Bakterielle Fermentation im Kolon und kurzkettige Fettsäuren

Die bakterielle Fermentation im Kolon ist der anaerobe Abbau von Ballaststoffen und resistenter Stärke, die der Verdauung und Absorption im Dünndarm entgangen sind, durch die dichte residente Mikrobiota des Dickdarms. Die Hauptprodukte sind die kurzkettigen Fettsäuren Acetat, Propionat und Butyrat, die das Lumen ansäuern, den Kolonozyten und dem Wirt Energie liefern und als Signalmoleküle wirken.

Definition

Die bakterielle Fermentation im Kolon ist der mikrobielle anaerobe Metabolismus unverdauter Kohlenhydrate im Dickdarm, der kurzkettige Fettsäuren (hauptsächlich Acetat, Propionat und Butyrat) zusammen mit Gasen erzeugt.

Scope

Dieses Thema behandelt die Substrate und mikrobiellen Gemeinschaften, die an der Kolonfermentation beteiligt sind, die Produktion und die ungefähren Anteile der wichtigsten kurzkettigen Fettsäuren, deren Absorption und metabolische Schicksale sowie die Rolle von Butyrat als primärer Brennstoff für Kolonozyten. Es handelt sich um Referenzmaterial zur normalen Physiologie.

Core questions

• Welche diätetischen Substrate erreichen den Dickdarm und werden dort fermentiert?
• Welche kurzkettigen Fettsäuren werden produziert und in welchen ungefähren Anteilen?
• Wie werden kurzkettige Fettsäuren vom Wirt absorbiert und metabolisiert?
• Warum ist Butyrat besonders wichtig für das Kolonepithel?

Key concepts

• Resistente Stärke und Nicht-Stärke-Polysaccharide als Substrate
• Anaerobe saccharolytische Fermentation
• Acetat, Propionat und Butyrat
• Ungefähres molares Verhältnis von 60:20:20 der wichtigsten SCFAs
• Butyrat als bevorzugte Energiequelle der Kolonozyten
• Luminale Ansäuerung durch SCFAs
• Freie Fettsäure-Rezeptoren (FFAR2/FFAR3) als SCFA-Sensoren
• Hepatische und periphere Metabolisierung absorbierter SCFAs

Mechanisms

Nahrungskohlenhydrate, die im Dünndarm nicht verdaut werden – resistente Stärke, Nicht-Stärke-Polysaccharide und einige Oligosaccharide – erreichen den Dickdarm, wo die anaerobe Mikrobiota sie fermentiert. Die dominanten Endprodukte sind die kurzkettigen Fettsäuren Acetat, Propionat und Butyrat, die typischerweise in einem molaren Verhältnis von etwa 60:20:20 vorliegen, zusammen mit den Gasen Wasserstoff, Kohlendioxid und bei einigen Individuen Methan. Die Konzentrationen sind im proximalen Kolon am höchsten, wo das Substrat am reichlichsten vorhanden ist, und nehmen distal ab, wenn das Substrat verbraucht wird. Die Säuren werden größtenteils über das Kolonepithel resorbiert; Butyrat wird bevorzugt von den Kolonozyten als deren Hauptenergiequelle aufgenommen und oxidiert, während Acetat und Propionat in das Pfortaderblut gelangen, wo Propionat größtenteils von der Leber eliminiert wird und Acetat den peripheren Kreislauf erreicht (Cummings et al., 1987; Bergman, 1990). Über ihren Kalorienbeitrag hinaus senken kurzkettige Fettsäuren den luminalen pH-Wert und wirken als Signalmoleküle über freie Fettsäure-Rezeptoren und andere Signalwege (den Besten et al., 2013; Koh et al., 2016).

Clinical relevance

Fermentation und die Produktion kurzkettiger Fettsäuren verbinden die Aufnahme von Ballaststoffen, die Darmmikrobiota und die Energieversorgung des Kolonepithels und bilden den physiologischen Hintergrund für das Interesse an Ballaststoffen und dem Mikrobiom. Dieser Eintrag beschreibt die normale Physiologie und ist keine Grundlage für individuelle Ernährungsvorschriften oder Behandlungen.

Evidence & guidelines

Die hier zusammengefassten Mengen und metabolischen Schicksale stammen aus menschlichen Messungen von kurzkettigen Fettsäuren im Koloninhalt und Pfortaderblut (Cummings et al., 1987) sowie aus physiologischen und biochemischen Übersichten (Bergman, 1990; den Besten et al., 2013; Koh et al., 2016); für dieses Thema der normalen Physiologie wird keine klinische Leitlinie herangezogen.

History

Die Erkenntnis, dass der menschliche Dickdarm ein fermentatives Organ ist, das kurzkettige Fettsäuren produziert, wurde durch die Messungen von Cummings und Kollegen aus dem Jahr 1987 an menschlichen Koloninhalten sowie Pfortader-, Leber- und Venenblut gefestigt, aufbauend auf vergleichenden Arbeiten zur Energetik flüchtiger Fettsäuren (Bergman, 1990). Spätere Übersichten integrierten diese Erkenntnisse mit der Darmmikrobiota und der Wirtssignalübertragung (den Besten et al., 2013; Koh et al., 2016).

Key figures

• John H. Cummings
• George T. Macfarlane
• E. N. Bergman
• Fredrik Bäckhed

Seminal works

• cummings-1987
• bergman-1990
• koh-2016

Frequently asked questions

Was sind kurzkettige Fettsäuren und woher stammen sie?

Es sind kleine organische Säuren – hauptsächlich Acetat, Propionat und Butyrat –, die entstehen, wenn Darmbakterien diätetische Kohlenhydrate und resistente Stärke fermentieren, die im Dünndarm nicht resorbiert wurden.

Warum wird Butyrat als wichtig für den Dickdarm angesehen?

Butyrat ist die bevorzugte Energiequelle der Kolonozyten, der Zellen, die den Dickdarm auskleiden, welche es bevorzugt gegenüber Glukose aufnehmen und oxidieren; es ist eines der Hauptprodukte der bakteriellen Fermentation.