Re:고급영양학 chapter 2. 소화와 흡수.. 부속소화기관(비타민, 미네랄의 흡수 포함)

[문형철]

beyond reason

부속소화기관

1. 췌장(pancreas)

췌장은 십이지장의 굽은 부분에 머리가 있고 위의 아래쪽 뒤편에 위치함. 길이 12~15cm의 해면조직으로 된 분비기관임. 외분비 기능과 내분비기능. 매일 1~2리터의 췌장액을 생산하는 외분비 기능은 포도송이 같은 분비세포의 군집에서 수행되며 내분비기능은 랑게르한스 섬을 구성하는 각종 내분비 세포에서이루어짐. 

1) 외분비 기능

췌장의 외분비세포에서는 3종류의 소화효소 분비. 단백질 분해효소(proteolytic enzyme), 췌장 아밀라아제(pancreatic amylase), 췌장 리파아제(pancreatic lipase)와 함께 중탄산 나트륨이 풍부한 알카리성의 췌장액을 분비함. 

단백질 분해효소로는 트립시노겐, 키모트시노겐 및 프로카르복시펩티다제(procarboxypeptidase)

이들은 위액의 펩시노겐처럼 불황성화 상태로 분비됨. 트립시노겐은 십이지장에서 엔테로키나아제에 의해 트립신으로 활성화되며 이후에 트립신에 의해 자가활성화가 일어남. 키모트립시노겐과 프로카르복시펩티다아제도 트립신에의해 키모트립신과 카르복시펩티다아제로 활성화됨. 

췌장 아밀라아제는 다당류를 당당류로 분해함. 

췌장 리파아제는 트리글리세리드를 모노글리세리드나 지방산으로 가수분해함. 

췌장 리파아제는 소화관에서 분비되는 유일한 지방분해효소임. 췌장액에 함유된 중탄산염이온은 십이지장으로 넘어온 산성의 미즙을 즉각 알칼리성으로 중화시킴. 그러므로 췌장액 효소의 최적 pH조건이 만들어지며 아울러 산에 의한 십이지장 점막의 손상을 막게됨.

2) 내분비 기능

호르몬을 합성하는 내분비 기능은 췌장전반에 널리 퍼져있는 랑게르한스섬이라고 하는 작은 분비세포 군집에의해 이루어짐. 알파세포에서는 글루카곤, 베타세포에서는 인슐린 생성. 이들 호르몬은 인접한 모세혈관으로 수송되어 바로 체순환에 들어감. 

2. 간(Liver)

간은 횡격막 바로 아래 위치한 1.3kg 정도의 기관. 간은 우엽과 좌엽으로 구분되며 간의 실질세포들은 방사상으로 배열해 간소엽을 이룸. 간은 동맥혈과 정맥혈을 모두 받으며 담즙생산과 혈장 단백질 합성을비롯해 여러 영양소의 저장과 대사기능 수행.

정리) 소장에서 흡수한 영양물질, 비타민, 미네랄 등은 portal vein으로 전달되어 간에서 hepatic artery와 만나 hepatocyte, kupffer cell의 기능을 하게 함. 간세포의 작용으로 만들어진 bile acid는 bile duct를 거쳐 담낭으로 보내짐. 

1) 간의 구조

간세포(hepatocyte)는 두줄로 배열해 간세포판(hepatic plate)를 형성할 간세포판은 중심정맥을 중심으로방사상으로 뻗쳐 간소엽(hepatic lobule)이라 불리는 기능적 단위를 형성. 각각의 간소엽 주위에는 간동맥과 간문맥의 가지들이 분포. 이들을 통해 들어온 동맥혈과 문맥혈은 간판 사이사이를 지나는 동양혈관을 지나 간소엽의 중앙에 자리하고 있는 중심정맥으로 흐름. 간세포판과 간세포판 사이에는 담세관(bile canaliculus)이 위치하고 있음. 

cf) kupffer cell

Kupffer cells, also known as stellate macrophages and Kupffer–Browicz cells, are specialized macrophages located in the liver, lining the walls of the sinusoids. They form part of the mononuclear phagocyte system.

Apart from clearing any bacteria, red blood cells are also broken down by phagocytic action, where the hemoglobin molecule is split. The globin chains are re-used, while the iron-containing portion, heme, is further broken down into iron, which is re-used, and bilirubin, which is conjugated to glucuronic acid within hepatocytes and secreted into the bile.

Helmy et al. identified a receptor present in Kupffer cells, the complement receptor of the immunoglobulin family (CRIg). Mice without CRIg could not clear complement system-coated pathogens. CRIg is conserved in mice and humans and is a critical component of the innate immune system.^[3]

2) 담즙생산

담즙에는 중탄산염 이온, 담즙산염, 콜레스테롤, 인지질(레시틴), 빌리루빈, 무기이온 등이 함유되어 있음. 이 외에 체외로 배설해야 할 악물의 대사산물 등 외인성 물질도 포함. 담즙산염은 콜레스테롤의 유도체이며 미셸을 형성하는 유화작용을 함으로써 지질의 소화와 흡수를 촉진함. 

빌리루빈 : 노후한 적혈구가 파괴될때 헴이 분해되면서 생성되는 노란색 물질(담즙색소)

간세포에 의해 생산된 담즙은 담세관으로 분비됨. 담세관은 점차 모여 굵어져 담관을 이루고 담관은 모두 모여 간관을 형성함. 즉 담즙은 간관을 통해 간에서 나감. 간은 하루에 250ml~1000ml의 담즙을 생산. 

