大腸細菌発酵と短鎖脂肪酸

大腸細菌発酵とは、小腸での消化吸収を免れた食事性炭水化物や難消化性でんぷんが、大腸に常在する密な微生物叢によって嫌気的に分解される過程です。主な生成物は、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった短鎖脂肪酸であり、これらは腸管内腔を酸性化し、大腸上皮細胞および宿主にエネルギーを供給し、シグナル伝達分子として機能します。

Definition

大腸細菌発酵とは、大腸内で未消化の炭水化物が微生物によって嫌気的に代謝され、短鎖脂肪酸（主に酢酸、プロピオン酸、酪酸）とガスが生成される過程です。

Scope

このトピックでは、大腸発酵に関与する基質と微生物群集、主要な短鎖脂肪酸の生成と概算比率、それらの吸収と代謝運命、および大腸上皮細胞の主要なエネルギー源としての酪酸の役割について扱います。これは正常な生理機能に関する参考資料です。

Core questions

• どの食事性基質が大腸に到達し、そこで発酵されるのでしょうか？
• どのような短鎖脂肪酸が、おおよそどのような比率で生成されるのでしょうか？
• 短鎖脂肪酸は宿主によってどのように吸収され、代謝されるのでしょうか？
• 酪酸が大腸上皮にとって特に重要であるのはなぜでしょうか？

Key concepts

• 基質としての難消化性でんぷんと非でんぷん性多糖類
• 嫌気性糖分解発酵
• 酢酸、プロピオン酸、酪酸
• 主要な短鎖脂肪酸のおおよそ60:20:20のモル比
• 大腸上皮細胞の優先的なエネルギー源としての酪酸
• 短鎖脂肪酸による腸管内腔の酸性化
• 短鎖脂肪酸センサーとしての遊離脂肪酸受容体（FFAR2/FFAR3）
• 吸収された短鎖脂肪酸の肝臓および末梢での代謝

Mechanisms

小腸で消化されなかった食事性炭水化物（難消化性でんぷん、非でんぷん性多糖類、一部のオリゴ糖）は大腸に到達し、そこで嫌気性微生物叢によって発酵されます。主要な最終生成物は、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった短鎖脂肪酸であり、これらは通常、約60:20:20のモル比で存在し、水素、二酸化炭素、そして一部の個人ではメタンガスも生成されます。基質が最も豊富な近位結腸で濃度が最も高く、基質が消費されるにつれて遠位結腸では減少します。これらの酸は主に大腸上皮を介して吸収されます。酪酸は大腸上皮細胞によって優先的に取り込まれ、主要なエネルギー源として酸化されます。一方、酢酸とプロピオン酸は門脈血に入り、プロピオン酸は主に肝臓で除去され、酢酸は末梢循環に到達します（Cummings et al., 1987; Bergman, 1990）。カロリー貢献に加えて、短鎖脂肪酸は腸管内腔のpHを低下させ、遊離脂肪酸受容体や他の経路を介してシグナル伝達分子として機能します（den Besten et al., 2013; Koh et al., 2016）。

Clinical relevance

発酵と短鎖脂肪酸の生成は、食物繊維摂取、腸内微生物叢、および大腸上皮のエネルギー供給を結びつけ、食物繊維とマイクロバイオームへの関心の生理学的背景を形成しています。この項目は正常な生理機能について記述しており、個別の食事処方や治療の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

ここに要約されている短鎖脂肪酸の量と代謝運命は、大腸内容物および門脈血中の短鎖脂肪酸のヒトでの測定（Cummings et al., 1987）と、生理学的および生化学的レビュー（Bergman, 1990; den Besten et al., 2013; Koh et al., 2016）に基づいています。この正常生理学のトピックに関して、臨床診療ガイドラインは引用されていません。

History

ヒトの大腸が短鎖脂肪酸を生成する発酵器官であるという認識は、揮発性脂肪酸のエネルギー論に関する比較研究（Bergman, 1990）に基づいて、Cummingsらが1987年にヒトの大腸内容物、門脈、肝静脈、および静脈血を測定したことで確立されました。その後のレビューでは、これらの知見が腸内微生物叢と宿主シグナル伝達と統合されました（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

短鎖脂肪酸とは何ですか、またどこから来るのですか？

短鎖脂肪酸とは、主に酢酸、プロピオン酸、酪酸といった小さな有機酸であり、小腸で吸収されなかった食事性炭水化物や難消化性でんぷんを大腸細菌が発酵する際に生成されます。

酪酸が大腸にとって重要だと考えられているのはなぜですか？

酪酸は、大腸の内壁を覆う細胞である大腸上皮細胞の優先的なエネルギー源であり、大腸上皮細胞はグルコースよりも酪酸を優先的に取り込み酸化します。酪酸は細菌発酵の主要な生成物の一つです。