Gallsyror: Det goda, det onda och det fula

I ryggradsdjur uppnås kolesterolbalans genom att modulera både syntes och utsöndring. Kolesterolutsöndringen förmedlas av gallsyror, de vattenlösliga amfipatiska molekyler som bildas från kolesterol i hepatocyten. Förutom sin roll i kolesterolhomeostasen är gallsyrorna också funktionella detergenter som inducerar gallflödet och transporterar lipider som blandade miceller i gallvägarna och tunntarmen. Gallsyrans funktioner vid hälsa och dysfunktioner vid sjukdom står i fokus för denna artikel.

Galla som en sekretorisk och utsöndrande vätska.

Galla, en vätska som utsöndras av levern till tarmen hos ryggradsdjur, är både en matsmältningsvätska och en utsöndringsvätska. Som matsmältningsvätska innehåller gallan gallsyror, potenta matsmältningstekniska ytaktiva ämnen som främjar lipidabsorptionen. Som utsöndringsvätska innehåller gallan ämnen som inte kan elimineras effektivt med urinen eftersom de är olösliga eller proteinbundna. Det rör sig inte bara om gallsyror (som inte bara är tensider för matsmältningen utan också slutprodukter av kolesterolmetabolismen), bilirubin (slutprodukt av hemmetabolismen), kolesterol (som härrör från en syntes som överskrider kroppens behov) och tungmetaller som järn och koppar (som härrör från en absorption som överskrider kroppens behov). Gallutsöndringen utgör också en utsöndringsväg för lipofila steroider och läkemedelsmetaboliter. Gallan har också en hög koncentration av fosfolipider, som mestadels består av fosfatidylkolin (PC) och som bildar blandade miceller med gallsyror. Dessa blandade miceller innehåller amfipatiska mikrodomäner som kan lösa kolesterol. Bildandet av blandade miceller sänker också gallsyrornas monomera aktivitet och förhindrar att de förstör det apikala membranet hos gallpitelcellerna. IgA, ett immunglobulin, och slem utsöndras i gallan, där deras roll är att förhindra bakterietillväxt och vidhäftning. Slutligen innehåller gallan tokoferol som kan förhindra oxidativ skada på gall- och tunntarmsepitelet (5).

Gallsyrametabolism.

Gallsyror bildas i de pericentrala hepatocyterna från kolesterol genom en multienzymprocess. Vid biosyntesen av C24-gallsyror (som finns hos de flesta ryggradsdjur) genomgår kolesterolets sidokedja en oxidativ klyvning som resulterar i en omvandling av en isooktanhelhet till en isopentansyrahelhet. En eller två hydroxylgrupper läggs till kärnan. Även om hydroxyleringsmönstret varierar mellan olika arter sker hydroxyleringen alltid på molekylens ena sida, och slutprodukten har alltid en hydrofob sida och en hydrofil sida, vilket resulterar i en amfipatisk molekyl.

Sammansättningen av de gallsyramolekyler som cirkulerar är ofta komplex och ligger utanför ramen för denna artikel. Komplexiteten beror på att de cirkulerande gallsyrorna har två ingångar. Den första insatsen består av de gallsyror som bildas från kolesterol i hepatocyten; dessa kallas primära gallsyror och består vanligtvis av minst två gallsyror. Den andra tillförseln består av gallsyror som bildas av bakterier i tjocktarmen genom att hydroxigruppen vid C-7 avlägsnas. Sådana gallsyror kallas sekundära gallsyror. Dessa absorberas från tjocktarmen och cirkulerar tillsammans med de primära gallsyrorna. Gallan är således en blandning av primära gallsyror som bildas i hepatocyten och sekundära gallsyror som bildas i tjocktarmen. Alla gallsyror, både primära och sekundära, som utsöndras i gallan konjugeras med antingen glycin eller taurin. En sådan konjugering ökar vattenlösligheten vid surt pH, ökar motståndskraften mot utfällning av Ca2+ och gör gallsyror ogenomträngliga för cellmembran (7, 8).

Förbättring av absorptionen av dietära lipider genom gallsyror.

