Galdesyrer: Det gode, det onde og det grimme

I hvirveldyr opnås kolesterolbalancen ved at modulere både syntese og udskillelse. Kolesteroludskillelsen formidles af galdesyrer, de vandopløselige amfipatiske molekyler, der dannes af kolesterol i hepatocytten. Ud over deres rolle i kolesterolhomeostase er galdesyrerne også funktionelle detergenter, der fremkalder galdeflow og transporterer lipider som blandede miceller i galdevejene og tyndtarmen. Gallesyrefunktioner i sundhed og dysfunktioner i sygdom er fokus for denne artikel.

Galde som en sekretorisk og ekskretorisk væske.

Galde, en væske, der udskilles af leveren til tarmen hos hvirveldyr, er både en fordøjelses- og en ekskretorisk væske. Som fordøjelsesvæske indeholder galde galdesyrer, potente fordøjelsesoverfladebehandlingsmidler, der fremmer lipidabsorptionen. Som udskillelsesvæske indeholder galde stoffer, der ikke kan elimineres effektivt med urinen, fordi de er uopløselige eller proteinbundne. Det drejer sig ikke kun om galdesyrer (som ikke kun er fordøjelsestensider, men også slutprodukter af kolesterolmetabolismen), bilirubin (slutproduktet af hæmmetabolismen), kolesterol (som stammer fra en syntese, der overstiger kroppens behov) og tungmetaller som jern og kobber (som stammer fra en absorption, der overstiger kroppens behov). Galdesekretion er også en udskillelsesvej for lipofile steroider og lægemiddelmetabolitter. Galde har også en høj koncentration af fosfolipider, som hovedsagelig består af fosfatidylcholin (PC), og som danner blandede miceller med galdesyrer. Disse blandede miceller indeholder amfipatiske mikrodomæner, som kan opløse kolesterol. Dannelsen af blandede miceller sænker også galdesyrernes monomere aktivitet og forhindrer dem i at ødelægge den apikale membran i galdeepitelcellerne. IgA, et immunoglobulin, og slim udskilles i galde, hvor de har til opgave at forhindre bakterievækst og -adhæsion. Endelig indeholder galde tocopherol, som kan forhindre oxidativ skade på galde- og tyndtarmsepitelet (5).

Galdesyremetabolisme.

Galdesyrer dannes i de pericentrale hepatocytter fra kolesterol ved en multienzymproces. Ved biosyntesen af C24-galdesyrer (som findes i de fleste hvirveldyr) undergår sidekæden af kolesterol en oxidativ spaltning, der resulterer i omdannelse af en isooktanandel til en isopentansyreandel. En eller to hydroxylgrupper tilføjes til kernen. Selv om hydroxyleringsmønsteret varierer fra art til art, foregår hydroxyleringen altid på den ene side af molekylet, og slutproduktet har altid en hydrofob side og en hydrofil side, hvilket resulterer i et amfipatisk molekyle.

Sammensætningen af de galdesyremolekyler, der cirkulerer, er ofte kompleks og ligger uden for rammerne af denne artikel. Kompleksiteten skyldes, at de cirkulerende galdesyrer har to indgange. Det første input består af de galdesyrer, der er dannet af kolesterol i hepatocytten; disse kaldes primære galdesyrer og består normalt af mindst to galdesyrer. Det andet input består af galdesyrer, der dannes af bakterier i tyktarmen ved fjernelse af hydroxygruppen på C-7. Sådanne galdesyrer betegnes sekundære galdesyrer. De absorberes fra tyktarmen og cirkulerer sammen med de primære galdesyrer. Galde er således en blanding af primære galdesyrer, der dannes i hepatocytten, og sekundære galdesyrer, der dannes i tyktarmen. Alle primære eller sekundære galdesyrer, der udskilles i galde, er konjugeret med enten glycin eller taurin. En sådan konjugering øger opløseligheden i vand ved sur pH, øger modstandsdygtigheden over for udfældning af Ca2+ og gør galdesyrerne uigennemtrængelige for cellemembraner (7, 8).

Forbedring af optagelsen af kostflipid ved hjælp af galdesyrer.