3) 간의 기타 기능

간은 담즙생산 이외에도 해독작용, 탄수화물 대사, 지질대사, 혈장단백질 합성 등 다양한 기능을 수행. 이는 간이 독특한 구조를 이루고 있고 또한 소화관으로부터 문맥혈을 받기 때문임.

작용	내용
담즙생산	담즙산염 합성 빌리루빈 합성
해독과 면역	쿠퍼세포의 탐식작용 약물과 호르몬의 화학적 전변 요소와 요산합성
탄수화물 대사	포도당을 이용한 글리코겐과 지방합성 글리코겐 분해와 포도당 신생 혈액으로 포도당 분비
지질대사	중성지방과 콜레스테롤 합성 담즙으로 콜레스테롤 분비 지방산으로부터 케톤체 생성
단백질 대사	알부민 합성 혈장 운반단백질 합성 혈액응고인자 합성

3. 담낭(gall bladder)

담낭은 간의 아래쪽에 붙어 있는 주름진 주머니 모양의 기관임. 담낭의 길이는 7-10cm이며 35~150ml정도 저장. 

1) 담즙저장

담즙은 간의 실질세포에서 생성. 담관과 간관을 거쳐 간으로부터 배출된 담즙은 소장내에 음식물이 없어오디괄약근이 닫혀있을때는 총간관을 통해 담낭으로 들어감. 담낭에 저장되어 있는 동안 담즙의 염류와 물이 담낭밖으로 빠져나가면 담즙의 유기물질은 5-10배 농축됨. 

2) 담즙분비

십이지장으로 미즙이 넘어오면 미즙에 함유된 지질과 단백질의 부분 분해산물의 자극에 의해 십이지장에서 콜레시스토키닌이 분비됨. 이 소화기 호르몬은 담낭근육을 수축시키는 한편 오디괄약근을 이완시켜 담즙이 분비되도록 함. 

Effects of cholecystokinin on the gastrointestinal tract. Cholecystokinin is secreted by I-cells in the small intestine and induces contraction of the gallbladder, relaxes the sphincter of Oddi, reduces of gastric acid secretion, increases bile acid production in the liver, delays gastric emptying, and induces digestive enzyme production in the pancreas.

콜레시스토키닌(CCK)

- 위에서 음식물이 소장으로 들어오면 소장에서 분비되는 peptide hormone

# 담낭 수축, 오디괄약근 이완

# 위산분비 억제, gastric emptying 지연

# 췌장 소화효소 유도

# 간에서 담즙산 생성 증가

소화관의 분비기능

분비기관	분비성분	기능
구강과 인두	# 염과 수분  # 점액 # 효소(아밀라아제)	음식물을 촉촉하게 함  음식물에 윤활유역할 이동에 도움 일부 탄수화물 분해
식도	점액	음식물 덩어리를 윤활
위	# 위산 # 효소(펩신) # 점액	음식성분을 용해시키고 미생물을 죽임 단백질 분해 미즙을 윤활하게 하고 점막을 보호
소장	# 효소(아밀라제, 펩티다제, 리파아제) # 점액	탄수화물, 단백질, 지질분해 미즙을 윤활하게 하고 점막을 보호
대장	점액	장 내용물을 윤활하게 해 이동과 배변에 도움
췌장	# 효소(아밀라제, 트립신, 키모트립신, 카르복시펩티다아제, 리파아제 # 중탄산염 이온	탄수화물, 단백질, 지질 및 핵산 분해 미즙의 위산을 중화함
간과 담낭	# 담즙산염 # 중탄산염 이온	불용성 지질을 용해시킴 미즙의 위산을 중화함

소화관의 기능조절

소화관의 기능은 주로 자율신경계와 소화기 호르몬에 의해 조절. 전자를 신경성 조절 또는 외인성 조절이라고 하고 후자를 내분비성 조절 또는 내인성 조절이라고 함. 

1. 신경성 조절

신경성 조절은 주로 외인성의 자율신경계에 의해 이루어짐. 일반적으로 부교감신경은 소화관의 분비와 운동기능을 촉진. 교감신경은 억제작용, 괄약근 수축. 

부교감신경으로 10번 뇌신경(미주신경)이 식도에서 대장 상부까지 지배하고 척수로부터 나오는 척수신경이 대장하부를 지배함. 한편 교감신경으로는 흉추에서 나오는 흉수신경이 식도에서 대장상부까지 분포되어 있고 요추에서 나오는 요수신경이 대장하부에 분포되어 있음. 장내에 세포체를 두고 있는 내인성의 장신경계는 외인성 신경의 작용을 보조함. 

2. 내분비성 조절

# 가스트린, 세크레틴, 콜레시스토키닌(CCK), 위억제펩티드 등

이 호르몬의 대부분이 뇌신경에서도 분비됨. 흥분이나 놀라움, 슬픔, 통증 등 소화와 무관해 보이는 감정들이 위 운동에 영향을 줌. 