Dietära triglycerider hydrolyseras av bukspottkörtelns lipas till fettsyra- och 2-monoglyceridmolekyler som är olösliga vid fysiologiskt pH. Gallsyrornas förmåga att effektivt lösa upp dessa lipolysprodukter har varit känd i nästan ett sekel, och upptäckten att en sådan upplösning kunde förklaras genom bildning av blandade miceller var en utmärkt tillämpning av begrepp från kolloidvetenskapen på en fysiologisk process. Nyligen utförda arbeten med hjälp av neutronspridning visar att de blandade micellerna av galla (som innehåller gallsyror, PC och kolesterol) och av tunntarmens innehåll (som innehåller gallsyror, fettsyror och monoglycerid) har ett identiskt molekylärt arrangemang. I båda typerna av miceller är formen på det polymolekylära aggregatet cylindrisk. De polära lipiderna är arrangerade radiellt med sina hydrofila huvuden vända utåt mot den vattenhaltiga fasen. Gallsyramolekylerna är anordnade vinkelrätt mellan sina polära huvuden. Gallsyramolekylens hydrofoba yta vilar som en kil mellan alkylkedjehuvudena på PC-molekylerna (eller fettsyramolekylerna) och gallsyramolekylens hydrofila yta är vänd mot den vattenhaltiga miljön (4). Gallsyrornas omvandling av lipidbilager eller vesiklar till blandade miceller illustreras i figur 2.

I tunntarmen ökar den micellära solubiliseringen den vattenhaltiga koncentrationen av fettsyror och monoglycerider med en faktor på ~1000. Den blandade micellen diffunderar långsammare än monomerer, men den kraftigt ökade vattenkoncentrationen som orsakas av micellbildningen påskyndar diffusionen med en faktor på minst 100. Detta är viktigt eftersom fettsyraupptaget i enterocyten är så snabbt att diffusionen blir hastighetsbegränsande i den totala absorptionsprocessen (8). En effektiv fettsmältning och absorption är särskilt viktig hos det ammande spädbarnet, där fett är en viktig kalorikälla.

Gallsyror löser inte upp kostfetter i form av blandade miceller om inte gallsyrorna ligger över en kritisk koncentration, den så kallade kritiska micelliseringskoncentrationen. Den relativt höga koncentrationen av gallsyror i tunntarmslumen under matsmältningen är ett resultat av flera faktorer. För det första är konjugerade gallsyror starka syror som är fullständigt joniserade vid tarmens pH och därför ogenomträngliga för cellmembran, och gallsyramolekylen är för stor för att passera över de paracellulära jonktionerna. För det andra leder ett effektivt bevarande av gallsyror genom aktiv (bärarmedierad) absorption från tunntarmen till en pool av gallsyror som cirkulerar flera gånger vid varje måltid. (Denna förflyttning av molekyler från gallan till tunntarmen och tillbaka till levern följt av återutsöndring till gallan kallas den enterohepatiska cirkulationen). Den enterohepatiska cirkulationen av gallsyror ger ett stort flöde av ytaktiva molekyler som vida överstiger den hastighet med vilken gallsyror syntetiseras från kolesterol. Till exempel är gallsyresekretionen vid en måltid i genomsnitt 5 mmol/h. Syntesen av gallsyror från kolesterol är ~0,02 mmol/h. Den sista faktorn som bidrar till den höga luminalkoncentrationen av gallsyror är den extremt höga koncentrationen av gallblåsans galla (upp till 300 mM), åtminstone hos de arter som har gallblåsor. Den höga koncentrationen av gallblåsans galla är ett resultat av att gallblåsans epitel avlägsnar vatten när gallan lagras i gallblåsan.

Den stora återvinningspoolen av gallsyror fyller således en lipidtransportfunktion i både gallvägarna och tunntarmen. I gallan bidrar transportfunktionen hos den ”utsöndrande” micellen (gallsyror, PC och kolesterol) till utsöndringen av kolesterol och andra lipofila molekyler. I tunntarmen bidrar den ”absorberande” micellen till absorptionen av triglycerider och fettlösliga vitaminer. Båda typerna av miceller kan binda polyvalenta katjoner och främja deras transport.

Gallsyrafunktioner i levern och gallvägarna.

