts enhance water solubility of fats derived from the diet

Bile salt conc., mM0 2 4 6 8 10 12 14 16

Solu

bilit

y, m

M

02468

101214

2-Monoglyceride

Fatty acid

DiglycerideTriglyceride

CMC

Bile acids

• Help to emulsify fats, decreasing surface area of lipid droplets

• Lower the pH optimum of pancreatic lipase from neutral to 6

• Improve transport of FA and MAG through unstirred water layer– Essential for the absorption of the fat soluble vitamins

• Release enterokinase from the brush border   (? Role in trypsin activation)

• Result in some cholesterol excretion

Bile salt and colipase effects on pancreatic lipase activity

Bile salts inhibit lipase activity unless colipase is present

Time

Fatty

aci

d re

leas

ed Bilesalts

added

Colipaseadded

Diameter:TG droplet25,000 Å;Micelle 30-100 Å

Last 1/3 of the ileum:Apical bile salt transporter(active co‐transport withNa+)

Chylomicrons

• Apolipoprotein (APO‐B48)• Triglyceride• Cholesterol ester• 75 to 200 nm in diameter (VLDL 30‐80 nm)

Chylomicrons leave the enterocyte by exocytosis (reverse pinocytosis)

Medium chain triglycerides (MCT)

• Fatty acids are 6‐12 carbons long and saturated– Not common in diet, used in specialized formulas for patients with decreased pancreatic secretion or intestinal surface area

• Digestion and absorption– Hydrolyzed by lipase more rapidly than LCT – Do not require micelle formation– MCT small and soluble enough so that some appear to be absorbed intact or as diglycerides

• Enterocyte handling and transport– Little affinity for FABP– Little incorporated into chylomicrons– Transported in portal vein blood (bound to albumin)

Lymph Chylomicron Appearance(6 ml of ensure in rats)

Lipids 47:571‐80,2012

Factors affecting the efficiency of digestion and absorption

• Characteristics of the food• Nutritional status• Previous diet• Developmental changes• Genetic factors• Bowel integrity

Due to the complex nature of Lipid absorption general defects in 

absorption first appear as defects in lipid absorption

Standard Fat‐Balance Method

• Requires accurate measurement of fat in diet from 2‐3 days

• Requires total stool collection for a period corresponding to the analyzed diet

• Requires analysis of the total stool by homogenization, aliquots, fat measurement

Fat Absorption by Sucrose Behenate Marker Method

Non‐absorbable Marker

The Use of a Non‐absorbable Marker Facilitates Measurement

• Animals receive diet with known concentration of marker for 4 days.

• On days 3 and 4, a fecal sample (1‐2 pellets) is taken.

• The ratio of fatty acids to behenate in the fecal sample is analyzed and absorption calculated. 

O

O

ORO

RO

RO

OR

OR

OR

OR

RO

Sucrose Polybehenate, a component of olestra used in commercial preparation of snack foods is a safe, non-absorbable marker.

Fat:Marker in Diet is 3:1

Fat:Marker in Aliquot of Feces is 2:1

1/3 of Fat Absorbed

Gastroenterology 127: 139-144,2004 A novel, noninvasive method for the measurement of intestinal fat absorption Ronald J. Jandacek*, , , James E. Heubi‡ and Patrick Tso*

Sucrose behenate method was published in 2004.

The sucrose behenate method was applied in cystic fibrosis patients in collaboration with Cincinnati Children’s Hospital. J PediatrGastroenterol Nutr. 2010 April; 50(4): 441–446.

QUESTIONS?