Žlučové kyseliny: dobré, špatné a ošklivé

U obratlovců je rovnováhy cholesterolu dosaženo regulací syntézy i vylučování. Vylučování cholesterolu je zprostředkováno žlučovými kyselinami, ve vodě rozpustnými amfipatickými molekulami, které se tvoří z cholesterolu v hepatocytu. Kromě své úlohy v homeostáze cholesterolu jsou žlučové kyseliny také funkčními detergenty, které vyvolávají tok žluči a transportují lipidy ve formě smíšených micel ve žlučových cestách a tenkém střevě. Funkce žlučových kyselin ve zdraví a dysfunkce v nemoci jsou předmětem tohoto článku.

Žluč jako sekreční a exkreční tekutina.

Žluč, tekutina vylučovaná játry do střeva u obratlovců, je jak trávicí, tak exkreční tekutinou. Jako trávicí tekutina obsahuje žluč žlučové kyseliny, silné trávicí povrchově aktivní látky, které podporují vstřebávání lipidů. Jako vylučovací tekutina obsahuje žluč látky, které nelze účinně vyloučit močí, protože jsou nerozpustné nebo vázané na bílkoviny. Patří mezi ně nejen žlučové kyseliny (které jsou nejen trávicími povrchově aktivními látkami, ale také konečnými produkty metabolismu cholesterolu), bilirubin (konečný produkt metabolismu hemu), cholesterol (vzniklý syntézou přesahující potřeby organismu) a těžké kovy, jako je železo a měď (vzniklé vstřebáváním přesahujícím potřeby organismu). Žlučová sekrece je také vylučovací cestou pro lipofilní steroidy a metabolity léčiv. Žluč má také vysokou koncentraci fosfolipidů, které se skládají převážně z fosfatidylcholinu (PC) a které tvoří smíšené micely se žlučovými kyselinami. Tyto smíšené micely obsahují amfipatické mikrodomény, které mohou rozpouštět cholesterol. Tvorba smíšených micel také snižuje monomerní aktivitu žlučových kyselin a zabraňuje jejich destrukci apikální membrány žlučových epiteliálních buněk. IgA, imunoglobulin, a hlen jsou vylučovány do žluči, kde je jejich úkolem zabránit růstu a adhezi bakterií. V neposlední řadě žluč obsahuje tokoferol, který může zabránit oxidačnímu poškození žlučového a tenkostřevního epitelu (5).

Metabolismus žlučových kyselin.

Žlučové kyseliny se tvoří v pericentrálních hepatocytech z cholesterolu multienzymovým procesem. Při biosyntéze žlučových kyselin C24 (které jsou přítomny u většiny obratlovců) dochází k oxidačnímu štěpení postranního řetězce cholesterolu, jehož výsledkem je přeměna isooktanové části na isopentanovou část kyseliny. K jádru se přidá jedna nebo dvě hydroxylové skupiny. Ačkoli se způsob hydroxylace u jednotlivých druhů liší, hydroxylace probíhá vždy na jedné straně molekuly a konečný produkt má vždy hydrofobní a hydrofilní stranu, čímž vzniká amfipatická molekula.

Složení molekul žlučových kyselin, které cirkulují, je často složité a přesahuje rámec tohoto článku. Složitost vyplývá z toho, že cirkulující žlučové kyseliny mají dva vstupy. První vstup tvoří žlučové kyseliny vzniklé z cholesterolu v hepatocytu; ty se označují jako primární žlučové kyseliny a obvykle se skládají nejméně ze dvou žlučových kyselin. Druhý vstup tvoří žlučové kyseliny vytvořené bakteriemi v tlustém střevě odstraněním hydroxyskupiny na C-7. Tyto žlučové kyseliny se označují jako sekundární žlučové kyseliny. Ty se vstřebávají z tlustého střeva a cirkulují společně s primárními žlučovými kyselinami. Žluč je tedy směsí primárních žlučových kyselin vytvořených v hepatocytu a sekundárních žlučových kyselin vytvořených v tlustém střevě. Všechny žlučové kyseliny, ať už primární nebo sekundární, které jsou vylučovány do žluči, jsou konjugovány buď s glycinem, nebo s taurinem. Tato konjugace zvyšuje rozpustnost ve vodě při kyselém pH, zvyšuje odolnost vůči srážení Ca2+ a činí žlučové kyseliny nepropustnými pro buněčné membrány (7, 8).

