Lipid- og lipoprotein metabolismen; ernæring

Lipid- og lipoprotein metabolismen; ernæring Christian A. Drevon Avdeling for ernæringsvitenskap, UiO http://www.med.uio.no/imb/english/research/groups/ molecular-nutrition/intern/

Lipider = fettstoffer Uløselige i vann = hydrofobe, apolare Løselige i organiske løsemidler Energirike (37 kj = 9 kcal/g) 30 + % av energien i kostholdet Viktige for helse og sykdom

Lipider har mange funksjoner Energikilde - brennstoff, lager & transport Isolasjon - termisk, elektrisk, mekanisk Fett i kosten bærer smaksmolekyler Består bl.a. av flerumettede fettsyrer som er essensielle næringstoffer og viktige for mange cellulære funksjoner i kroppen

Nomenklatur for fettsyrer CH 3 - (CH 2 ) n - CH 2 - CH 2 - COOH ω β α

Struktur av fettsyrer ω-nomenklatur Metyl-ende Karboksyl-ende Metning Stearin 18:0 Olje 18:1, n-9 9 COOH Mettet COOH Monoen Linol 18:2, n-6 6 COOH PUFA α-linolen 18:3,n 3 3 COOH PUFA EPA 20:5, n-3* 3 COOH PUFA DHA 22:6, n-3** 3 COOH PUFA * EPA =eicosapentaenoic syre ** DHA=docosahexaenoic syre

Fettsyre metabolismen Albumin FFA Transportør FABP Mitokondrier ATP & varmeproduksjon Oksidering Peroksisom ACBP Glukose Glukose FFA Acyl-CoA Lipogenesen Aktivering Forkortelser: FFA, frie fettsyrer FABP, FA bindings prot ATP, adenosin trifosfat ACBP, Acyl-CoA bindings prot Gen interaksjon Eikosanoider Modulering av enzymer/proteinr Elongering/desaturering Triglyserider Esterifisering Kolseteryl ester Fosfolipider Rustan AC & Drevon CA: 2005

Lipoproteiner PAG Kolesterol Fettløselige vitaminer Kolesterol ester TAG Apoprotein

Lipoproteiner CM VLDL IDL LDL HDL 2-3 Kylomikroner Very low density lipoprotein Intermediate density lipoprotein Low density lipoprotein High density lipoprotein Triglyserider Triglyserider Triglyserider Kolesteryl- ester Kolesteryl- ester Fosfolipider Kolesteryl- ester Fosfolipider Fosfolipider Kolesterol Fosfolipider

Rustan & Drevon, 1989 Lipoproteiner

Lipoproteiner Gallesyrer, kolesterol Næringsstoffer LDL Makrofager etc LDL KMR Fibroblaster etc LDL IDL LPL VLDL LPL KM HDL

Lipoprotein metabolism Lusis et al. Ann Review Genomics & Human Genetics 2004, 5, 189-218

ApoB & TG association Ginsberg HN, Fisher EA. J Lipid Res. 2009;50 Suppl:S162-6 MTP = Microsomal Triglyceride Transfer Protein

Cell biology and posttranslational modifications of LPL. The posttranslational steps in forming active LPL are shown here. Wang H, Eckel R H Am J Physiol Endocrinol Metab 2009;297:E271-E288 2009 by American Physiological Society

Schemative representation of the complex mechanisms of tissue-specific LPL regulation. apocii ++ CTE, SRE, PPAR-RE, LXR-RE, AP-1E, AP-1LE, NFY (TNFa) Wang H, Eckel R H Am J Physiol Endocrinol Metab 2009;297:E271-E288 2009 by American Physiological Society

T. Thuren, Curr Opin Lipidol, 2000 HDL metabolism

Hepatisk lipase (HL) HL blir produsert og virker i leveren Hydrolyserer PL (+ kanskje TG) i HDL2 --> mindre og tettere HDL3 Hankjønn & bukfett er assosiert med høy HL aktivitet & lav HDL2 HL kan også endre LDL til mindre og tettere partikler HDL2 sammen med små, tette LDL er atherogene

Figure 1. Schematic illustration of the classic function of hepatic lipase as a lipolytic enzyme. Santamarina-Fojo S et al. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004;24:1750-1754 Copyright American Heart Association