소화기 호르몬의 종류와 기능

종류	분비기관	분비자극원	주요기능
가스트린	위	# 음식물 섭취로 인한 미주신경 자극 # 위 확장에 따른 물리적 자극 # 위 내용물 중 아미노산에 의한 자극	# 위액분비 촉진 : 벽세포자극으로 위산분비 촉진, 주세포 자극으로 펩시노겐 생성촉진 # 위운동촉진
세크레틴	췌장	위 내용물의 고장성 및 산성(pH<4.5)자극	# 췌장세포와 간세포자극으로 중탄산염이온 분비촉진 # 췌장에 대한 콜레시스토키닌 작용강화 # 위 배출지연
콜레시스토키닌	소장	소장으로 넘어온 미즙의 지질과 아미노산 자극	# 담낭수축으로 담즙분비촉진 # 췌장세포자극 췌장액효소 분비자극 # 장운동과 분비촉진 # 위운동과 분비억제 및 위배출지연
위억제펩티드	소장	# 소장으로 넘어온 미즙의 포도당과 고장성 자극 # 장확장에 따른 물리적 자극	# 위운동과 분비억제 및 위 배출지연 # 췌장의 베타세포를 자극해 인슐린 분비촉진

영양소 흡수기전

영양소의 흡수기전은 생체내에서 물질이동 기전과 동일함. 그러나 소화관 강 쪽의 세포막(Luminal membrane)과 융모 안쪽의 세포막(basolateral membrane) 간에 투과성이 다르고 이온채널도 같지않고 운반체도 상이함. 

영양소가 장상피세포의 세포막을 비롯해 여러 생체막을 통과하는 주요 흡수기전으로는 수동확산(passivediffusion), 촉진확산(facilitated diffusion), 능동수송(active transport), 음세포작용(endocytosis). 이밖에작은 이온이나 물 분자의 일부는 생체막 사이의 간격을 통해 수동확산으로 흡수됨. 

1) 수동확산과 삼투

수동확산은 물질분자가 무작위운동(random motion)을 하며 생체막을 자유롭게 통과하는 기전

지질용해도가 크거나 분자량이 작은 영양소의 경우 세포막에 대한 투과성이 높으므로 이들 물질의 농도나 전위가 소화관 내강이 흡수세포내보다 높은 경우 수동확산으로 흡수. 수동확산은 지질 소화물이나 지용성 비타민과 일부 비타민 흡수에 기여함. 

나트륨이온, 칼륨이온, 염소이온, 칼슘이온 등은 세포막지질에 대한 용해도가 낮은데도 상당히 빠른 속도로 흡수되는데 이는 이온채널을 통해 확산되기 때문임. 

삼투는 수동확산의 한 형태임. 세포막에 투과성이 없는 영양소들의 농도가 소화관 내강이 흡수세포보다 낮은 경우 물분자가 흡수세포로 수동확산됨. 삼투는 소화관에서 물분자의 흡수에 주로 작용함. 

2) 촉진확산

촉진확산은 운반체(GLUT2, 5)가 매개하는 흡수기전임. 흡수세포의 세포막에 있는 특수한 운반단백질들이 영양소와 결합해 세포안으로 이동시킴. 촉진확산이 비록 운반체를 이용하지만 원동력은 역시 농도나 전위경사에 의함. 촉진확산은 영양소의 흡수에 특이성, 포화성, 경쟁성을 나타냄. 즉 각각의 운반체가 결합할 수 있는 영양소가 한가지이거나 아주 좁은 범위로 제한되고 운반체가 포화되면 더이상 흡수속도가 증가하지 않으며 한 운반체에 결합할 수 있는 유사한 분자특성을 갖는 영양소가 있으면 서로 경쟁함. 

GLUT5 is a fructose transporter expressed on the apical border of enterocytes in the small intestine.^[1] GLUT5 allows for fructose to be transported from the intestinal lumen into the enterocyte by facilitated diffusion due to fructose's high concentration in the intestinal lumen. GLUT5 is also expressed in skeletal muscle,^[2] testis, kidney, fat tissue (adipocytes), and brain.

Glucose transporter 2 (GLUT2) also known as solute carrier family 2 (facilitated glucose transporter), member 2 (SLC2A2) is a transmembrane carrier protein that enables protein facilitated glucose movement across cell membranes. It is the principal transporter for transfer of glucose between liver and blood ^[1] Unlike GLUT4, it does not rely on insulin for facilitated diffusion.

참고) Glucose transporter type 4 (GLUT-4), also known as solute carrier family 2, facilitated glucose transporter member 4, is a protein encoded, in humans, by the SLC2A4 gene. GLUT4 is the insulin-regulated glucose transporter found primarily in adipose tissues and striated muscle (skeletal and cardiac). The first evidence for this distinct glucose transport protein was provided by David James in 1988.^[1] The gene that encodes GLUT4 was cloned^[2][3] and mapped in 1989.^[4]

At the cell surface, GLUT4 permits the facilitated diffusion of circulating glucose down its concentration gradient into muscle and fat cells. Once within cells, glucose is rapidly phosphorylated by glucokinase in the liver and hexokinase in other tissues to form glucose-6-phosphate, which then enters glycolysis or is polymerized into glycogen. Glucose-6-phosphate cannot diffuse back out of cells, which also serves to maintain the concentration gradient for glucose to passively enter cells.

3) 능동수송(ATP이용)

능동수송은 운반체가 매개하며 또한 에너지를 이용하는 흡수기전임. 에너지를 이용하므로 수동확산, 촉진확산과는 달리 영양소의 농도나 전위경사에 의존하지 않음. 즉 영양소의 농도가 소화관내강이 흡수세포보다 낮아도 마치 펌프작용을 하듯 흡수함. 이 기전은 ATP가 ADP+Pi(무기인산염)으로 가수분해될때 발생하는 에너지를 이용. 능동수송도 촉진확산과 같이 특이성, 포화성, 경쟁성을 나타냄.

1차 능동수송 : 운반단백질이 직접 ATPase와 결합하고 가수분해해서 이때 방출되는 에너지를 이용해 흡수하는 기전

2차 능동수송 : 에너지를 직접 소비하는 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+ pump)가 형성한 나트륨 이온의 농도경사를 이용해 나트륨 이온과 함께 영양소를 흡수하는 방식임. 