Zlepšení vstřebávání lipidů ze stravy žlučovými kyselinami.

Triglyceridy ze stravy jsou hydrolyzovány pankreatickou lipázou na molekuly mastných kyselin a 2-monoglyceridů, které jsou při fyziologickém pH nerozpustné. Schopnost žlučových kyselin účinně rozpouštět tyto produkty lipolýzy je známa již téměř sto let a objev, že tuto solubilizaci lze vysvětlit tvorbou smíšených micel, byl vynikající aplikací konceptů koloidní vědy na fyziologický proces. Nedávná práce s využitím rozptylu neutronů ukazuje, že smíšené micely žluči (obsahující žlučové kyseliny, PC a cholesterol) a obsahu tenkého střeva (obsahující žlučové kyseliny, mastné kyseliny a monoglyceridy) mají identické molekulární uspořádání. U obou typů micel je tvar polymolekulárního agregátu válcovitý. Polární lipidy jsou uspořádány radiálně, přičemž jejich hydrofilní hlavičky směřují ven směrem k vodné fázi. Molekuly žlučových kyselin jsou uspořádány kolmo mezi jejich polárními hlavami. Hydrofobní strana molekuly žlučové kyseliny spočívá jako klín mezi hlavami alkylových řetězců molekul PC (nebo mastných kyselin); hydrofilní strana molekuly žlučové kyseliny směřuje do vodného prostředí (4). Přeměna lipidových dvojvrstev nebo vezikul na smíšené micely působením žlučových kyselin je znázorněna na obr. 2.

V tenkém střevě zvyšuje micelární solubilizace vodnou koncentraci mastných kyselin a monoglyceridů ~1000krát. Smíšené micely difundují pomaleji než monomery, ale výrazně zvýšená vodná koncentrace způsobená tvorbou micel urychluje difúzi nejméně 100násobně. To je důležité, protože absorpce mastných kyselin enterocytem je tak rychlá, že se difuze stává limitující rychlostí v celkovém absorpčním procesu (8). Účinné trávení a vstřebávání tuků je důležité zejména u kojených dětí, pro které jsou tuky hlavním zdrojem kalorií.

Žlučové kyseliny nerozpouštějí dietní lipidy ve formě smíšených micel, pokud koncentrace žlučových kyselin nepřesáhne kritickou koncentraci, označovanou jako kritická micelizační koncentrace. Relativně vysoká koncentrace žlučových kyselin v lumen tenkého střeva během trávení je výsledkem několika faktorů. Za prvé, konjugované žlučové kyseliny jsou silné kyseliny, které jsou při střevním pH plně ionizované, a proto jsou nepropustné pro buněčné membrány, a molekula žlučové kyseliny je příliš velká na to, aby prošla přes paracelulární spoje. Za druhé, účinná konzervace žlučových kyselin aktivním (nosičem zprostředkovaným) vstřebáváním z tenkého střeva vede k vytvoření rezervoáru žlučových kyselin, který se při každém jídle několikrát opakuje. (Tento pohyb molekul ze žlučových cest do tenkého střeva a zpět do jater s následnou resekcí do žluči se označuje jako enterohepatální oběh). Enterohepatální cirkulace žlučových kyselin zajišťuje velký tok povrchově aktivních molekul, který výrazně převyšuje rychlost, jakou jsou žlučové kyseliny syntetizovány z cholesterolu. Například sekrece žlučových kyselin při jídle činí v průměru 5 mmol/h. Syntéza žlučových kyselin z cholesterolu je ~0,02 mmol/h. Posledním faktorem, který přispívá k vysoké luminální koncentraci žlučových kyselin, je extrémně vysoká koncentrace žluči ve žlučníku (až 300 mM), alespoň u těch druhů, které mají žlučník. Vysoká koncentrace žlučníkové žluči je důsledkem odstraňování vody epitelem žlučníku při ukládání žluči ve žlučníku.