Det diætmæssige triglycerid hydrolyseres af pancreaslipase til fedtsyre- og 2-monoglyceridmolekyler, der er uopløselige ved fysiologisk pH. Galdesyrernes evne til effektivt at opløse disse lipolyseprodukter har været kendt i næsten et århundrede, og opdagelsen af, at en sådan opløsning kunne forklares ved dannelse af blandede miceller, var en fremragende anvendelse af kolloidvidenskabens begreber på en fysiologisk proces. Nyligt arbejde ved hjælp af neutronspredning viser, at de blandede miceller af galde (indeholdende galdesyrer, PC og kolesterol) og af tyndtarmindhold (indeholdende galdesyrer, fedtsyrer og monoglycerid) har en identisk molekylær disposition. I begge typer miceller er formen af det polymolekylære aggregat cylindrisk. De polære lipider er anbragt radialt med deres hydrofile hoveder vendt udad mod den vandige fase. Gallesyremolekylerne er anbragt vinkelret mellem deres polære hoveder. Galdesyremolekylets hydrofobiske side ligger som en kile mellem PC- (eller fedtsyre-) molekylernes alkylkæders hoveder; galdesyremolekylets hydrofilide side vender mod det vandige miljø (4). Gallesyrernes omdannelse af lipidbilayer eller -vesikler til blandede miceller er illustreret i fig. 2.

I tyndtarmen øger micellær solubilisering den vandige koncentration af fedtsyrer og monoglycerider med en faktor på ~1.000. Den blandede micelle diffunderer langsommere end monomerer, men den stærkt øgede vandige koncentration forårsaget af micelledannelsen fremskynder diffusionen med en faktor på mindst 100. Dette er vigtigt, fordi fedtsyreoptagelsen i enterocytten er så hurtig, at diffusion bliver hastighedsbegrænsende i den samlede absorptionsproces (8). Effektiv fedtfordøjelse og -optagelse er især vigtig hos det ammende spædbarn, hos hvem fedt er en vigtig kilde til kalorier.

Galdesyrer vil ikke opløse kostfedtsyrer i form af blandede miceller, medmindre galdesyrerne er over en kritisk koncentration, den såkaldte kritiske mikelliseringskoncentration. Den relativt høje koncentration af galdesyrer i tyndtarmens lumen under fordøjelsen er et resultat af flere faktorer. For det første er konjugerede galdesyrer stærke syrer, der er fuldt ioniserede ved tarmens pH-værdi og derfor uigennemtrængelige for cellemembraner, og galdesyremolekylet er for stort til at passere gennem de paracellulære junktioner. For det andet resulterer en effektiv bevaring af galdesyrer ved aktiv (carriermedieret) absorption fra tyndtarmen i en pulje af galdesyrer, som cirkulerer flere gange ved hvert måltid. (Denne bevægelse af molekyler fra galdevejene til tyndtarmen og tilbage til leveren efterfulgt af resekretion i galde betegnes som den enterohepatiske cirkulation). Den enterohepatiske cirkulation af galdesyrer giver en stor strøm af overfladeaktive molekyler, der langt overstiger den hastighed, hvormed galdesyrerne syntetiseres fra kolesterol. F.eks. er galdesyreudskillelsen ved et måltid i gennemsnit 5 mmol/h. Syntesen af galdesyrer fra kolesterol er ~0,02 mmol/h. Den sidste faktor, der bidrager til den høje luminalkoncentration af galdesyrer, er den ekstremt høje koncentration af galdeblærens galde (op til 300 mM), i det mindste hos de arter, der har galdeblære. Den høje koncentration af galdeblæregalde skyldes, at galdeblærens epitel fjerner vand, når galde opbevares i galdeblæren.

Den store genbrugspulje af galdesyrer tjener således en lipidtransportfunktion i både galdevejene og tyndtarmen. I galde hjælper transportfunktionen af den “ekskretoriske” micelle (galdesyrer, PC og kolesterol) til udskillelse af kolesterol og andre lipofile molekyler. I tyndtarmens indhold bidrager den “absorptive” micelle til absorptionen af triglycerider og fedtopløselige vitaminer. Begge typer miceller kan binde polyvalente kationer og fremme deres transport.

Galdesyrefunktioner i leveren og galdevejene.

Den store genbrugspulje af galdesyrer har også funktioner i hepatocytten. Gallesyrer, der vender tilbage fra tarmen, fjernes effektivt fra portalveneblodet af hepatocytten. First-pass-ekstraktionen afhænger af galdesyrens struktur, men er for alle galdesyrers vedkommende over 60 %. Optagelsen formidles af basolaterale transportproteiner, som nu er ved at blive karakteriseret på molekylært niveau (10). Efter optagelsen forbliver galdesyrerne ikke i hepatocytten, men pumpes hurtigt ind i galdekanalen af en ATP-aktiveret kanalikulær transportør, som for nylig er blevet klonet (2). Transporten gennem den kanalikulære membran er usædvanlig koncentreret, fordi den monomere koncentration af galdesyrer i hepatocytten menes at være 1-2 μM, mens den i den kanalikulære galde er mindst 1.000 μM. Galdesyrerne pumpes ind i det kanalikulære rum, som er semipermeabelt. Som følge af de osmotiske virkninger af de forbigående forhøjede koncentrationer af galdesyrer strømmer vand og filtrerbare ioner ind i det kanalikulære rum, for det meste via de paracellulære forbindelser. På denne måde dannes der kanalikulær galde. (Den osmotiske teori om dannelse af galde blev foreslået for ca. 60 år siden af Ivor Sperber og er blevet bekræftet af flere linjer af eksperimentelle beviser; mekanismen for dannelse af galde er identisk med Alza-pumpens pumpemekanisme.)