4) 음세포작용

일부 영양소는 조그만 주머니에 세포외액과 함께 들어있는 형태로 세포내로 흡수되기도 하는데 이를 음세포작용(pinocytosis)라고 함. 즉 흡수세포의 세포막 일부가 세포안쪽으로 밀려들어오면서 소화관 내강에 있는 영양소를 둘러싼 작은 주머니를 만들고 이후 이 주머니가 세포내에서 분리됨. 분리된 주머니는 세포질 내 리소좀(lysosome)과 융합되어 리소좀의 소화효소에 노출되면서 가수분해됨. 

사례) 모유에 함유된 면역단백질이 소화되지 않은 상태로 흡수되는 기전. 

       소화관에 들어온 박테리아를 상피세포 안으로 들여 이를 무해하게 만들고 분해하는 기전

각 영양소의 소화와 흡수

영양소의 흡수는 구강에서는 일어나지 않고 식도에서도 특별한 약물이외에 영양소 흡수는 거의 없음. 위에서는 물과 소량의 알콜, 특정 약물이 흡수됨. 탄수화물, 단백질, 지질의 소화산물과 비타민, 미네랄, 알콜은 대부분 소장에서 흡수됨. 대장에서는 물과 전해질, 일부 무기질 그리고 결장 박테리아가 생산한 짧은사슬 지방산과 엽산, 비타민 K가 흡수됨. 

1. 탄수화물의 소화와 흡수

음식물로 섭취된 탄수화물은 타액과 췌장 아밀라제에 의해 소화되어 소장내강에서 맥아당, 설탕(자당), 유당형태로 존재함. 이들 이당류가 포도당(glucose), 갈락토스(galactose), 과당(fructose)의 단당류로 가수분해되는 단계는 소장 상피세포의 미세융모 즉 브러시보더에 있는 Disaccharidase에 의해 일어남. 즉 마지막 단계의 소화와 흡수가 동시에 일어남. 그중 포도당과 갈락토스는 2차 능동수송 즉 나트륨-칼륨펌프를 통해 형성된 나트륨이온의 농도차에 의해서 소장상피세포의 세포막을 통과함. 한편 과당(fructose)은 촉진확산으로 통과함. 

소장상피세포에 들어온 단당류는 세포질을 가로질러 맞은편 세포막에서 운반체를 이용하는 촉진확산에 의해 점막세포를 떠나고 융모안에 위치한 모세혈관으로 들어감. 이후 간문맥을 통해 간으로 수송되고 체순환에 들어감. 탄수화물의 소화와 흡수는 소장상부에서 거의 완결됨

2. 단백질의 소화와 흡수

음식물로 섭취된 단백질은 펩신, 트립신, 키모트립신 및 카르복시펩티다제에 의해 소화되어 주로 아미노산이나 디펩티드, 트리펩티드 등 작은 펩티드 형태로 소장내강에 존재함. 

아미노산은 포도당이나 갈락토스 흡수와 유사하게 2차 능동수송에 의해 흡수됨. 분자구조가 각기 다른 아미노산이 20종이 있으므로 여러 종류의 운반체가 존재하는 것으로 보임. 한편 펩티드도 2차 능동수송으로 흡수되는데 단당류와 달리 수소이온 농도차이를 이용함. 펩티드는 아미노산 운반체와는 다른 운반체에 의해 수송되는데 브러시보더에 존재하는 아미노펩티다제에 의해 아미노산으로 분해되면서 흡수됨. 

아미노산이 모세혈관으로 들어가기 위해 소장 상피세포를 떠나는 기전은 단당류의 경우와 같이 촉진확산임. 이후 단당류처럼 림프관을 거쳐 간문맥(poral vein)을 통해 간으로 수송된 후 체순환에 들어감. 탄수화물과 마찬가지로 단백질의 소화와 흡수도 소장상부에서 거의 완결됨. 그러나 미량의 단백질은 소화되지 않은 채 음세포작용에 의해 소장의 상피세포로 들어가고 토세포(exocytosis)작용에 의해 상피세로를 떠나는 것으로 추정됨. 모유로 분비된 면역글로불린이 영아의 소장에서 흡수되는 것은 영아가 수동적으로 면역력을 획득하는 긍정적인 의미를 가짐. 

그러나 알레르겐이 흡수되어 알레르기 반응이 발생하는 상황은 단백질 흡수의 부정적인 면임. 

참고) 3가지 endocytosis - phagocytosis, pinocytosis, receptor mediated endocytosis

Phagocytosis

Phagocytosis ("cell eating") results in the ingestion of particulate matter (e.g., bacteria) from the ECF. The endosome is so large that it is called a phagosome or vacuole. Phagocytosis occurs only in certain specialized cells (e.g., neutrophils, macrophages, the amoeba) and occurs sporadically.

Figure 3.24.2$\mathbf{3.24.}\mathbf{2}$: guinea pig Phagocyte courtesy of Dr. Robert J. North

This electron micrograph shows a guinea pig phagocyte ingesting polystyrene beads. Several beads are already enclosed in phagosomes while the others are in the process of being engulfed. In due course, phagosomes deliver their contents to lysosomes. The membranes of the two organelles fuse. Once inside the lysosome, the contents of the phagosome, e.g. ingested bacteria, are destroyed by the degradative enzymes of the lysosome.