Velký recyklační pool žlučových kyselin tak plní funkci transportu lipidů jak ve žlučových cestách, tak v tenkém střevě. Ve žluči pomáhá transportní funkce „vylučovací“ micely (žlučové kyseliny, PC a cholesterol) při vylučování cholesterolu a dalších lipofilních molekul. V obsahu tenkého střeva pomáhá „absorpční“ micela při vstřebávání triglyceridů a vitaminů rozpustných v tucích. Oba typy micel mohou vázat polyvalentní kationty a podporovat jejich transport.

Žlučové kyseliny fungují v játrech a žlučových cestách.

Velký recyklační pool žlučových kyselin má také funkce v hepatocytu. Žlučové kyseliny vracející se ze střeva jsou účinně odstraňovány z portální žilní krve hepatocytem. Extrakce při prvním průchodu závisí na struktuře žlučové kyseliny, ale u všech žlučových kyselin přesahuje 60 %. Vychytávání je zprostředkováno bazolaterálními přenašečovými proteiny, které jsou nyní charakterizovány na molekulární úrovni (10). Po vychytání nezůstávají žlučové kyseliny v hepatocytu, ale jsou rychle přečerpány do žlučových kanálků pomocí ATP-energovaného kanálkového transportéru, který byl nedávno klonován (2). Transport přes kanálovou membránu je mimořádně koncentrovaný, protože se předpokládá, že monomerní koncentrace žlučových kyselin v hepatocytu je 1-2 μM, zatímco koncentrace žluči v kanálech je nejméně 1 000 μM. Žlučové kyseliny jsou čerpány do kanálového prostoru, který je semipermeabilní. V důsledku osmotických účinků přechodně zvýšených koncentrací žlučových kyselin proudí voda a filtrovatelné ionty do kanálkového prostoru, většinou přes paracelulární spoje. Tímto způsobem se vytváří kanálková žluč. (Osmotickou teorii tvorby žluči navrhl asi před šedesáti lety Ivor Sperber a byla potvrzena mnoha experimentálními důkazy; mechanismus tvorby žluči je totožný s čerpacím mechanismem Alzovy pumpy.“

Kanálky, které mají slepý konec v pericentrální oblasti jaterního laloku, jsou obklopeny spirálou aktinových mikrofilament. Ty se stahují, čímž pohánějí kanálek směrem ke žlučovým kanálkům a iniciují tok žluči. Po vyvolání toku žluči do lumen kanálků vyvolávají žlučové kyseliny také vylučování žlučových lipidů tím, že se adsorbují na molekuly PC, které byly přes kanálkovou membránu přeneseny pomocí PC-„flippasy“ (11). Molekuly PC vytvářejí vezikulární bubliny, které vyrůstají z luminální strany kanálkové membrány, přičemž energii pro tvorbu vezikul pravděpodobně poskytují kanálkové kontrakce. Žlučové kyseliny se adsorbují na tyto vezikuly a oddělují je od luminální strany kanálové membrány (11). Jak žluč proudí žlučovými cestami, jsou vezikuly přeměněny na smíšené micely pokračující adsorpcí molekul žlučových kyselin. Způsob, jakým je cholesterol transportován do žlučových kanálků, není dosud dostatečně objasněn. Přeměna vezikul na smíšené micely působením žlučových kyselin je znázorněna na obr. 3.

