Gli acidi grassi a catena corta (AGCC) sono acidi grassi che contengono solitamente da 2 a 6 atomi di carbonio nella loro catena principale. I tre acidi grassi a catena corta più comuni sono l'acido acetico (C2), l'acido propionico (C3) e l'acido butirrico (C4). Questi acidi grassi sono prodotti dalla fermentazione di fibre alimentari non digeribili da parte dei batteri presenti nell'intestino. Possono influenzare l'omeostasi energetica, l'infiammazione e le modifiche epigenetiche, contribuendo così alla salute metabolica e intestinale. Gli acidi organici, principalmente gli acidi grassi a catena corta (SCFA) si formano nel tratto gastrointestinale in quantità millimolari e si trovano soprattutto in quantità elevate in quelle aree in cui i microrganismi anaerobici sono predominanti. Gli SCFA sono acidi grassi saturi volatili che hanno nella loro catena 1-6 atomi di carbonio nella catena alifatica, esistenti in una conformazione diritta o ramificata. Gli AGCC svolgono un ruolo importante nel metabolismo umano e hanno effetti benefici sulla salute. Possono essere assorbiti dalla mucosa intestinale e utilizzati come fonte di energia dalle cellule intestinali. Inoltre, gli AGCC hanno la capacità di influenzare l'omeostasi energetica, la risposta infiammatoria e la funzione delle cellule intestinali. Uno dei meccanismi attraverso cui gli AGCC esercitano i loro effetti è tramite la segnalazione a recettori specifici. Ad esempio, gli AGCC si legano ai recettori dei fattori nucleari attivati dai proliferatori dei perossisomi (PPAR), che sono importanti regolatori del metabolismo lipidico e dell'infiammazione. Questa interazione può avere effetti positivi sul metabolismo lipidico, migliorare la sensibilità all'insulina e ridurre l'infiammazione. Inoltre, gli AGCC possono influenzare l'epigenoma attraverso la loro capacità di agire come donatori di gruppi metilici per la metilazione del DNA e di influenzare l'acetilazione degli istoni. Queste modifiche epigenetiche possono influenzare l'espressione genica e avere conseguenze sul metabolismo e sulla salute. Gli AGCC sono prodotti principalmente dalla fermentazione di fibre alimentari, come la fibra solubile e insolubile presenti in frutta, verdura, cereali integrali e legumi. Una dieta ricca di fibre può favorire la produzione di AGCC nell'intestino e promuovere i loro benefici effetti sulla salute. In conclusione, gli acidi grassi a catena corta sono prodotti dalla fermentazione di fibre alimentari nell'intestino da parte dei batteri e svolgono diversi ruoli nel metabolismo umano. Particolare attenzione è stata focalizzata sugli SCFA con una conformazione semplice, che includono acido formico, acetico, propionico, butirrico, valeriano e caproico. Formule chimiche e strutturali degli acidi grassi a catena corta (SCFA). Gli SCFA rappresentano il principale flusso di carbonio dalla dieta al microbioma ospite. La formazione di questi acidi è relativamente nota e descritta. La concentrazione e il rapporto degli SCFA risultanti dipendono non solo dalla composizione del microbioma e dal numero di singoli microrganismi nel colon, ma anche dal tipo di fibre alimentari fornite ai microrganismi come substrato nel processo di fermentazione e quindi dalla dieta. I più comuni sono: · l'acido acetico, · l'acido propionico · l'acido butirrico (in un rapporto molare 3: 1: 1), che costituiscono il 90% -95% degli SCFA presenti nel colon umano, mentre una percentuale minore di questi è acido formico. Inoltre, la fermentazione di carboidrati non digeribili (NDC) selezionati, spesso rapidamente fermentabili, produce un altro acido organico-lattico. Sebbene non appartenga al gruppo degli SCFA, questo acido può essere prodotto da batteri lattici, ad esempio i generi Lactobacillus e Bifidobacterium. Tuttavia, in condizioni normali non si accumula nel colon a causa della presenza di alcune specie batteriche, ad esempio Eubacterium hallii, che possono convertire il lattato in diversi SCFA. Le analisi metagenomiche hanno notevolmente facilitato l'identificazione dei tipi di batteri responsabili della produzione di SCFA e acido lattico Gli acidi grassi endogeni a catena corta sono formati dalla fermentazione batterica di fibre alimentari e NDC, che diventano disponibili per i microrganismi intestinali nell'intestino crasso. Oltre all'amido resistente (RS), gli