Pinocytosis

In pinocytosis ("cell drinking"), the drop engulfed is relatively small (Figure 3.24.1$\mathrm{3.24.}1$). Pinocytosis occurs in almost all cells and continuously.

Figure 3.24.3$\mathbf{3.24.}\mathbf{3}$: Pinocytosis courtesy Fawcett, The Cell: Its Organelles and Inclusions, W. B. Saunders Co., 1966

This electron micrograph shows a section of the wall of a capillary (the smallest of the blood vessels). On the right is the interior or lumen of the capillary. In the middle is the tissue space separating the capillary wall from a nearby muscle cell (left). The small inpocketings of the plasma membrane are clearly seen (arrows). Most of these are open to the tissue space but some can also be seen on the other side of the cell apparently engulfing fluid from within the capillary. Perhaps most of the vesicles facing the tissue space are not taking up material by endocytosis but are instead discharging material by exocytosis. If so, the pinocytic vesicles formed at one surface of the cell may, after being detached, move through the cell to the opposite surface and there discharge their contents. In this way materials can be moved efficiently through the capillary wall. The pinocytosis vesicles in this image represent a subtype called caveolae. In addition to their function in endo- and exocytosis, they also can serve as a reservoir of plasma membrane. When a cell expands (e.g., by osmotic swelling) or is stretched, the caveolae flatten out providing more plasma membrane.

A cell sipping away at the ECF by pinocytosis acquires a representative sample of the molecules and ions dissolved in the ECF. But cells also have a much more elegant method for picking up critical components of the ECF that may be in scant supply as we shall now see.

Receptor-Mediated Endocytosis

Some of the integral membrane proteins that a cell displays at its surface are receptors for particular components of the ECF (Figure 3.24.1𝑐$\mathrm{3.24.}1c$). For example, iron is transported in the blood complexed to a protein called transferrin. Cells have receptors for transferrin on their surface. When these receptors encounter a molecule of transferrin, they bind tightly to it. The complex of transferrin and its receptor is then engulfed by endocytosis. Ultimately, the iron is released into the cytosol. The strong affinity of the transferrin receptor for transferrin (its ligand) ensures that the cell will get all the iron it needs even if transferrin represents only a small fraction of the protein molecules present in the ECF. Receptor-mediated endocytosis is many thousand times more efficient than simple pinocytosis in enabling the cell to acquire the macromolecules it needs.

Low-Density Lipoprotein (LDL) Receptor

Cells take up cholesterol by receptor-mediated endocytosis. Cholesterol is an essential component of all cell membranes. Most cells can, as needed, either synthesize cholesterol or acquire it from the ECF. Human cells get much of their cholesterol from the liver and, if your diet is not strictly "100% cholesterol-free", by absorption from the intestine.

Cholesterol is a hydrophobic molecule and quite insoluble in water. Thus it cannot pass from the liver and/or the intestine to the cells simply dissolved in blood and ECF. Instead it is carried in tiny droplets of lipoprotein. The most abundant cholesterol carriers in humans are the low-density lipoproteins or LDLs.

LDL particles are spheres covered with a single layer of phospholipid molecules with their hydrophilic heads exposed to the watery fluid (e.g., blood) and their hydrophobic tails directed into the interior. Some 1,500 molecules of cholesterol (each bound to a fatty acid) occupy the hydrophobic interior of LDL particles. One molecule of a protein called apolipoprotein B (apoB) is exposed at the surface of each LDL particle.

Figure 3.24.4$\mathbf{3.24.}\mathbf{4}$: LDL Receptor

The first step in acquiring LDL particles is for them to bind to LDL receptors exposed at the cell surface. These transmembrane proteins have a site that recognizes and binds to the apolipoprotein B on the surface of the LDL. The portion of the plasma membrane with bound LDL is internalized by endocytosis. A drop in the pH (from ~7 to ~5) causes the LDL to separate from its receptor. The vesicle then pinches apart into two smaller vesicles: one containing free LDLs; the other containing now-empty receptors. The vesicle with the LDLs fuses with a lysosome to form a secondary lysosome. The enzymes of the lysosome then release free cholesterol into the cytosol. The vesicle with unoccupied receptors returns to and fuses with the plasma membrane, turning inside out as it does so (exocytosis). In this way the LDL receptors are returned to the cell surface for reuse.

People who inherit two defective (mutant) genes for the LDL receptor have receptors that function poorly or not at all. This creates excessively high levels of LDL in their blood and predisposes them to atherosclerosis and heart attacks. The ailment is called familial (because it is inherited) hypercholesterolemia.

Mutations in APOB, the apoB gene, cause another form of inherited hypercholesterolemia.

Other small hydrophobic molecules are also transported in the blood while bound to soluble proteins:

• the retinoid vitamin A (retinol) bound to the retinol-binding protein
• the steroids
  • 25[OH] vitamin D3 bound to the vitamin D binding protein
  • cortisol bound to the corticosteroid binding globulin
  • testosterone and estrogens bound to the sex hormone binding globulin

There is growing evidence that, like cholesterol, they are taken into the cell by receptor-mediated endocytosis.

Endocytosis removes portions of the plasma membrane and takes them inside the cell. To keep in balance, membrane must be returned to the plasma membrane. This occurs by exocytosis.

3. 지질의 소화흡수

음식물에 함유된 지질은 대체로 불용성이어서 지질의 흡수는 탄수화물이나 단백질과는 다름. 소장내강에서 지질의 소화산물인 모노글리세리드, 글리세롤, 지방산 및 리소레시틴은 담즙산염과 레시틴 또는 콜레스테롤과 함께 혼합 미셸을 형성함. 이 혼합 미셸은 소장상피세포의 브러시보더로 이동해 수동확산으로 세포막을 통과함. 