Den stora återvinningspoolen av gallsyror har också funktioner inom hepatocyten. Gallsyror som återvänder från tarmen avlägsnas effektivt från portalvenöst blod av hepatocyten. First-pass-extraktionen beror på gallsyrans struktur, men för alla gallsyror överstiger den 60 %. Upptaget förmedlas av basolaterala bärarproteiner som nu karakteriseras på molekylär nivå (10). Efter upptaget stannar gallsyrorna inte kvar i hepatocyten utan pumpas snabbt in i gallkanalen av en ATP-aktiverad kanalikulär transportör som nyligen har klonats (2). Transporten genom det kanalikulära membranet är utomordentligt koncentrerande, eftersom den monomera koncentrationen av gallsyror i hepatocyten tros vara 1-2 μM medan den i den kanalikulära gallan är minst 1 000 μM. Gallsyrorna pumpas in i det kanalikulära utrymmet, som är halvgenomsläppligt. Till följd av de osmotiska effekterna av de tillfälligt förhöjda koncentrationerna av gallsyror strömmar vatten och filtrerbara joner in i det kanalikulära utrymmet, främst via de paracellulära korsningarna. På detta sätt bildas den kanalikulära gallan. (Den osmotiska teorin om gallbildning föreslogs för cirka sextio år sedan av Ivor Sperber och har bekräftats av flera rader av experimentella bevis; gallbildningens mekanism är identisk med Alza-pumpens pumpmekanism.)

Kanalikuli, som har en blind ände i det pericentrala området av leverloberna, omges av en spiral av aktinmikrofilament. Dessa drar ihop sig, vilket driver den kanalikulära gallan mot gallgångarna och initierar gallflödet. Efter att ha inducerat gallflödet in i det kanalikulära lumen inducerar gallsyrorna också den biliära lipidutsöndringen genom att adsorbera till PC-molekyler som har transporterats över det kanalikulära membranet av ett PC-”flippas” (11). PC-molekylerna bildar vesikulära bubblor som kommer ut från den luminala sidan av det kanalikulära membranet, och energin för vesikelbildningen kanske kommer från de kanalikulära sammandragningarna. Gallsyror adsorberas till dessa vesiklar och lossnar dem från den luminala sidan av det kanalikulära membranet (11). När gallan flyter ner i gallgången omvandlas vesiklarna till blandade miceller genom fortsatt adsorption av gallsyramolekyler. Hur kolesterol transporteras in i den kanalikulära gallan är fortfarande dåligt förstått. Konverteringen av vesiklar till blandade miceller genom gallsyror visas i figur 3.

Omkring hälften av den galla som utsöndras av levern går in i gallblåsan, där den koncentreras med en faktor tre till sex. Under lagring och koncentration i gallblåsan avlägsnas vatten och elektrolyter och gallan försuras genom Na+/H+-utbyte. Vid en måltid drar gallblåsan ihop sig, Oddis sfinkter slappnar av under neurohormonella stimuli och gallan kommer in i tunntarmen. PC hydrolyseras och absorberas. Kolesterol fälls ut från lösningen, vilket förbättrar dess eliminering. Gallsyrorna bildar nu blandade miceller med fettsyror och monoglycerider. Den utsöndrande micellen har blivit en absorberande micell.

Gallsyretransport.

Den enterohepatiska cirkulationen inbegriper således transcellulär transport av gallsyramolekyler, förmedlad av membrantransportörer, och interorganiskt flöde, förmedlat av tarmmotilitet och blodflöde. Vectoriell membrantransport sker i hepatocyten och den ileala enterocyten, och interorganiskt flöde sker i portalvenen och den systemiska cirkulationen, gallvägarna och tunntarmen.

De kemiska pumpar som finns i hepatocyten har redan beskrivits. Bevis för förekomsten av ett aktivt transportsystem i den ileala enterocyten gavs av Lack och Weiner, som med hjälp av uppåtvända tarmsäckar visade att konjugerade gallsyror rör sig uppåt på ett Na+ -beroende sätt. Nyligen har Dawson och kollegor (1) lyckats klona den Na+-gallsyra-kotransporter som finns i det apikala membranet i den ileala enterocyten. Den ileala gallsyratransportören delar homologi med hepatocytens Na+ -beroende gallsyratransportör som finns i det sinusoidala membranet, men är ett annat protein. Utflödet av gallsyror från den ileala enterocyten genom det basolaterala membranet och ut i portalt venöst blod involverar ett andra transportprotein med anjonbytesprodukter som fortfarande är dåligt karakteriserat.

Den enterohepatiska cirkulationen av gallsyror står under homeostatisk kontroll både på hepatocytnivå, när det gäller biosyntesen av gallsyror, och på ileal enterocytnivå, när det gäller transporten av gallsyror. På hepatocytnivå följs ett minskat återflöde av gallsyror till hepatocyten av en ökad gallsyrabiosyntes; signalen tycks vara den intracellulära koncentrationen av gallsyror. Normalt sett är gallsyrasyntesen nedreglerad. När den enterohepatiska cirkulationen avbryts ökar gallsyrabiosyntesen upp till 15 gånger. Eftersom gallsyror härrör från kolesterol måste en ökad gallsyrabiosyntes åtföljas av en motsvarande mängd kolesterolbiosyntes.