NDC di origine vegetale includono polisaccaridi non amilacei (NSP), oligosaccaridi (prebiotici), oligofruttosio, disaccaridi (lattosio, stachiosio, raffinosio) e monosaccaridi ad esempio alcoli (sorbitolo, mannitolo). Ci sono quattro tipi di amido resistente (RS1-RS4) presenti nella dieta umana che sono resistenti alla degradazione nell'intestino tenue. Il tipo di RS ha un effetto significativo sulla composizione del microbioma intestinale. Nel caso degli oligosaccaridi, particolarmente importanti sono i prebiotici definiti come un componente alimentare non vitale che conferisce un beneficio per la salute dell'ospite associato alla modulazione del microbiota. Tuttavia, i carboidrati indigeribili endogeni includono mucina e oligosaccaridi del latte. La fermentazione è un processo redox anaerobico nel citoplasma in cui i composti organici sono sia donatori di elettroni che accettori. Nel processo di fermentazione, gli elettroni staccati dal substrato ossidato vengono trasferiti dal NADH direttamente all'accettore endogeno. L'ATP si forma come risultato della fosforilazione del substrato, con la partecipazione delle corrispondenti fosfoglicerato, piruvato, acetato o butirrato chinasi. Durante la fermentazione dei carboidrati, l'accettore di elettroni finale è il piruvato o i composti che ne derivano. I prodotti finali della fermentazione sono vari acidi carbossilici a catena corta (ad esempio, formico, acetico, lattico, butirrico, propionico), CO
Fermentazione batterica coinvolta nella produzione di SCFA
Amido Resistente
, H
, etanolo, glicerolo, acetoina, 2,3-butandiolo. È importante sottolineare che la crescita batterica nelle popolazioni mescolate con altri microrganismi può influenzare il tipo e la quantità di prodotti prodotti durante la fermentazione. I substrati più comunemente utilizzati dai microrganismi nel processo di fermentazione sono esosi e pentosi. I batteri hanno una varietà di percorsi per trasformare gli zuccheri. Questi zuccheri vengono prima fosforilati e poi nella glicolisi ( ), nella via Entner-Doudoroff o nella via Bifidobacterium vengono trasformati in piruvato o in piruvato e acetil-fosfato aggiuntivo. La via Embden-Meyerhof-Parnassiana, la principale via del colon per il catabolismo degli esosi, si verifica in enterobatteri, clostridi, batteri lattici omofermentativi e propionibatteri e produce solo piruvato come prodotto di ossidazione parziale). La via Entner-Doudoroff è utilizzata nel metabolismo fermentativo, ad esempio da Zymomonas (fermentazione alcolica), così come Escherichia coli nella fermentazione gluconata. La via Bifidobacterium è attiva nei batteri del genere Bifidobacterium, abitando, tra gli altri, il sistema digestivo umano. In questo percorso si formano due molecole di acetato e un lattato. Nella via della fosfochetolasi che si verifica nei batteri lattici eterofermentativi o nella via del Bifidobacterium, viene generata un'ulteriore molecola di acetil-fosfato.
via Embden-Meyerhof-Parnassiana
In una popolazione mista come il microbioma intestinale, la scomposizione dei carboidrati in una miscela di acidi coinvolge più di una specie. Questo tipo di fermentazione è chiamata fermentazione acida mista o fermentazione Enterobacteriaceae ed è effettuata da alcuni batteri appartenenti a questa famiglia, tra cui Escherichia, Proteus, Salmonella e Shigella. I prodotti di fermentazione di alcune specie sono substrati per la fermentazione o incorporati come metaboliti intermedi nelle vie metaboliche di altre specie, con conseguente fermentazione sequenziale dei substrati. Lattato, etanolo e piruvato sono diminuiti dal successivo utilizzo batterico e dalla produzione di SCFA. Di conseguenza, i principali prodotti finali del catabolismo dello zucchero sono SCFA, acetato, propionato e butirrato che rappresentano l'85% -95% degli SCFA totali in tutte le regioni del colon. Altri prodotti finali di fermentazione, come il caproato e il valerato, si verificano in quantità inferiori. L'acido acetico è l'SCFA più abbondante nel colon, rappresentando più della metà degli SCFA totali trovati nelle feci. I microrganismi intestinali possono produrre acido acetico attraverso due principali processi metabolici. Il più delle volte è la fermentazione di carboidrati indigeribili, mentre circa 1/3 di acido acetico si forma come risultato della sintesi da idrogeno e anidride carbonica o acido formico da parte di batteri acetogeni attraverso la via Wood-Ljungdahl. Alcuni tipi di Clostridium (C. acetobutylicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. perfringens) partecipano alla fermentazione butirrica, così come ad esempio Butyrivibrio fibrisolvens e Fusobacterium nucleatum. I prodotti finali sono acido butirrico, una piccola quantità di acido acetico e CO