소장의 상피세포에서는 이들 흡수된 모노글리세리드, 글리세롤, 지방산 등을 이용해 중성지방과 인지질이 재합성됨. 재합성된 중성지방, 인지질, 콜레스테롤은 단백질과 결합하여 킬로미크론이라고 불리는 지단백질을 형성함. 킬로미크론은 토세포작용에 의해 상피세포를 떠난 후 단당류나 아미노산이 모세혈관으로 들어가는 것과는 달리 유미관으로 들어가 림프계로 수송되어 흉관을 통해 체순환으로 들어감. 

Fig. 1. Schematic model of neutral lipid distribution and trafficking in enterocytes, with a focus on chylomicron (CM) and cytosolic lipid droplets (LDs) biogenesis, fate, and functions. 

Triglycerides (TG), the main dietary lipid, are hydrolyzed in the lumen of the jejunum into fatty acids (FA) and 2-monoacylglycerols (2-MG), which are taken up by enterocytes and metabolized into TG at the endoplasmic reticulum (ER) membrane. The newly synthesized TGs accumulate between the two leaflets of the ER phospholipid (PL) membrane. A nascent LD buds off the ER in the ER lumen and fuses with an apoB48/PL-rich particle to form a CM that will traffic along the Golgi apparatus and will be secreted at the basal pole of enterocytes to provide lipids to the body. 

Microsomal triglyceride transfer protein (MTP) is required for CM assembly. After an acute dietary lipid load, the nascent LDs also bud off the ER in the cytosol for transient lipid storage. They will be mobilized between meals for CM formation through hydrolysis/re-esterification and/or autophagy. Additional potential functions of cytosolic LDs in enterocytes are indicated.

4. 비타민 흡수

수용성 비타민은 주로 공장에서 물과 함께 흡수되는데 종류에 따라 흡수기전이 다름. 

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Intestinal Absorption of Water-Soluble Vitamins.pdf

1) 티아민(비타민 B1) 

주로 수동확산으로 흡수되나 장관내의 농도가 낮을때는 능동수송으로 운반됨. 

Absorption

Thiamine is released by the action of phosphatase and pyrophosphatase in the upper small intestine. At low concentrations, the process is carrier-mediated. At higher concentrations, absorption also occurs via passive diffusion. Active transport is greatest in the jejunum and ileum, but it can be inhibited by alcohol consumption or by folate deficiency.^[12] Decline in thiamine absorption occurs at intakes above 5 mg/day.^[40] On the serosal side of the intestine, discharge of the vitamin by those cells is dependent on Na⁺-dependent ATPase.

Bound to serum proteins[edit]

The majority of thiamine in serum is bound to proteins, mainly albumin. Approximately 90% of total thiamine in blood is in erythrocytes. A specific binding protein called thiamine-binding protein (TBP) has been identified in rat serum and is believed to be a hormone-regulated carrier protein important for tissue distribution of thiamine.^[13]

Cellular uptake[edit]

Uptake of thiamine by cells of the blood and other tissues occurs via active transport and passive diffusion.^[12] About 80% of intracellular thiamine is phosphorylated and most is bound to proteins. Two members of the SLC gene family of transporter proteins, SLC19A2 and SLC19A3, are capable of the thiamine transport.^[20] In some tissues, thiamine uptake and secretion appears to be mediated by a soluble thiamine transporter that is dependent on Na⁺ and a transcellular proton gradient.^[13]

Tissue distribution[edit]

Human storage of thiamine is about 25 to 30 mg, with the greatest concentrations in skeletal muscle, heart, brain, liver, and kidneys. ThMP and free (unphosphorylated) thiamine is present in plasma, milk, cerebrospinal fluid, and, it is presumed, all extracellular fluid. Unlike the highly phosphorylated forms of thiamine, ThMP and free thiamine are capable of crossing cell membranes. Calcium and Magnesium have been shown to affect the distribution of thiamine in the body and Magnesium deficiency has been shown to aggravate thiamine deficiency.^[20] Thiamine contents in human tissues are less than those of other species.^[13][41]

Excretion[edit]

Thiamine and its acid metabolites (2-methyl-4-amino-5-pyrimidine carboxylic acid, 4-methyl-thiazole-5-acetic acid, and thiamine acetic acid) are excreted principally in the urine.

2) 리보플라빈(vitamin B2)과 판토텐산, 비타민 B9(엽산)

능동수송으로 흡수

리보플라빈 transport의 functional genomics.pdf

FIGURE 4.5 Schematic representation of riboflavin absorption mediated by its tissue-specific transporters. Riboflavin taken up by the intestine via apically expressed RFVT3 and basolaterally expressed RFVT1 and RFVT2 is converted to FMN by RFK. FMN is adenylated by FLAD1 to form FAD and finally excreted out through the FADT. In the intestine, RFVT2 is expressed in only meager amounts. Similarly, RFVT2-mediated transport in the brain is elucidated. FAD, flavin adenine dinucleotide; FADT, FAD transporter; FLAD1, flavin adenine dinucleotide synthase; FMN, flavin mononucleotide; Phtase, phosphatase; RF, riboflavin; RFK, riboflavin kinase; RFVT, riboflavin transporter.