Přibližně polovina žluči vylučované játry se dostává do žlučníku, kde se koncentruje třikrát až šestkrát. Během skladování a koncentrace ve žlučníku se odstraňuje voda a elektrolyty a žluč se okyseluje výměnou Na+/H+. Při jídle se žlučník stáhne, Oddiho svěrač se pod vlivem neurohormonálních podnětů uvolní a žluč se dostane do tenkého střeva. PC se hydrolyzuje a vstřebává; cholesterol se vysráží z roztoku, což zvyšuje jeho eliminaci. Žlučové kyseliny nyní tvoří smíšené micely s mastnými kyselinami a monoglyceridy. Z exkreční micely se stala absorpční micela.

Transport žlučových kyselin.

Enterohepatální cirkulace tedy zahrnuje transcelulární transport molekul žlučových kyselin, zprostředkovaný membránovými transportéry, a interorgánový tok, zprostředkovaný střevní motilitou a krevním tokem. K vektorovému membránovému transportu dochází v hepatocytu a enterocytu střeva a k meziorgánovému toku dochází v portální žilní a systémové cirkulaci, žlučových cestách a tenkém střevě.

Chemické pumpy přítomné v hepatocytu již byly popsány. Důkaz o přítomnosti aktivního transportního systému v ileálním enterocytu poskytli Lack a Weiner, kteří pomocí everted střevních váčků ukázali, že konjugované žlučové kyseliny se pohybují vzhůru v závislosti na Na+. Nedávná práce Dawsona a jeho kolegů (1) vedla ke klonování kotransportéru Na+-žlučových kyselin přítomného v apikální membráně ileálního enterocytu. Transportér žlučových kyselin v ileu sdílí homologii s Na+-dependentním transportérem žlučových kyselin v hepatocytu, který se nachází v sinusoidální membráně, ale jedná se o jiný protein. Na výstupu žlučových kyselin z ileálního enterocytu přes bazolaterální membránu do portální žilní krve se podílí druhý přenašečový protein s aniontovými výměnnými produkty, který je dosud nedostatečně charakterizován.

Enterohepatální cirkulace žlučových kyselin je pod homeostatickou kontrolou jak na úrovni hepatocytu, pokud jde o biosyntézu žlučových kyselin, tak na úrovni ileálního enterocytu, pokud jde o transport žlučových kyselin. Na úrovni hepatocytu je snížený návrat žlučových kyselin do hepatocytu následován zvýšenou biosyntézou žlučových kyselin; signálem je zřejmě intracelulární koncentrace žlučových kyselin. Za normálních okolností je syntéza žlučových kyselin snížena. Při přerušení enterohepatálního oběhu se biosyntéza žlučových kyselin zvýší až 15krát. Protože žlučové kyseliny jsou odvozeny od cholesterolu, musí být zvýšená biosyntéza žlučových kyselin doprovázena ekvivalentním množstvím biosyntézy cholesterolu.

Homeostáza na úrovni ileálních enterocytů není dobře známa. Existují přesvědčivé důkazy o negativní zpětné vazbě (snížení transportu při zvýšené zátěži) u křečka a morčete; negativní zpětná vazba ileálního transportu je přítomna i u člověka, protože sekrece žlučových kyselin se při podávání žlučových kyselin nezvyšuje.

Špatné

Nevhodná retence žlučových kyselin a metabolismus cholesterolu.

Fyziologická užitečnost enterohepatálního oběhu žlučových kyselin fascinuje fyziology již po staletí. Borelli, legendární fyziolog zvířat, předpověděl existenci enterohepatálního oběhu již v 17. století. Experimentální důkaz enterohepatálního oběhu přinesly až studie Moritze Schiffa na psovi se žlučovou píštělí v roce 1870 v Ženevě. (Schiff byl nucen opustit svou laboratoř v italské Florencii a uprchnout do Švýcarska poté, co byl postaven před soud antivivisekcionistů; u soudu výmluvně obhajoval potřebu a morální oprávněnost pokusů na zvířatech.)