e H
. Alcune specie possono anche formare acido lattico e / o etanolo pure. Per la fermentazione propionica, i substrati principali sono glucosio e lattato. Il suo decorso varia a seconda dei batteri; Può accadere che formi succinato o acrilato. I batteri sono in grado di fermentare i prodotti di degradazione dello zucchero (glicerolo, citrato, malato, succinato, piruvato, lattato, etanolo, acetato) ed è stata dimostrata una piccola quota dei processi di fermentazione delle proteine alimentari nella produzione di SCFA, principalmente sotto forma di acido acetico e propionico. I batteri del genere Clostridium sono in grado di fermentare gli amminoacidi. In questo processo possono formarsi anidride carbonica, idrogeno, acetato, ammoniaca e butirrato, che hanno un odore sgradevole. Inoltre, amminoacidi come valina, leucina e isoleucina risultanti dalla scomposizione anaerobica delle proteine possono essere convertiti in composti con forte odore, come acidi isobutirrico, isovalerico ed esanoico, nonché cadaverina, putrescina, altre ammine e idrogeno solforato e metilmercaptano. Questi sono acidi putrefattivi, la cui maggiore produzione può essere associata a un eccesso di aminoacidi non assorbiti o proteine che raggiungono l'intestino. Dovrebbe essere presa in considerazione anche la possibilità di sangue nel contenuto intestinale e lo sviluppo eccessivamente intenso di microbiota patogeno nell'intestino tenue, dove l'accesso ai composti proteici è facilitato Gli SCFA hanno dimostrato di avere un effetto molto positivo sul metabolismo energetico dei mammiferi che li usano insieme al glucosio come combustibile metabolico. È stato stimato che l'uso di SCFA come fonte di energia può fornire fino al 10% delle calorie giornaliere dell'ospite. La presenza di questi acidi nel corpo umano, principalmente acido acetico, butirrico e propionico in quantità sufficiente è essenziale per la salute e il benessere dell'ospite. Tuttavia, la produzione di questi acidi richiede la presenza di substrati appropriati (fibre alimentari e prebiotici) necessari per il corretto svolgimento dei processi fermentativi. Gli SCFA svolgono un ruolo molto importante nel mantenimento dell'omeostasi intestinale e immunitaria nel corpo umano.
L'eccessivo accumulo di acido isobutirrico e acido isovalerico indica un malfunzionamento dei processi di fermentazione e digestione.Funzioni degli acidi grassi a catena corta
Il ruolo degli SCFA nella regolazione dell'omeostasi intestinale. Gli SCFA (acido acetico, propionico e butirrico) sono prodotti dal microbioma intestinale nella fermentazione di fibre alimentari non digerite, carboidrati non digeribili (NDC) o amido resistente (RS). Gli SCFA sono substrati energetici per i colonciti e regolano la funzione della barriera intestinale (sintesi della mucina-MUC2) e il sistema immunitario attraverso i recettori accoppiati alle proteine G (GPR41, GPR43, GPR109A) e la segnalazione del recettore Olfr78. Gli SCFA regolano l'attività dell'istone deacetilasi (HDAC) che influenza l'inibizione dei fattori nucleari (fattore nucleare-κB; NF-κB). Gli SCFA influenzano la differenziazione delle cellule T regolatorie (Treg) e la produzione di interleuchina-10 (IL-10) con la partecipazione di GPR43. Gli SCFA regolano anche la funzione delle cellule dendritiche (DC). Inoltre, gli SCFA influenzano l'attivazione degli inflammasomi AIM2 e NLRP3 che influenzano quindi la produzione di interleuchina-18 (IL-18) e una maggiore funzione di barriera epiteliale. Inoltre, l'attivazione e la secrezione dell'inflammasoma NLRP6 di IL-18 regolano la produzione di peptidi antimicrobici intestinali (AMP). Si ipotizza che gli SCFA abbiano un ruolo di mediazione nella diafonia dell'asse microbiota-intestino-cervello. Sono stati identificati due principali meccanismi di segnalazione degli SCFA, vale a dire l'inibizione degli HDAC e l'attivazione dei GPCR: i partner di legame di GPR41 e GPR43.