 엽산의 능동수송 흡수기전

3) 비타민 B6(피리독신) - 수동확산

4) 비타민 B3(나이아신) 

수동확산으로 흡수되지만 농도가 낮은 경우에는 촉진확산으로 

5) 비타민 B12(코발라민)

흡수가 특이함. 위에서 분비되는 내적인자(intrinsic factor=glycoprotein)와 결합한 상태로 회장말단에 존재하는 특수 운반체에 의해 수송됨. 

6) 지용성 비타민(Vitamin A, D, E, K)

소화관내에서 지질의 소화산물과 함께 미셸 내부에 포함되어 운반되며 지질처럼 수동확산에 의해 흡수됨.

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Abstract

Vitamin A deficiency is a public health problem in most developing countries, especially in children and pregnant women. It is thus a priority in health policy to improve preformed vitamin A and/or provitamin A carotenoid status in these individuals. A more accurate understanding of the molecular mechanisms of intestinal vitamin A absorption is a key step in this direction. It was long thought that β-carotene (the main provitamin A carotenoid in human diet), and thus all carotenoids, were absorbed by a passive diffusion process, and that preformed vitamin A (retinol) absorption occurred via an unidentified energy-dependent transporter. The discovery of proteins able to facilitate carotenoid uptake and secretion by the enterocyte during the past decade has challenged established assumptions, and the elucidation of the mechanisms of retinol intestinal absorption is in progress. After an overview of vitamin A and carotenoid fate during gastro-duodenal digestion, our focus will be directed to the putative or identified proteins participating in the intestinal membrane and cellular transport of vitamin A and carotenoids across the enterocyte (i.e

Absorption of Vitamin A and Carotenoids by the Enterocyte: Focus on Transport Proteins

Emmanuelle Reboul^1,2,3

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Abstract

Vitamin A deficiency is a public health problem in most developing countries, especially in children and pregnant women. It is thus a priority in health policy to improve preformed vitamin A and/or provitamin A carotenoid status in these individuals. A more accurate understanding of the molecular mechanisms of intestinal vitamin A absorption is a key step in this direction. It was long thought that β-carotene (the main provitamin A carotenoid in human diet), and thus all carotenoids, were absorbed by a passive diffusion process, and that preformed vitamin A (retinol) absorption occurred via an unidentified energy-dependent transporter. The discovery of proteins able to facilitate carotenoid uptake and secretion by the enterocyte during the past decade has challenged established assumptions, and the elucidation of the mechanisms of retinol intestinal absorption is in progress. After an overview of vitamin A and carotenoid fate during gastro-duodenal digestion, our focus will be directed to the putative or identified proteins participating in the intestinal membrane and cellular transport of vitamin A and carotenoids across the enterocyte (i.e., Scavenger Receptors or Cellular Retinol Binding Proteins, among others). Further progress in the identification of the proteins involved in intestinal transport of vitamin A and carotenoids across the enterocyte is of major importance for optimizing their bioavailability.

Proteins involved in uptake, transport and secretion pathways of vitamin A and carotenoids across the enterocyte.

Vit = vitamin; βC = β-carotene; αC = α-carotene, βC = β-cryptoxanthine, Lut = lutein; Lyc = lycopene; Car = carotenoids; A = retinol putative specific transporter; B = unidentified apical transporter; C = passive diffusion; D = unidentified basolateral efflux transporter; ? = putative pathway. Carotenoids are captured from mixed micelles by apical membrane transporters: SR-BI, CD36 and NPC1L1. Apical membrane proteins involved in apical uptake of retinol have not yet been identified. A fraction of vitamin A and carotenoids may then be effluxed back to the intestinal lumen via apical membrane transporters (SR-BI and possibly other transporters). Another fraction is transported to the site where they are incorporated into chylomicrons. Some proteins may be involved in intracellular transport of carotenoids, but none has been clearly identified. Conversely, CRBPII has clearly been described as involved in intracellular transport retinol. Retinyl esters and carotenoids are secreted in the lymph into chylomicrons, while a part of the more polar metabolites may be secreted by the portal route. It is suggested that free retinol can also be secreted at the basolateral side via ABCA1 (apoAI pathway).

5. 무기질의 흡수

대부분의 무기질은 수동확산에 의해서 흡수되나 철과 칼슘을 비롯한 일부 무기질은 능동수송(active transport)에 의해 소장상피로 들어감. 철과 칼슘 등 일부 무기질은 흡수단계에서 체내필요량에 따라 흡수율이 조절됨.

1) 철(iron)

다른 영양소와 마찬가지로 소장내강으로부터 상피세포로 들어가는 단계와 상피세포를 떠나 융모내에 있는 모세혈관으로 들어가는 단계를 거쳐 흡수됨. 첫단계는 능동수송에 의해 이루어짐. 

여성은 남성보다 철운반체가 많음. 환원형의 2가 철(Fe2+)는 산화형의 3가 철(Fe3+)보다 쉽게 흡수됨. 철의 흡수는 여러 인자가 영향을 미침. 비타민 C는 3가철을 2가철로 환원시켜 철의 흡수촉진. 인산염(phosphate)이나 수산염(oxalate)은 철과 결합해 불용성 염을 형성하여 철흡수 저해함. 

참고) 인산염(燐酸鹽, phosphate)

인산의 염을 가리키는 무기 화합물이다. 하나의 인과 4개의 산소로 구성된 다원자 이온 또는 근본 물질에서 형성된 물질이다. 인산 이온(phosphate ion)은 −3 값의 전하를 가지고 PO₄^3-로 써서 나타낸다. 다시 말해 인산에 있는 수소 이온을 금속 이온 따위의 양이온으로 치환한 염을 가리킨다. 인산염을 이용하면 농업과 공업에 쓰이는 인을 얻을 수 있고, 식품 첨가물로도 사용된다.