Názor, že konjugované žlučové kyseliny jsou funkční detergentní molekuly, které rozpouštějí lipidy, a tím podporují jejich vstřebávání, byl před půl stoletím fyziology dobře přijímán, i když tvorba smíšených micel ještě nebyla popsána. Enterohepatální cirkulace byla považována za mimořádnou fyziologickou adaptaci, která umožňuje velký tok detergentních molekul pro trávení s minimálními nároky na biosyntézu. Tento názor, že účinný enterohepatální oběh je pro organismus „dobrý“, byl však v posledním desetiletí modifikován, a to především v důsledku pokroku v poznání metabolismu cholesterolu a lipoproteinů. Nyní se zdá být stále pravděpodobnější, že účinná střevní konzervace žlučových kyselin má také „špatný“ aspekt. Brown a Goldstein ve své zásadní práci o receptoru pro lipoproteiny o nízké hustotě (LDL) poukázali na to, že narušená funkce tohoto receptoru způsobuje hypercholesterolemii. Upregulace tohoto receptoru by mohlo být dosaženo zvýšením nároků hepatocytu na cholesterol, protože hepatocyt zřejmě brání homeostázu cholesterolu za každou cenu. Zaznamenali, že sekvestranty žlučových kyselin indukovaly biosyntézu žlučových kyselin a cholesterolu, což následně zvýšilo aktivitu LDL-receptoru. U dospělého člověka lze tedy účinnou střevní konzervaci žlučových kyselin považovat za špatnou v tom smyslu, že snižuje biosyntézu cholesterolu a aktivitu LDL-receptorů, což následně vede k vyšším plazmatickým hladinám LDL cholesterolu.

Ještě před elegantním vyobrazením Browna a Goldsteina farmaceutické společnosti identifikovaly aktivní transport žlučových kyselin ileem jako fyziologický proces, na který by se měla zaměřit léčba hypercholesterolemie. První přípravek, sekvestrant žlučových kyselin cholestyramin, způsobil trojnásobné zvýšení biosyntézy cholesterolu a žlučových kyselin a snížil plazmatickou hladinu LDL cholesterolu. Ačkoli se cholestyramin ukázal jako bezpečný a účinný v prevenci koronárních příhod u pacientů s familiární hypercholesterolemií, není široce používán kvůli nežádoucím vedlejším účinkům, jako je zácpa. Vyvíjejí se účinnější sekvestranty s méně nežádoucími účinky. Druhým přístupem je syntéza inhibitorů kotransportéru Na+-kyseliny žlučové přítomného na apikální membráně ileálních enterocytů. Bylo prokázáno, že takové látky inhibují absorpci žlučových kyselin, snižují hladinu cholesterolu v plazmě a aterosklerózu u králíka Watanabeho krmeného cholesterolem, o němž je známo, že má defektní LDL receptory (13).

Ošklivé

Žlučové kyseliny jako cytotoxické látky.

Amfipatické vlastnosti žlučových kyselin, které způsobují, že jsou tak silnými solubilizátory membránových lipidů, jsou také příčinou toho, že žlučové kyseliny jsou cytotoxické, pokud jsou přítomny v abnormálně vysokých koncentracích buď intracelulárně, nebo extracelulárně. Cytotoxické účinky žlučových kyselin mohou způsobit nepříjemné příznaky nebo dokonce smrt. To je „ošklivá“ stránka žlučových kyselin.

Cytotoxicita způsobená zvýšenými intracelulárními koncentracemi žlučových kyselin.

Ve zdravém hepatocytu je příjem žlučových kyselin přes bazolaterální membránu a jejich export prostřednictvím kanálové exportní pumpy úzce propojen. Toto účinné spojení spolu s přítomností vazebných proteinů v cytosolu udržuje monomerní koncentrace žlučových kyselin v hepatocytu na extrémně nízkých koncentracích, <3 μM. Pokud je kanálkový export defektní buď z důvodu vrozeného nebo získaného defektu v kanálkovém transportu, nebo pokud je průtoku žluči fyzicky bráněno, žlučové kyseliny se v hepatocytu hromadí. Když jejich koncentrace překročí vazebnou kapacitu vazebných proteinů, žlučové kyseliny vyvolávají apoptózu a nekrózu, pravděpodobně poškozením mitochondrií (14). U pacientů s cholestatickým onemocněním jater lze rozsah poškození hepatocytů způsobeného intracelulární akumulací žlučových kyselin snížit požitím netoxické žlučové kyseliny (ursodiolu), která se hromadí v cirkulujícím poolu žlučových kyselin a snižuje cytotoxicitu směsi žlučových kyselin cirkulující hepatocytem (12).