Kanaliculi, som har en blind ende i den pericentrale region af leverlobulus, er omgivet af en spiral af actin-mikrofilamenter. Disse trækker sig sammen og driver den kanalikulære galde mod galdekanalerne og sætter gang i galdeflowet. Efter at have induceret galdestrømmen ind i det kanalikulære lumen inducerer galdesyrerne også galdeflipidsekretion ved at adsorbere til PC-molekyler, der er blevet transporteret over den kanalikulære membran af en PC-“flippase” (11). PC-molekylerne danner vesikulære bobler, der spirer fra den luminale side af den kanalikulære membran, idet energien til vesikeldannelsen måske tilvejebringes af de kanalikulære sammentrækninger. Gallesyrer adsorberes til disse vesikler og løsner dem fra den luminale side af den kanalikulære membran (11). Efterhånden som galde strømmer ned gennem galdekanalen, omdannes vesiklerne til blandede miceller ved fortsat adsorption af galdesyremolekyler. Hvordan kolesterol transporteres ind i den kanalikulære galde er stadig dårligt forstået. Galdesyrernes omdannelse af vesikler til blandede miceller er vist i fig. 3.

Omkring halvdelen af den galde, der udskilles af leveren, kommer ind i galdeblæren, hvor den er koncentreret med en faktor tre til seks. Under opbevaring og koncentration i galdeblæren fjernes vand og elektrolytter, og galde syresættes ved Na+/H+-udveksling. Ved et måltid trækker galdeblæren sig sammen, Oddis lukkemuskel slapper af under neurohormonelle stimuli, og galde kommer ind i tyndtarmen. PC hydrolyseres og absorberes; kolesterol udfældes fra opløsningen, hvilket fremmer dets udskillelse. Gallesyrerne danner nu blandede miceller med fedtsyrer og monoglycerider. Den ekskretoriske micelle er blevet til en absorptionsmicelle.

Galdesyretransport.

Den enterohepatiske cirkulation involverer således transcellulær transport af galdesyremolekyler, medieret af membrantransportører, og interorganisk strømning, medieret af tarmmotilitet og blodgennemstrømning. Vectoriel membrantransport finder sted i hepatocytten og den ileale enterocyt, og interorganisk flow finder sted i portalvenøs og systemisk cirkulation, galdevejene og tyndtarmen.

De kemiske pumper, der findes i hepatocytten, er allerede blevet beskrevet. Bevis for tilstedeværelsen af et aktivt transportsystem i den ileale enterocyt blev leveret af Lack og Weiner, som ved hjælp af omvendte tarmsække viste, at konjugerede galdesyrer bevæger sig opad på en Na+-afhængig måde. For nylig har Dawson og kolleger (1) arbejdet ført til kloning af Na+-galdesyre-kotransporteren, som findes i den apikale membran i ileal enterocytten. Den ileale galdesyretransportør deler homologi med hepatocyttens Na+-afhængige galdesyretransportør, der er placeret i den sinusoidale membran, men er et andet protein. Udgang af galdesyrer fra den ileale enterocyt gennem den basolaterale membran og ud i portalt veneblod involverer et andet transportprotein med anionbytningsprodukter, som stadig er dårligt karakteriseret.

Den enterohepatiske cirkulation af galdesyrer er under homeostatisk kontrol både på hepatocytniveau med hensyn til galdesyrebiosyntese og på ileal enterocytniveau med hensyn til galdesyretransport. På hepatocytniveau efterfølges en nedsat tilbageførsel af galdesyrer til hepatocytten af en øget galdesyrebiosyntese; signalet synes at være den intracellulære koncentration af galdesyrer. Normalt er galdesyresyntesen nedreguleret. Ved afbrydelse af den enterohepatiske cirkulation øges galdesyrebiosyntesen op til 15 gange. Da galdesyrer er afledt af kolesterol, skal den øgede galdesyrebiosyntese ledsages af en tilsvarende mængde kolesterolbiosyntese.