Homeostas på ileal enterocytnivå är inte väl förstådd. Det finns övertygande bevis för negativ återkoppling (minskad transport vid ökad belastning) hos hamster och marsvin; negativ återkoppling av den ileala transporten förekommer även hos människor, eftersom gallsyrautsöndringen inte ökar när gallsyror tillförs.

Det dåliga

Olämplig retention av gallsyror och kolesterolmetabolism.

Den fysiologiska nyttan av den enterohepatiska cirkulationen av gallsyror har fascinerat fysiologer i århundraden. Borelli, den legendariske djurfysiologen, förutspådde existensen av den enterohepatiska cirkulationen på 1600-talet. Experimentella bevis för den enterohepatiska cirkulationen inväntade studier på gallfistelhunden 1870 av Moritz Schiff i Genève. (Schiff hade tvingats överge sitt laboratorium i Florens i Italien och fly till Schweiz efter att ha ställts inför rätta av antivivisektionister; vid rättegången försvarade han vältaligt behovet av och det moraliska rättfärdigandet av djurförsök.)

Åsikten att konjugerade gallsyror var funktionella detergentmolekyler som löste upp lipider och därmed främjade absorptionen av dem var väl accepterad av fysiologer för ett halvt sekel sedan, även om blandad micellbildning ännu inte hade beskrivits. Den enterohepatiska cirkulationen ansågs vara en extraordinär fysiologisk anpassning som gjorde ett stort flöde av detergentmolekyler tillgängligt för matsmältning med minimala krav på biosyntes. Denna uppfattning att den effektiva enterohepatiska cirkulationen var ”bra” för organismen har dock ändrats under det senaste decenniet, till stor del till följd av framsteg i förståelsen av kolesterol- och lipoproteinmetabolismen. Det verkar nu alltmer troligt att en effektiv intestinal konservering av gallsyror också har en ”dålig” aspekt. Brown och Goldstein påpekade i sitt banbrytande arbete om LDL-receptorn (lipoprotein med låg densitet) att nedsatt funktion av denna receptor orsakade hyperkolesterolemi. Uppreglering av denna receptor skulle kunna uppnås genom att öka hepatocytens krav på kolesterol, eftersom hepatocyten tycks försvara kolesterolhomeostasen till varje pris. De noterade att gallsyrasekvestranter inducerade gallsyra- och kolesterolbiosyntesen, vilket i sin tur uppreglerade LDL-receptoraktiviteten. Hos vuxna kan således ett effektivt intestinal bevarande av gallsyror betraktas som dåligt eftersom det nedreglerar kolesterolbiosyntesen och LDL-receptoraktiviteten, vilket i sin tur leder till högre LDL-kolesterolnivåer i plasma.

Även före Brown och Goldsteins eleganta skildring hade läkemedelsföretagen identifierat den aktiva transporten av gallsyror genom ileum som en fysiologisk process som bör vara målinriktad för behandling av hyperkolesterolemi. Det första medlet, gallsyrasekvestranten kolestyramin, orsakade en trefaldig ökning av biosyntesen av kolesterol och gallsyror och sänkte LDL-kolesterolnivåerna i plasma. Även om kolestyramin har visat sig vara säkert och effektivt för att förebygga kranskärlshändelser hos patienter med familjär hyperkolesterolemi används det inte i stor utsträckning på grund av oönskade biverkningar som förstoppning. Mer potenta sequestranter med färre biverkningar håller på att utvecklas. Ett andra tillvägagångssätt är syntesen av hämmare av Na+-gallsyra-kotransportern som finns på det apikala membranet i de ileala enterocyterna. Sådana medel har visat sig hämma gallsyraabsorptionen, sänka plasmakolesterolet och minska ateroskleros hos den kolesterolmatade Watanabekaninen som är känd för att ha defekta LDL-receptorer (13).

Det fula

Gallsyror som cytotoxiska medel.

Gallsyrornas amfipatiska egenskaper som gör att de är så kraftfulla lösningsmedel för membranlipider är också ansvariga för att gallsyror är cytotoxiska när de förekommer i onormalt höga koncentrationer antingen intracellulärt eller extracellulärt. Gallsyrornas cytotoxiska effekter kan orsaka smärtsamma symtom eller till och med döden. Detta är gallsyrornas ”fula” sida.