Figure 2. Schematic illustration of hepatic lipase (HL) as a ligand that facilitates the interaction between circulating plasma lipoproteins and cell surface receptors and proteoglycans Santamarina-Fojo S et al. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004;24:1750-1754 Copyright American Heart Association

Figure 3. Schematic illustration of the multiple roles of hepatic lipase (HL) in lipoprotein metabolism and cellular lipid uptake in liver as well as macrophages present in the vessel wall. Santamarina-Fojo S et al. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004;24:1750-1754 Copyright American Heart Association

HDL metabolisme Genetisk abnormitet --> HDL kolesterol (hyperalphalipoproteinemia eller CETP mangel) eller HDL kolesterol (Apo-A-I mangel, LCAT mangel, Tangier s disease, Fish eye disease) Faktorer som øker HDL nivå: Hunkjønn, aerob trening, vekt reduksjon, høy-fett kost, og stoffer som alkohol, østrogen, fibrater og nikotinsyre Faktorer som senker HDL nivå: Hankjønn, androgener, progestin, hypertriglyseridemi, sentral fedme, røyking, noen blodtrykkssenkende medisiner, og lav-fett kost

LDLR er en nøkkelkomponent for å opprettholde kolesterol homeostasen ApoB

Hyperkolesterolemi PCSK9

Opptak og sekresjon av kolesterol Kontrolleres av ATP-bindende kassett (ABC) transportere ABCG5 og 8 i tarm utskiller kolesterol som absorberes i tarmepitelcellene, slik at det begrenser kolesterol absorpsjonen De samme transportere i lever sekrerer kolesterol til gallen Den sjeldne autosomalt recessive sykdommen sitosterolemi fører til akkumulering av LDL som inneholder plantesteroler i tillegg til kolesterol Dette fører til opphopning av kolesterol i lever og nedregulering av LDLR genet Dette skyldes mutasjoner i ABCG5 og 8

ARH; autosomal recessive hypercholesterolemia Skyldes en defekt i genet som koder for et cytosol protein ARH, som inneholder et phosphotyrosinebindende område (PTB) PTB kan binde den cytoplasmatiske halen til celleoverflate-receptorer som inneholder NPXY motif, også i LDLR som er vesentlig for inkorporering eller resykleringen av reseptoren i clatrin-coated pits ved endocytosen

Familiær hyperkolesterolemi (FH) Genetisk arvelig sykdom (AD) 1/300 i Norge Økte nivåer av serum kolesterol Fører til atherosklerose og CHD Skyldes mutasjoner i LDLR Atherosclerosis Xanthoma Xanthelasma

Dominant arvegangs-mønster for FH

MariAnn Kulseth LDL receptor

MariAnn Kulseth Intracellular transport av LDLR Golgi ER mrna LDL Endosomes Coated pit

Reseptor-mediert endocytose LDL blir bundet til LDLR, internalisert i clathrin-coated pits og spaltet fra i endosomet R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 LDL Clathrin- coated pit Endosome

MariAnn Kulseth LDLR og de 5 klassemutasjonene som endrer dens funksjon Class 1 receptor synthesis Class 2 receptor transport Golgi Class 3 LDL binding by receptor ER mrna Endosomes Class 5 failure to discharge LDL Coated pit Class 4 Receptor clustering in coated pits

MariAnn Kulseth LDLR og 5 klasser av mutasjoner Class 1 no protein found Class 2A/B Golgi Class 3 Class 2 unsuccessful folding in ER ER Class 1 mrna Class 4 Class 3 reduced affinity for LDL Class 5 Endosomes Class 4 reduced clustering in coated pits Class 5 failure to discharge LDL in the endosomes

Øystein L. Holla Normal LDL-reseptor funksjon Endosome Lysosome

Øystein L. Holla Mutert LDL-reseptor Endosome Lysosome

Øystein L. Holla Mutasjoner i gener som koder for LDL-reseptor, apob og PCSK9 gir samme fenoype (økt LDL-kolesterol), og behandles likt LDL-partikkel ApoB LDL-reseptor Mutert LDLreseptor Normal celle F H Mutert ApoB Manglende LDL-reseptor FDB FH3