참고) 수산염(oxalate)

Oxalate (IUPAC: ethanedioate) is the dianion with the formula C
2O2−
4, also written (COO)2−
2. Either name is often used for derivatives, such as salts of oxalic acid, for example sodium oxalate Na₂C₂O₄, or dimethyl oxalate ((CH₃)₂C₂O₄). Oxalate also forms coordination compounds where it is sometimes abbreviated as ox.

Many metal ions form insoluble precipitates with oxalate, a prominent example being calcium oxalate, the primary constituent of the most common kind of kidney stones.

둘째 흡수단계는 체내의 철 필요량에 의해 철의 흡수율이 조정됨. 적혈구 생성 등 즉시 필요한 철은 바로 상피세포를 떠나 3가철이 되어 혈액에서 트랜스페린이라는 운반단백질과 결합해 수송됨. 즉시 필요하지 않은 철은 3가철이 되어 상피세포 내 단백질인 페리틴과 결합해 과립형태로 저장됨. 철이 필요할때면 철을 유리해 내고 그렇지 않으면 상피세포가 수명을 다해 소장내강으로 탈락될때 대변으로 소실됨. 페리틴은 철저장기능을 통해 철의 결핍과 과잉 상태사이에서 완충작용을 함.

Ferritin is a universal intracellular protein that stores iron and releases it in a controlled fashion. The protein is produced by almost all living organisms, including archaea, bacteria, algae, higher plants, and animals. In humans, it acts as a buffer against iron deficiency and iron overload.^[3] Ferritin is found in most tissues as a cytosolic protein, but small amounts are secreted into the serum where it functions as an iron carrier. Plasma ferritin is also an indirect marker of the total amount of iron stored in the body; hence, serum ferritin is used as a diagnostic test for iron-deficiency anemia.^[4]

Ferritin is a globular protein complex consisting of 24 protein subunits forming a nanocage with multiple metal–protein interactions.^[5] It is the primary intracellular iron-storage protein in both prokaryotes and eukaryotes, keeping iron in a soluble and non-toxic form. Ferritin that is not combined with iron is called apoferritin.

Abstract

Iron is an essential element for human development. It is a major requirement for cellular processes such as oxygen transport, energy metabolism, neurotransmitter synthesis, and myelin synthesis. Despite its crucial role in these processes, iron in the ferric form can also produce toxic reactive oxygen species. The duality of iron’s function highlights the importance of maintaining a strict balance of iron levels in the body. As a result, organisms have developed elegant mechanisms of iron uptake, transport, and storage. This review will focus on the mechanisms that have evolved at physiological barriers, such as the intestine, the placenta, and the blood–brain barrier (BBB), where iron must be transported. Much has been written about the processes for iron transport across the intestine and the placenta, but less is known about iron transport mechanisms at the BBB. In this review, we compare the established pathways at the intestine and the placenta as well as describe what is currently known about iron transport at the BBB and how brain iron uptake correlates with processes at these other physiological barriers.

Schematic of intestinal iron transport. Briefly, the primary mechanism by which iron is taken up by the enterocyte is through DMT-1 on the luminal membrane after reduction by Dyctb. Iron has also been suggested to be transported as heme through HCP1 and as ferritin, but these mechanisms are controversial (heme) or less investigated (ferritin). Once in the intracellular labile iron pool, the iron can be stored in ferritin or exported into the body circulation through ferroportin. The ferroxidase, hephaestin, converts the ferrous iron that is released to ferric iron for use by transferrin

Schematic of brain iron uptake. The process by which iron crosses the BBB has recently been modeled (Simpson et al. 2015). Route 1 represents the currently accepted paradigm of the endothelial cell as a passive conduit in which transferrin binds to its receptor on the luminal membrane, traverses the cell and is deposited into the brain. Route 2 represents the more realistic and data-based model in which transferrin is endocytosed after binding to transferrin receptor. The iron is then released by transferrin within the endosome and transported into the cytoplasm through DMT-1. The intracellular iron can be stored in ferritin or it can be released into the brain through ferroportin. This model accounts for the iron needs of the endothelial cells. Route 3 depicts a potential mechanism by which ferritin can transport iron across the BBB. The possibility of this mechanism has been demonstrated, but further study is required to better understand it

2) 칼슘

칼슘은 소화관내에서 지방산과 결합하여 불용성 상태가 되지만 담즙산염의 작용으로 흡수가능함. 칼슘은 수동확산으로도 흡수되지만 대부분은 비타민D에 의해 촉진되는 능동수송으로 흡수됨. 칼슘도 철과 마찬가지로 체내의 칼슘필요량에 의해 흡수율이 조절됨.

6. 물과 전해질의 흡수

물과 전해질은 소장에서 가장 많이 흡수됨. 이는 소장 상피세포의 세포막이 물에 대해 높은 투과성을 가지고 있기 때문임. 

음식물(음용수) 2.5L

타액 1.5L

위액 2L

소장액 1.5L

췌장액 1.5L

담즙 0.5L

총 9.5L의 물이 소장으로 유입됨. 

이중 9L는 소장에서 흡수되고 0.5L는 대장으로 넘어가 150mL를 제외한 나머지 물이 대장에서 흡수됨. 

나트륨과 칼륨이온은 소화관 내에 가장 높은 농도로 존재하는 전해질이며 나트륨-칼륨 펌프에 의해 대부분은 소장에서 흡수되고 일부는 대장에서 능동수송으로 흡수됨.