Homeostase på ileal enterocytniveau er ikke velforstået. Der er overbevisende beviser for negativ feedback (nedsat transport ved øget belastning) hos hamster og marsvin; negativ feedback af ileal transport er også til stede hos mennesker, fordi galdesyreudskillelsen ikke øges, når der tilføres galdesyrer.

Det dårlige

Uhensigtsmæssig tilbageholdelse af galdesyrer og kolesterolmetabolisme.

Den fysiologiske nytte af den enterohepatiske cirkulation af galdesyrer har fascineret fysiologer i århundreder. Borelli, den legendariske dyrefysiolog, forudsagde eksistensen af den enterohepatiske cirkulation i det 17. århundrede. Eksperimentelt bevis for den enterohepatiske cirkulation afventede Moritz Schiff i Genève i 1870 undersøgelser af hunden med galdefistel i 1870. (Schiff var blevet tvunget til at forlade sit laboratorium i Firenze i Italien og flygte til Schweiz, efter at han var blevet stillet for retten af antivivisektionister; under retssagen forsvarede han i en veltalende tale behovet for og den moralske berettigelse af dyreforsøg.)

Den opfattelse, at konjugerede galdesyrer var funktionelle detergentmolekyler, der opløste lipider og derved fremmede deres absorption, var godt accepteret af fysiologer for et halvt århundrede siden, selv om dannelsen af blandede miceller endnu ikke var blevet beskrevet. Den enterohepatiske cirkulation blev betragtet som en ekstraordinær fysiologisk tilpasning, der gjorde en stor strøm af detergentmolekyler tilgængelig for fordøjelsen med minimale biosyntesekrav. Denne opfattelse af, at den effektive enterohepatiske cirkulation var “god” for organismen, er imidlertid blevet ændret i det seneste årti, hovedsagelig som følge af fremskridt i forståelsen af kolesterol- og lipoproteinmetabolismen. Det synes nu mere og mere sandsynligt, at effektiv intestinal opbevaring af galdesyrer også har et “dårligt” aspekt. Brown og Goldstein påpegede i deres banebrydende arbejde om low-density lipoproteinreceptoren (LDL-receptoren), at nedsat funktion af denne receptor forårsagede hyperkolesterolemi. Opregulering af denne receptor kunne opnås ved at øge hepatocyttens krav til kolesterol, fordi hepatocytten tilsyneladende for enhver pris vil forsvare kolesterolhomeostasen. De bemærkede, at galdesyre-sekvestranter inducerede galdesyre- og kolesterolbiosyntese, hvilket igen opregulerede LDL-receptoraktiviteten. Hos den voksne kan en effektiv intestinal bevarelse af galdesyrer således betragtes som dårlig, idet den nedregulerer kolesterolbiosyntesen og LDL-receptoraktiviteten, hvilket igen fører til højere LDL-kolesterolniveauer i plasma.

Selv før Brown og Goldsteins elegante skildring havde medicinalfirmaer identificeret den aktive transport af galdesyrer gennem ileum som en fysiologisk proces, der bør målrettes til behandling af hyperkolesterolæmi. Det første middel, galdesyre-sekvestranten kolestyramin, forårsagede en tredobbelt stigning i kolesterol- og galdesyrebiosyntesen og sænkede LDL-kolesterolniveauet i plasma. Selv om kolestyramin har vist sig at være sikkert og effektivt til forebyggelse af koronare hændelser hos patienter med familiær hyperkolesterolæmi, anvendes det ikke i stor udstrækning på grund af uønskede bivirkninger som f.eks. forstoppelse. Der er ved at blive udviklet mere potente sequestranter med færre bivirkninger. En anden metode er syntesen af inhibitorer af Na+-galdesyre-kotransporteren, som findes på den apikale membran i de ileale enterocytter. Sådanne midler har vist sig at hæmme galdesyreabsorptionen, at sænke plasmakolesterol og at mindske åreforkalkning hos den kolesterolfodrede Watanabe-kanin, som vides at have defekte LDL-receptorer (13).

Det grimme

Galdesyrer som cytotoksiske midler.

Galdesyrernes amfipatiske egenskaber, der gør dem til så kraftige opløsningsmidler af membranlipider, er også ansvarlige for, at galdesyrer er cytotoksiske, når de er til stede i unormalt høje koncentrationer enten intracellulært eller ekstracellulært. Gallesyrernes cytotoksiske virkninger kan forårsage foruroligende symptomer eller endog døden. Dette er den “grimme” side af galdesyrer.