Cytotoxicitet orsakad av ökade intracellulära koncentrationer av gallsyror.

I den friska hepatocyten är upptag av gallsyror över det basolaterala membranet och export via den kanalikulära exportpumpen tätt kopplade. Denna effektiva koppling, tillsammans med förekomsten av bindningsproteiner i cytosolen, håller de monomera koncentrationerna av gallsyror i hepatocyten på extremt låga koncentrationer, <3 μM. När den kanalikulära exporten är defekt, antingen på grund av en medfödd eller förvärvad defekt i den kanalikulära transporten eller när det finns ett fysiskt hinder för gallflödet, ackumuleras gallsyror i hepatocyten. När deras koncentration överstiger bindningskapaciteten hos de bindande proteinerna inducerar gallsyrorna apoptos och nekros, troligen genom skador på mitokondrier (14). Hos patienter med kolestatisk leversjukdom kan omfattningen av hepatocytskador orsakade av intracellulär ackumulering av gallsyror minskas genom intag av en icke-toxisk gallsyra (ursodiol), som ackumuleras i den cirkulerande gallsyrapoolen och minskar cytotoxiciteten hos den gallsyrablandning som cirkulerar genom hepatocyten (12).

Certa medfödda fel i gallsyrabiosyntesen leder till ökad syntes av gallsyraprekursorer. Dessa ackumuleras i hepatocyten eftersom de inte är substrat för den kanalikulära exportpumpen och orsakar hepatocytdöd. Spädbarn med dessa extremt sällsynta tillstånd utvecklar progressiv gulsot efter födseln. Diagnosen ställs vanligen genom masspektrometrisk identifiering av intermediaterna i urin eller plasma. Behandling med naturliga gallsyror undertrycker syntesen av de toxiska intermediaterna, inducerar ett normalt gallflöde, återställer koncentrationen av gallsyror i tunntarmen och är livräddande.

I princip borde gallsyror ackumuleras i den ileala enterocyten när den basolaterala transporten är nedsatt, och en sådan ackumulering borde leda till enterocytens död. Denna situation har dock ännu inte inducerats experimentellt eller identifierats kliniskt.

Cytotoxicitet orsakad av ökade extracellulära koncentrationer av gallsyror.

Vid hälsa leder effektiv ileal konservering, tillsammans med snabb bakteriell modifiering av gallsyror som kommer in i tjocktarmen, till att den vattenhaltiga koncentrationen av gallsyror i tjocktarmsinnehållet är ganska låg, <1 mM. När den ileala transporten av gallsyror är defekt, antingen på grund av en medfödd avsaknad av den ileala gallsyratransportören eller på grund av ileal resektion eller sjukdom, sker en kompensatorisk ökning av den hepatiska biosyntesen, och en kraftigt ökad mängd gallsyror passerar in i kolon. Den förhöjda intraluminala koncentrationen leder till sekretion av elektrolyter och vatten, vilket kliniskt visar sig i form av diarré. Administrering av gallsyrasekvestranter sänker den förhöjda intraluminala koncentrationen av gallsyror och ger symtomatisk nytta (6).

Gallsyrebristtillstånd.

En gallsyrebrist i tarmen uppstår när den enterohepatiska cirkulationen av gallsyror är blockerad eller när den avbryts av försämrad tarmkonservering. Om malabsorptionen av gallsyror är tillräckligt allvarlig är den kompensatoriska ökningen av biosyntesen av gallsyror otillräcklig för att återställa gallsyrautsöndringen i tarmen. (Hos människor kan levern öka sin syntes av gallsyror endast ~15 gånger. Den maximala hastigheten för biosyntesen av gallsyror är ~6 g/dag, vilket är mindre än hälften av den normala dagliga sekretionen av gallsyror). Minskad gallsyrasekretion leder till defekt mikellär solubilisering av dietära lipider, vilket bidrar till lipidmalabsorption hos dessa patienter. Om konjugerade gallsyror utfodras oralt återställs den micellära solubiliseringen och förbättrad lipidabsorption blir resultatet. Den kliniska nyttan av sådan substitutionsbehandling med konjugerade gallsyror håller på att testas (3).

Slutsats

Upplysningen av gallsyrornas metabolism, enterohepatiska cirkulation och funktioner samt störningar av dessa processer vid sjukdom har inneburit en tvärvetenskaplig ansträngning som har sträckt sig från fysikalisk biokemi till kliniska prövningar. Enligt min mening har dessa ansträngningar varit i de bästa traditionerna av integrativ fysiologi.