Lipase reaction at interfaces as self-limiting processes

Lipases are lipolytic enzymes that play a key role in fat metabolism. They are catalysts for the hydrolysis of triacylglycerides, which contribute for major portion of calories to our daily diets. Due to the apolar nature of oils and fats, the oil–water interface is where the control of lipolytic conversion and finally digestion takes place. It might come as a surprise that despite past efforts the interfacial behaviour of lipases is not completely understood. We have undertaken a detailed study of the interfacial behaviour of lipases, their substrates and the products. Our results demonstrate that lipase activity is a function of interfacial composition and changes concurrently with lipolytic conversion. In these cases lipase “inhibition” should be attributed to substrate depletion and not to lipase desorption or denaturation as previously hypothesized. This self-limiting effect through the feedback of interfacial composition to the reaction conditions of the enzyme may open a new way to control lipase catalysis through the interface. To prove our point, we appreciably reduced oil hydrolysis in a model gastro-intestinal system by interfacial engineering of the oil. We anticipate that our findings can contribute in finding new approaches for controlling fat metabolism, which is central to health threats like obesity and diabetes mellitus II and important for the regulation of energy metabolism in general.

RésuméLes lipases sont des enzymes lypolytiques jouant un rôle clé dans le métabolisme des graisses [R. Schmid, R. Verger, Angew. Chem., Int. Ed. 37 (1998) 1608]. Ce sont des catalyseurs de l'hydrolyse des triglycerides, lesquels contribuent pour une grande part à notre apport calorique quotidien [J. Walker, S. Roberts, K. Halmi, S. Goldberg, Am. J. Clin. Nutr. 32 (1979) 1396]. En raison de la nature apolaire des graisses et des huiles, c'est à l'interface eau-huile qu'a lieu la conversion lipolytique et donc la digestion. Il apparaît surprenant que, malgré les efforts passés, le comportement interfacial des lipases ne soit complètement élucidé. Nous avons entrepris une étude détaillée du comportement interfacial des lipases, de leurs substrats et de leurs produits. Nos résultats démontrent que l'activité des lipases est en relation directe avec la composition de l'interface qui va évoluer au cours de la conversion lipolytique. Ainsi, la perte d'activités des lipases pourrait être due à un appauvrissement en substrat dans le milieu et non à une désorption ou à une dénaturation des enzymes, comme cela a pu être suggéré précédemment [R. Verger, Trends Biotechnol. 15 (1997) 32]. Cet effet d'autorégulation du fonctionnement de l'enzyme, grâce à la modification de la composition de l'interface, ouvre de nouvelles perspectives de contrôle de l'activité des lipases. Pour prouver notre hypothèse, nous avons sensiblement réduit l'hydrolyse d'huiles dans un système gastro-intestinal modèle dont la composition de l'interface était contrôlée. Nos conclusions pourraient fournir une nouvelle approche pour le contrôle du métabolisme des graisses, qui joue un rôle central dans des problèmes de santé tels que l'obésité, et les diabètes mellitus II (type II) [M. Furuhashi, G. Tuncman, C. Görgün, L. Makowski, G. Atsumi, E. Vaillancourt, K. Kono, V. Babaev, S. Fazio, M. Linton, R. Sulsky, J. Robl, R. Parker, G. Hotamisligil, Nature 447 (2007) 959], et est de première importance dans la régulation du métabolisme énergétique en général [H. Stam, W.C. Hülsmann, Eur. Heart J. 6 (1985) 158].