Ферментация микробиотой клетчатки и продукция короткоцепочечных жирных кислот

Когда ферментируемые пищевые волокна и резистентные углеводы достигают толстого кишечника, анаэробные бактерии кишечника расщепляют их и производят короткоцепочечные жирные кислоты, главным образом ацетат, пропионат и бутират, а также газы. Эта микробная ферментация является центральным биохимическим звеном между неперевариваемыми углеводами и физиологией хозяина.

Definition

Ферментация микробиотой клетчатки — это анаэробный катаболизм неперевариваемых углеводов бактериями толстой кишки, в результате которого образуются короткоцепочечные жирные кислоты (органические кислоты с двумя-шестью атомами углерода, главным образом ацетат, пропионат и бутират) вместе с газами, такими как водород, углекислый газ и метан.

Scope

Тема охватывает, как микробиота толстой кишки ферментирует неперевариваемые углеводы, основные продуцируемые короткоцепочечные жирные кислоты и их приблизительные молярные пропорции, метаболические судьбы этих кислот в колоноцитах и печени, а также последствия низкой доступности клетчатки для микробного сообщества и слизистого барьера. Это механистический обзор в рамках нутриционной биохимии, а не клиническое руководство.

Core questions

• Как бактерии толстой кишки ферментируют клетчатку и какие короткоцепочечные жирные кислоты при этом образуются?
• Каковы метаболические судьбы и сигнальные роли ацетата, пропионата и бутирата?
• Что происходит с микробиотой и слизистым барьером при дефиците ферментируемой клетчатки?

Key concepts

• Анаэробная ферментация
• Ацетат, пропионат, бутират
• Перекрестное питание между микробами
• Бутират как топливо для колоноцитов
• Рецепторы КЦЖК (FFAR2/FFAR3)
• Микробиота, деградирующая слизь

Mechanisms

Сахаролитические анаэробы гидролизуют неперевариваемые углеводы до моносахаридов и ферментируют их через гликолитические и связанные с ними пути в короткоцепочечные жирные кислоты, обычно в соотношении ацетат:пропионат:бутират порядка 60:20:20, при этом перекрестное питание между видами связывает первичных деградаторов с продуцентами бутирата. Бутират является предпочтительным энергетическим субстратом колоноцитов, ацетат и пропионат абсорбируются и достигают печени и периферии, а короткоцепочечные жирные кислоты также действуют как сигнальные молекулы на рецепторах свободных жирных кислот, влияя на высвобождение гормонов кишечника и метаболизм хозяина. Когда ферментируемая клетчатка ограничена, часть микробиоты переключается на деградацию гликопротеинов слизи хозяина, что может приводить к эрозии слизистого барьера толстой кишки в экспериментальных моделях.

Clinical relevance

Короткоцепочечные жирные кислоты являются предметом исследований о том, как диета и микробиом связаны с метаболическим здоровьем и здоровьем кишечника, а путь ферментации объясняет, почему ферментируемая клетчатка физиологически активна. Данная статья обобщает механизмы и экспериментальные данные для справки и не содержит индивидуальных диетических или терапевтических рекомендаций.

Evidence & guidelines

Большая часть механистического понимания получена из систем ферментации in vitro и животных моделей, при этом данные о человеке получены из контролируемых исследований питания и наблюдательных исследований; обзоры предупреждают, что перенос механизмов короткоцепочечных жирных кислот на результаты для здоровья остается активной областью исследований.

History

Понимание того, что толстая кишка является ферментирующим органом, продуцирующим абсорбируемые короткоцепочечные жирные кислоты, развивалось на протяжении второй половины двадцатого века, изменив представление о клетчатке от инертного балласта до активного субстрата для метаболически важной микробной экосистемы. Более поздние работы связали дефицит клетчатки с деградацией слизистого слоя и восприимчивостью к патогенам в контролируемых моделях.

Debates

Насколько прямо короткоцепочечные жирные кислоты влияют на метаболические исходы у хозяина?

Короткоцепочечные жирные кислоты сигнализируют через специфические рецепторы и служат энергетическими субстратами, но степень, в которой их продукция объясняет метаболические преимущества клетчатки у людей, по сравнению с другими эффектами богатых клетчаткой диет, остается предметом дискуссий.

Key figures

• Gijs den Besten
• Emanuel Canfora
• Mahesh Desai
• Eric Martens

Seminal works

• den-besten-2013
• canfora-2015
• desai-2016

Frequently asked questions

Какие короткоцепочечные жирные кислоты образуются при ферментации клетчатки?

В основном ацетат, пропионат и бутират, обычно в молярном соотношении примерно 60:20:20, а также газы, такие как водород и углекислый газ.

Почему бутират считается особенно важным?

Бутират является предпочтительным источником энергии для клеток, выстилающих толстую кишку (колоноцитов), и изучается на предмет его роли в поддержании кишечного барьера и регуляции местной клеточной функции.