Resorption von Energieträgern: Quantität vs. Qualität

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1 Resorption von Energieträgern: Quantität vs. Qualität Veterinärmedizinische Fakultät Leipzig Gotthold Gäbel Veterinär- Physiologisches Institut Hülsenberger

2 Kohlenhydratverdauung Stärke Mikroorg. ATP Gluconeogenese Lipogenese SCFA Hülsenberger Pankreas ATP Saccharide Lipogenese

3 Energiebilanz Kuh Stärke Ruminale Fermentation Energiebilanz (kj/gglucose) Glucose 15,7 Energieverluste 7,8 Fermentation Gluconeogenese Energiegewinn 7,9 Matthé 2001 SCFA Duodenale Stärke 1,4 kg/tag 2 kg/tag Verdaulichkeit (%) 60% 40% Energiebilanz (kj/g Glucose) Glucose 15,7 15,7 Energieverluste 6,35 8,2 Resorption Fermentation Dickdarm Stärke i. Kot Gluconeogenese aus Dickdarm-SCFA Energiegewinn 9,35 7,5

4 SCFA-Produktion im Vormagen Angaben uneinheitlich abhängig von Methode abhängig von Fütterung Größenordnung 4,4-7,9 Mol SCFA / kg TM = 5,3 9,5 MJ ME / kg TM Rind trockenstehend ~30 Mol SCFA/Tag Rind laktierend (40 kg FCM) > 100 Mol SCFA/Tag, ~ 7kg SCFA

5 SCFA-Clearance im Vormagen (Kuh) TM: 15,8 kg/tag Mikroorg. Sequestrierung?? 59 Mol/Tag = 71 % 24 Mol/Tag = 29 % SCFA Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al Penner et al. 2009

6 Resorption: Einzelschritte SCFA Lumen Aufnahme Epithel Blut Ausschleusung Metabolismus Metaboliten

7 Apikale Aufnahme von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT HCO 3 - HSCFA

8 Acetat-Aufnahme ins Pansenepithel Mucosal (Luminal) ph 7,4 6,1 [HCO 3- ] : 0 mmol/l Acetat Aufnahme 29% 37 C serosaler Inkubationspuffer Puffer 37 C mukosaler Inkubationspuffer Puffer Mucosal (Luminal) ph 7,4 6,1 [HCO 3- ]: 22,5 1,1 mmol/l Ac Gas Lumen Blut Acetat Aufnahme 141% Aschenbach et al. 2009

9 SCFA-Resorption und HCO 3- -Sekretion Saliva CO Hay 81% Concentrate - SCFA ** HCO Resorption mmol. h mmol. h -1 Sekretion SCFA 70 SCFA 0 SCFA 0 SCFA 35 Lac Gäbel et al. 1991

10 Basolaterale Ausschleusung von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT H + SCFA - HCO 3 - HSCFA HSCFA

11 Intraepithelialer SCFA-Metabolismus Lumen Epithel Blut HSCFA SCFA - Metabolismus Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat H + MCT1 MonoCarboxylat Transporter1

12 Intraepithelialer SCFA-Metabolismus Lumen Epithel Blut HSCFA SCFA - Metabolismus Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat H + MCT1 MonoCarboxylat Transporter1

13 Immunohistochemischer Nachweis des MCT1 apical Blut 100 µm Lumen 25 µm basolateral Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat Müller et al MCT1 H +

14 SCFA-Clearance im Vormagen (Kuh) TM: 15,8 kg/tag Fraktionelle Wiederfindung Propionat: 91±2% Butyrat: 18-52% (Kristensen u. Harmon 2006) 59 Mol/Tag 24 Mol/Tag SCFA Net Portal Appearance 48,7 Mol/Tag (Loncke et al. 2009) Hülsenberger Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al Penner et al. 2009

15 SCFA-Transport im Vormagen Bedeutung für Energietransfer Redundante Systeme Undissoziiert und dissoziiert Resorption distal Bedeutung für Pufferung H + -Elimination und HCO 3- - Sekretion Quantitativ größere Bedeutung als Speicheleinstrom (bei gering Rohfaser) Bedeutung für Detoxifizierung Butyrat Bedeutung für endogene Energielieferung Butyrat Spareffekt Nutzung von Glucose, Acetat und Propionat in extraruminalen Geweben Bedeutung für Reaktionsgleichgewichte?