PCSK9 proprotein convertase subtisilin/kexin type 9 Genet er lokalisert til human chromosome 1p33-p34.3 Koder for et protein med 692 aminosyrer SS Prodomain Catalytic domain

PCSK9 og hyperkolesterolemi 902 sekvenserte DNA-prøver fra pasienter med total kolesterol > 10 mm 461 med LDLR punktmutasjoner 44 med delesjoner/duplikasjoner 10 med apob mutasjoner 6 med PCSK9 mutasjoner (S127R, D374Y)

PCSK9 og hypokolesterolemi 40 index pasienter med < 3.5 mm total kolesterol 6 med PCSK9 missense mutasjoner (R46L, G106R, R237W, N157K) Ingen av disse ble funnet hos personer med hyperkolesterolemi Mutasjoner i PCSK9 genet forårsaker både hyperog hypokolesterolemi

Lav tilførsel av kolesterol oppregulerer LDLR via feed-back slik som statiner

D. Eberlé et al. Biochimie 86, 2004 SREBP modning

Summary of SREBP maturation C Nucleus CHOLESTEROL N ER Golgi C C 125 kb N C 65 kb N

Statiner virkningsmekanisme

Fettsyrer & plasma kolesterol (Müller et al. Lipids 2001, 36, 783-791) Δkolesterol mm = " 12:0 " "+ 0.01" 14:0!!+ 0.12" 16:0 " "+ 0.057" TransMarin "+ 0.039" TransVeg "+ 0.031" 18:1 " "- 0.0044" 18:2/3" "- 0.017" ΔLDL-kolesterol mm =" + 0.01! + 0.071! + 0.047" + 0.043" + 0.025" - 0.0044" - 0.017"

Fettsyrers effekt på plasma LDL Fatty acid FactorLDL Soya olje Δ mm Melkefett Δ mm 12 0.01 3 0.03 14 0.071 10 0.71 16 0.047 10 0.47 25 1.175 TransF 0.043 5 0.215 TransV 0.025 18,1 0.0044 21 0.092 28 0.1232 18,2/3 0.017 64 1.088 3 0.051 SUM -0.71 1.9558

Fett i kosten mettede fettsyrer melk- og kjøtt-produkter, hard margarin trans fettsyrer margarin m/herdet flerumettet, melk/kjøtt n-3 fettsyrer fet fisk, tran, fiskeolje vitamin D og E fet fisk, tran, fiskeolje, korn, soyaolje

Risikofaktorer & hjerte-karsykdommer Arv (DNA) Tilstand Miljø Kjønn Kolesterol Kosthold Alder LDL, HDL Fettsyrer Mutasjoner Homocystein Kolesterol Blodtrykk Vitaminer BMI Infeksjoner Fysisk aktivitet Røyking

Stages of atherosclerotic development Lusis et al. Ann Review Genomics & Human Genetics 2004, 5, 189-218

Anbefalinger om energi i kosten Fett 25-35 E % Mettet/trans < 10 E % Cis enumettet 10-15 % Flerumettet 5-10 % Essensielle (n-6 + n-3) > 3 %; n-3 > 0.5 % Karbohydrater 55-60 E % m/25-30 g fiber/d Raffinert KH < 10 E % Protein 10-15 E %

Strøm & Jensen, Nordisk Hygienisk Tidsskr 1950

Strøm & Jensen, Nordisk Hygienisk Tidsskr 1950

Nicolaysen & Westlund, Scand J Lab Clin Inves, 127, 1972

Utvikling av aterosklerose Blod Monocytter LDL HDL Plater Endotelium Adesjonsmolekyl VCAM-1 Intima Makrofager m/kolesterol (skumceller) Glatte muskelceller

Molecular and cellular interactions in early stages of atherosclerosis Lusis et al. Ann Review Genomics & Human Genetics 2004, 5, 189-218

Molecular and cellular interactions in early stages of atherosclerosis Lusis et al. Ann Review Genomics & Human Genetics 2004, 5, 189-218