Abbreviazioni:
SCFA ed Omeostasi Intestinale
SCFA: Asse Intestino Cervello
Gli SCFA svolgono un ruolo molto importante nella regolazione del pH, e sono benefici per il metabolismo del glucosio e delle proteine nel fegato. Inoltre, questi acidi influenzano il mantenimento della normale struttura, integrità e funzione dell'intestino. Mostrano attività antinfiammatoria, che comporta l'inibizione dell'attività dei mediatori infiammatori nell'epitelio intestinale e quindi l'inibizione dell'attivazione dei macrofagi NFκB, che sono la principale fonte di citochine nel corso del processo infiammatorio delle malattie infiammatorie intestinali. Questi acidi sono la fonte primaria di energia per i colonciti. prodotto da batteri commensali, in particolare come Ruminococcus e Faecalibacterium.
SCFA e Regolazione del Ph e dell'Infiammazione
aumentando l'assorbimento di calcio, ferro e magnesio
È stato dimostrato che la fonte del 70% dell'energia utilizzata dalle cellule epiteliali intestinali (IEC) è l'acido butirrico
Inoltre, simulando la crescita della microflora saprofita, gli SCFA inibiscono lo sviluppo di microrganismi patogeni come Escherichia coli, Salmonella o Campylobacter, in competizione per i siti di colonizzazione. Gli studi hanno dimostrato che l'acido butirrico stimola l'espressione del gene MUC2 nelle linee cellulari e la produzione di mucina, e lo strato appiccicoso che crea protegge l'epitelio intestinale dal contatto con tossine e microrganismi patogeni. Al contrario, studi di morte cellulare programmata da una linea tumorale hanno dimostrato l'efficacia dell'acido butirrico nell'inibire il loro sviluppo e indurre il processo di apoptosi. Inoltre, l'acido butirrico e gli acidi propionico, acetico e valerico hanno dimostrato di indurre apoptosi. Gli SCFA aumentano la quantità di muco prodotto e la velocità del flusso sanguigno. Ancora più importante, utilizzato nel processo di biosintesi dei grassi e produzione di membrane cellulari, Ci sono indicazioni che gli SCFA sono mediatori chiave degli effetti benefici del microbiota intestinale. Gli SCFA modulano anche direttamente la salute dell'ospite attraverso una serie di meccanismi tessuto-specifici associati alla funzione di barriera intestinale, all'omeostasi del glucosio, all'immunomodulazione, alla regolazione dell'appetito, all'obesità e hanno un effetto diretto e indiretto sui marcatori di rischio di malattie cardiovascolari (CVD). Allo stato attuale, si sa relativamente poco sulla funzione dell'acido formico nell'intestino. Ci sono indicazioni che la sua presenza è associata alla metanogenesi e la sua concentrazione può essere elevata durante l'infiammazione. La concentrazione di acido acetico nel colon è la più alta di tutti gli SCFA e nelle cellule è un fattore chiave nel metabolismo dei carboidrati e dei grassi. Inoltre, l'acido acetico viene assorbito dal fegato, dove partecipa alla sintesi del colesterolo. L'acido propionico è prodotto nell'intestino umano principalmente da Bacteroidetes e Firmicutes. Questo acido è un inibitore della gluconeogenesi e della sintesi del colesterolo nel fegato. Inoltre, ha effetti antibatterici e antinfiammatori, prendendo parte alla protezione dell'intestino umano contro gli agenti patogeni. L'acido butirrico esercita il più forte effetto antinfiammatorio di tutti gli SCFA. . L'acido butirrico è la principale fonte di energia per le cellule epiteliali intestinali. L'acido butirrico ha un benefico effetto immunoregolatore sulle cellule epiteliali intestinali e su altre popolazioni di cellule della mucosa. Modula l'espressione genica influenzando sia gli stimolanti che gli inibitori dell'espressione. Alcuni di questi meccanismi sono basati sull'iperacetilazione degli istoni dovuta all'inibizione dell'attività dell'enzima istone deacetilasi. A differenza di altri SCFA, il ruolo dell'acido valerico nella salute dell'intestino non è completamente compreso. In un numero limitato di studi, è stato riscontrato che l'acido valerico può stimolare la crescita dell'epitelio intestinale e avere un effetto benefico sulla patogenesi di malattie come la colite, le malattie cardio-metaboliche e il cancro.
SCFA e Produzione del Muco
forniscono acetil-CoA
garantendo l'integrità delle mucose.
Acido Formico
Acido Acetico
Acido Propionico
Acido Butirrico
La causa del processo infiammatorio della mucosa intestinale, che accompagna molti processi patologici, è la mancanza di energia
Acido Valerico