16 Kohlenhydratverdauung Stärke Mikroorg. SCFA Hülsenberger Pankreas

17 Glucoseabsorption im Dünndarm von Monogastriern Glucose Galactose Lumen Epithel Blut Glut2 Glut2 Na + Na + Glucose Galactose SGLT1

18 Adaptationsprozesse im Dünndarm von Monogastriern Lumen Epithel Blut Glucose Galactose Glut2 Glut2 Na + Na + Glucose Galactose SGLT Sweet Taste Rezeptoren

19 Herabregulation des Glucosetransports bei Lämmern Aufnahme (pmol / mg -1 s -1 ) Glucoseaufnahme Dünndarm Alter (Wochen) Shirazi-Beechey et al. 1991

20 Adaptive Hochregulation des Glucosetransportes bei adulten Wiederkäuern Glucose Uptake bis Ileum Anstieg 34 mmol/h alle 3 Tage Glucose Hülsenberger Cant et al. 1999

21 Adaptation von SGLT1 und GLUT2 bei Wiederkäuern Glucosekonzentration im distalen Jejunum von Ziegen K m SGLT1 porciner Dünndarm: 0,69 mmol/l K m GLUT2 Oocyte 17 mmol/l SGLT1-Expression (Protein und mrna) Wirkungen von abomasaler/duodenaler/jejunaler Stärke/Glucose uneinheitlich Glucosetransport im Wenn Wirkungen, dann stark Jejunum lokalisationsabhängig von Ziegen GLUT2-Expression Wolffram 1986, Thorens 1996 Keine Erhöhung der jejunalen mrna bei abomasaler Stärkeinfusion (Liao 2010) Stärkere Expression mrna im Ileum bei abomasaler Stärkeinfusion (Liao 2010) Seitenspezifität? Zurich 2009

22 Glucose-Transport im Dünndarm von Wiederkäuern Limitierungen Stärker als bei SCFA-Resorption (Sättigung, geringe K m ) Stärker als beim Glucosetransport des Monogastriers Geringere funktionelle Breite als beim Monogastrier SGLT1 vorhanden Apikaler GLUT2? Exozytose? Parazelluläre Permeation? Adaptation In geringem Maße eventuell möglich Auf funktioneller Ebene noch nicht eindeutig nachgewiesen Erst in jüngster Zeit relevant geworden Auch der Dickdarm benötigt Energieträger!

23 Acetat-Aufnahme ins Pansenepithel Mucosale (Luminal): ph 7,4 6,1 / HCO 3- -frei Acetat Aufnahme 29% 37 C serosaler Inkubationspuffer Puffer 37 C mukosaler Inkubationspuffer Puffer Mucosal Luminal: ph 7,4 6,1 / HCO 3-22,5 1,1 mmol/l Acetat Aufnahme 141% Aschenbach et al Ac Gas Lumen Blut

24 Energiebilanz Kuh (kj/g Glucose) Ruminale Fermentation Glucose 15,7 Energieverluste 7,8 Fermentation Gluconeogenese Energiegewinn 7,9 Duodenale Stärke 1,4 kg/tag 2 kg/tag Verdaulichkeit 60% 40% Glucose 15,7 15,7 Energieverluste 6,35 8,2 Resoprtion Fermentation Dickdarm Stärkce i. Kot Gluconeogenese Dickdarm SCFA Energiegewinn 9,35 7,5 Matthé 2001: eigene und Literaturdaten

25 Anion exchange mechanisms: Structure AE: PAT: DRA: Anion Exchanger Putative Anion Transport Down Regulated in Adenoma RT-PCR 700bp 500bp Expected molecular size: PAT 1: 705bp AE 2: 199bp DRA: 475bp M PAT1 AE2 DRA Bilk et al., 2005

26 Immunohistochemical detection of MCT1 apical 25 µm 100 µm Lumen basolateral Müller et al., 2002

27 SCFA and MCT1 37 C serosaler Inkubationspuffer Buffer 37 C mukosaler Inkubationspuffer Buffer Ac Ac Gas MCT1 Ac Lumen Side Blood Side Ac Phloretin pcmbs 2 h Incubation Hülsenberger Buffer change

28 Appearance of Radioactivity after ( 14 C-)Acetate Preincubation 37 C serosaler Inkubationspuffer Buffer 37 C mukosaler Inkubationspuffer Buffer * Lumen Side Gas Blood Side Control Phloretin pcmbs Control Phloretin pcmbs Hülsenberger Mucosal (Lumen) Serosal (Blood)

29 SCFA uptake Conclusions: Multifunctional ruminal epithelium High Capacity + Effective Intraruminal buffering HSCFA by diffusion SCFA - by exchange for HCO 3 - ( PAT1, DRA) Prevention of toxic/mitogenic SCFA effects SCFA metabolism in the epithelium, mainly butyrate Metabolite (monocarboxylate) extrusion into blood by MCT1 Protection Prevention of intracellular acidification H + extrusion (NHE/ MCT1) HCO 3- uptake (NBC1) Limits? // Bottleneck proteins?

30 Hier nochmal Folie Übersicht

31 SCFA-Clearance im Vormagen TM: 15,8 kg/tag Mikroorg. Sequestrierung Fraktionelle Wiederfindung Propionat: 91 ± 2 % Butyrat: % (Kristensen u. Harmon 2006) 59 Mol/Tag = 71 % 24 Mol/Tag = 29 % SCFA?? Net Portal Appearance 48,7 Mol/Tag Hülsenberger Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al Penner et al. 2009, Loncke et al NOchmal nachkorrigiertes Bild von oben einblenden

32 Stärke Mikroorg. Energiebilanz Kuh Ruminale F Energi Glu En En SCFA Hülsenberger Pankreas