Cytotoksicitet forårsaget af forhøjede intracellulære koncentrationer af galdesyrer.

I den raske hepatocyt er optagelsen af galdesyrer gennem den basolaterale membran og eksporten via den kanalikulære eksportpumpe tæt koblet. Denne effektive kobling, sammen med tilstedeværelsen af bindingsproteiner i cytosolen, holder de monomere koncentrationer af galdesyrer i hepatocytten på ekstremt lave koncentrationer, <3 μM. Når den kanalikulære eksport er defekt, enten på grund af en medfødt eller erhvervet defekt i den kanalikulære transport, eller når der er en fysisk hindring for galdeflowet, ophobes galdesyrerne i hepatocytten. Når deres koncentration overstiger bindingskapaciteten af de bindende proteiner, inducerer galdesyrerne apoptose og nekrose, sandsynligvis ved at skade mitokondrierne (14). Hos patienter med kolestatisk leversygdom kan omfanget af hepatocytskader forårsaget af intracellulær ophobning af galdesyrer mindskes ved indtagelse af en ikke-toksisk galdesyre (ursodiol), som ophobes i den cirkulerende galdesyrepulje og mindsker cytotoksiciteten af den galdesyreblanding, der cirkulerer gennem hepatocytten (12).

Visse medfødte fejl i galdesyrebiosyntesen fører til øget syntese af galdesyreforløbere. Disse ophobes i hepatocytten, fordi de ikke er substrater for den kanalikulære eksportpumpe, og forårsager hepatocytdød. Spædbørn med disse ekstremt sjældne tilstande udvikler progressiv gulsot efter fødslen. Diagnosen stilles normalt ved massespektrometrisk identifikation af intermediærstofferne i urin eller plasma. Behandling med naturlige galdesyrer undertrykker syntesen af de toksiske intermediater, inducerer normal galdestrøm, genopretter koncentrationen af galdesyrer i tyndtarmen og er livreddende.

I princippet burde galdesyrer ophobes i den ileale enterocyt, når den basolaterale transport er nedsat, og en sådan ophobning burde medføre enterocytdød. Denne situation er imidlertid endnu ikke blevet induceret eksperimentelt eller identificeret klinisk.

Cytotoksicitet forårsaget af øgede ekstracellulære koncentrationer af galdesyrer.

Helbredsmæssigt resulterer en effektiv ileal konservering sammen med hurtig bakteriel modifikation af galdesyrer, der kommer ind i colon, i, at den vandige koncentration af galdesyrer i colonindholdet er ret lav, <1 mM. Når den ileale transport af galdesyrer er defekt, enten på grund af medfødt fravær af den ileale galdesyretransportør eller på grund af ileal resektion eller sygdom, sker der en kompenserende stigning i den hepatiske biosyntese, og en stærkt forøget mængde af galdesyrer passerer ind i colon. Den forhøjede intraluminale koncentration fremkalder sekretion af elektrolytter og vand, hvilket klinisk viser sig som diarré. Administration af galdesyre-sekvestranter sænker den forhøjede intraluminale koncentration af galdesyrer og giver symptomatisk fordel (6).

Galdesyremangeltilstande.

En galdesyremangel i tarmen opstår, når den enterohepatiske cirkulation af galdesyrer er obstrueret, eller når den er afbrudt af nedsat tarmkonservering. Hvis galdesyre-malabsorptionen er tilstrækkelig alvorlig, er den kompenserende stigning i galdesyre-biosyntesen utilstrækkelig til at genoprette galdesyre-sekretionen i tarmen. (Hos mennesker kan leveren kun øge sin syntese af galdesyrer ~15-foldigt. Den maksimale hastighed for galdesyrebiosyntese er ~6 g/dag, hvilket er mindre end halvdelen af den normale daglige sekretionshastighed af galdesyrer). Nedsat galdesyresekretion fører til mangelfuld micellær solubilisering af diætlipid, og dette bidrager til lipidmalabsorption hos disse patienter. Hvis konjugerede galdesyrer tilføres oralt, genoprettes den micellære solubilisering, og der opnås en forbedret lipidabsorption. Den kliniske nytte af en sådan substitutionsbehandling med konjugerede galdesyrer er ved at blive afprøvet (3).

Slutning

Udviklingen af galdesyrernes metabolisme, enterohepatiske cirkulation og funktioner samt forstyrrelser af disse processer ved sygdom har involveret en tværfaglig indsats, der har strakt sig fra fysisk biokemi til kliniske forsøg. Efter min mening har denne indsats været i de bedste traditioner inden for integrativ fysiologi.