Berberine Naturlig produkt isolert fra en kinesisk urt Coptis chinensis som reduserer serum LDL kolesterol 25% i hypercholesterolemiske pasienter etter 3 måneder med oral administrasjon (Kong et al 2004, Nature Medicine) Oppregulerer LDLR via en sterol uavhengig mekanisme: øker mrna stabiliteten gjennom p42/p44 MAPK pathway Senker også plasma TAG

Curcumin Curcuma longa, det gule pigmentet i gurkemeie, er en tradisjonell kinesisk medisin Den kan være antioksidant, anti-inflammatorisk, kreft-forebyggende, antikoagulerende, og redusere serum LDL kolesterol i hyperkolesteroliske pasienter (Fan et al. Pharmacol Rep. 2006; 58:577-81) Oppregulerer LDLR via SREBP pathway?

Naringenin Sitrus flavonoid Øker LDLR og dermed senker plasma kolesterol in vivo Narengenin øker PI 3-kinase aktiviteten og ERK1/2 fosforylering via MEK1/2 aktivering Mulvihill EE et al. Diabetes. 2009; 58:2198-210

Iskemisk hjertesykdom (hjerteinfarkt og angina pectoris), Europeiske land, menn 0-64 år, dødsfall per 100 000.

Essensielle fettsyrer Omega-3 (n-3) & omega-6 (n-6) fettsyrer To separate familier av fettsyrer Alle essensielle fettsyrer er PUFA Alle PUFA er er ikke essensielle Produseres i kloroplast i planter og fytoplankton Nødvendig for alle høyere organismer

Syntese av essensielle fettsyrer n-6 fettsyrer Enzymer n-3 fettsyrer Linoleic 18:2 α-linolenic 18:3 Δ 6-desaturase γ-linolenic 18:3 Octadecatetraenoic 18:4 elongase Dihomo-γ-linolenic 20:3 Eicosatetraenoic 20:4 Δ 5-desaturase Arachidonic 20:4 Eicosapentaenoic 20:5 elongase Adrenic 22:4 Docosapentaenoic 22:5 elongase Tetracosatetraenoic 24:4 Tetracosapentaenoic 24:5 Δ 6-desaturase Tetracosapentaenoic 24:5 Tetracosahexaenoic 24:6 β-oxidation Docosapentaenoic 22:5 Docosahexaenoic 22:6

Foreslått inntak av essensielle PUFA Inntak ω -3 (% av energi) ω -6 (% av energi) ω -3 (g/day) ω -6 (g/day) Minimum 0.2 0.3 1 3 0.4 0.6 2.4 7.2 Optimum 1 2 3 5 2.4 4.8 7.2 12 Basert på data fra pasienter med essensiell fettsyremangel og på estimat av anbefalt og optimalt inntak i friske, normale individer med energiinntak på 2200 kcal/dag (9.2 MJ/dag).

n-6 og n-3 fettsyrer daglig inntak, Norkost 1993 m/tran *5,5 uten kosttilskott Norkost 1997 Kvinner Menn 18:2 + 20:4 n-6, g/d 8,9 14 18:3 n-3, g/d 1,2 1,8 EPA/DPA/DHA n-3, g/d 0,7 1,1 Ratio n-6/n-3* 4,7 4,7 18:3 n-3, E% 0,6 0,6 EPA/DPA/DHA n-3, E% 0,4 0,4

Kilder til omega-3 fettsyrer Fettsyrer C-atomer:dobbelbindinger Kilder α-linolensyre 18:3 Grønne blader, linfrø-, soyabønneog rapsolje EPA 20:5 Marine dyr, torskeleverolje og fiskeolje DHA 22:6 Marine dyr, torskeleverolje og fiskeolje

Innhold av langkjedete omega-3 fettsyrer i marine matvarer Content of long chain omega-3 fatty acids in some marine foods per 100 gram edible food (Den store matvaretabellen, Gyldendal Norsk Forlag, 2001). There are large variations with season, location and feed.