Některé vrozené chyby biosyntézy žlučových kyselin vedou ke zvýšené syntéze prekurzorů žlučových kyselin. Ty se hromadí v hepatocytu, protože nejsou substráty pro kanálovou exportní pumpu, a způsobují smrt hepatocytu. U kojenců s těmito extrémně vzácnými stavy se po narození objeví progresivní žloutenka. Diagnóza se obvykle stanoví pomocí hmotnostně spektrometrické identifikace meziproduktů v moči nebo plazmě. Léčba přirozenými žlučovými kyselinami potlačuje syntézu toxických meziproduktů, navozuje normální tok žluči, obnovuje koncentraci žlučových kyselin v tenkém střevě a je život zachraňující.

V zásadě by se žlučové kyseliny měly při poruše bazolaterálního transportu hromadit v ileálním enterocytu a tato akumulace by měla způsobit smrt enterocytu. Tato situace však dosud nebyla experimentálně navozena ani klinicky zjištěna.

Cytotoxicita způsobená zvýšenou extracelulární koncentrací žlučových kyselin.

Ve zdraví vede účinná ileální konzervace spolu s rychlou bakteriální modifikací žlučových kyselin vstupujících do tlustého střeva k tomu, že vodná koncentrace žlučových kyselin v obsahu tlustého střeva je poměrně nízká, <1 mM. Při poruše ileálního transportu žlučových kyselin, ať už z důvodu vrozené absence ileálního transportéru žlučových kyselin nebo z důvodu resekce ilea či onemocnění, dochází ke kompenzačnímu zvýšení jaterní biosyntézy a do tlustého střeva se dostává značně zvýšené množství žlučových kyselin. Zvýšená intraluminální koncentrace vyvolává sekreci elektrolytů a vody, která se klinicky projevuje průjmem. Podávání sekvestrantů žlučových kyselin snižuje zvýšenou intraluminální koncentraci žlučových kyselin a přináší symptomatický prospěch (6).

Stavy nedostatku žlučových kyselin.

Dostatek žlučových kyselin ve střevě vzniká při obstrukci enterohepatálního oběhu žlučových kyselin nebo při jeho přerušení v důsledku poruchy střevní konzervace. Pokud je malabsorpce žlučových kyselin dostatečně závažná, kompenzační zvýšení biosyntézy žlučových kyselin nestačí k obnovení sekrece žlučových kyselin do střeva. (U člověka mohou játra zvýšit syntézu žlučových kyselin pouze ~15krát. Maximální rychlost biosyntézy žlučových kyselin je ~6 g/den, což je méně než polovina normální denní rychlosti sekrece žlučových kyselin). Snížená sekrece žlučových kyselin vede k defektní micelární solubilizaci lipidů z potravy, což přispívá k malabsorpci lipidů u těchto pacientů. Pokud se konjugované žlučové kyseliny podávají perorálně, obnoví se micelární solubilizace a zlepší se vstřebávání lipidů. Klinická užitečnost takové substituční terapie konjugovanými žlučovými kyselinami se testuje (3).

Závěr

Objasnění metabolismu, enterohepatálního oběhu a funkcí žlučových kyselin, jakož i poruch těchto procesů při onemocnění, zahrnovalo multidisciplinární úsilí, které sahalo od fyzikální biochemie až po klinické studie. Podle mého názoru byly tyto snahy v nejlepších tradicích integrativní fyziologie.

.