Omega-3 fettsyremangel i menneske Skjellet og blødende dermatitt Blødende follikler i hodebunnen Sårtilheling Vekst hos barn Skarp-syn Neuropati Kons. av n-3 fettsyrer i fettvev og plasmalipid fraksjoner

Livsstil, fedme & insulin resistens Life style Insulin resistance syndrome Disease Stress Physical inactivity Diet Environmental factors Visceral obesity FFA Portal v Glucose uptake Insulin resistance Hyperinsulinemia Glucose prod VLDL-TG HDL-ch s.d.ldl Hyper- glycemia Genetic factors n-3 FA interferes Athero- sclerosis

Kostråd Hold vekten Mer av grønnsaker frukt grovt korn poteter fisk vann

Kostråd Mindre av Fete melkeprodukter helmelk, smør, fløte, ost Fete kjøtt-produkter burgere/kjøttkaer pølser fett kjøtt Margariner/oljer Pomme frites, kaker (wienerbrød) Sukker Leskedrikker, søtt syltetøy & godterier

Hva er vi laget for å spise? Samlere og jegere Mest røtter, frukt, planter Stor variasjon Litt fisk og kjøtt Ofte ~ 20 E % fra fett Svært lite sukker og melkeprodukter Mye fysisk aktivitet Ble ikke gamle, døde av infeksjoner og ulykker

Smør, margarin og annet fett, kg/person/år 25 Smør Margarin Annet fett 20 kg/p/år 15 10 5 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Mineralvannomsetning i Norge, liter per person per år (Bryggeri- og mineralvannforeningen). Totalt Sukret Søtet Vann 140 120 100 Liter/innb/år 80 60 40 20 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Sjokolade og sukkervarer, omsetning i Norge, kg per person per år (Norske Sjokoladefabrikkers Forening). Sjokolade Sukkervarer Total 16 14 12 Kg/innb/år 10 8 6 4 2 0 1 960 1 970 1 980 1 990 2 000 2 010

Kaffe & plasmakolesterol I mange år - spredte data 1983 Thelle et al. - antall kaffe kopper --> plasma kolesterol blant 42000 personer i Tromsø

Kaffe & plasmakolesterol Klinisk kontrollert studie + kaffe Alt annet konstant Drikker kaffe --> plasma kolesterol +++ Nye spørsmål? Hva i kaffeen virker?

Kaffe & plasmakolesterol Tilberedelsemåte? Filtrert - Pulver - Koke +++ Espresso ++ Katan et al. 1990 kokte 1500 l kaffe det som flyter opp inneholder fett - blålig ga forsøkspersoner --> pl kolesterol +++

Kaffe & plasmakolesterol Noe i kaffefettet Hvilke nye spørsmål? Har dyr samme respons? Hva i kaffe-fettet Ikke fettsyrer Noe annet

Kaffe & plasmakolesterol Hvilke andre fettstoffer enn fettsyrer i kaffefett? Diterpener Cafestol/kahweol Samarbeid med Nestlé Klinisk forsøk Cafestol/kahweol --> pl kolesterol +++

Kaffe & plasmakolesterol Neste spørsmål? Virkningsmekanisme? Hvordan undersøke det? Hos mennesker? Hos dyr? I vev? I celler? Hvilke celler? Hvordan?

Coffee consumption and human health - beneficial or detrimental? Cafestol Kahweol

Cafestol (mg/100ml) Kahweol (mg/100ml) Scandinavian boiled 0.5-8 0.7-10 Turkish/ Greek 0.3-6.7 0.1-7.1 French press 1.5-3.7 1.7-5.3 Espresso 0.1-1.9 0.1-2.6 Filter 0-0.1 0-0.1 Ranheim & Halvorsen

Detrimental factors Homocysteine: ñ Homocysteine, risk for CVD ñ Correlation homocysteine and coffee intake ñ Risk both in unfiltered and filtered coffee, due to caffeine ñ Due to increased B-6 concentration? Plasma lipids: ñ Total cholesterol ñ Triacylglycerol ñ CETP ñ PLTP ò LDLR synthesis in liver (reduced activity SRE-1) ò LDL uptake in liver and HSF?? LXR

Beneficial factors Cancer: ò Incidence coffee and colon/colorectal cancer, due to polyphenoles and caffeine? ñ Total antioxidant intake ñ Glutathione ñ Detoxification enzymes ñ DNA protection Diabetes: ñ Insulin sensitivity ò Glucose-6-phosphate ñ Mobilization of glycogen ñ Lipolysis ñ Fat oxidation ò Body fat ò Small dense LDL ò AGE