SCFA – krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe

SCFA to grupa kwasów tłuszczowych o krótkich łańcuchach węglowych, które wytwarza mikrobiota jelita grubego w wyniku przemian metabolicznych, np. fermentacji błonnika pokarmowego. Okazało się, że te niepozorne związki to kluczowy gracz w interakcjach między mikroorganizmami jelitowymi a zdrowiem człowieka. Najnowsze dowody naukowe wskazują, że SCFA po przedostaniu się do krwi mogą regulować odporność, stan zapalny, metabolizm, liczne procesy fizjologiczne, a nawet mają zdolność wpływania na realizację instrukcji zapisanej w genach. Jak zadbać o ich prawidłową zawartość?

Czym są kwasy SCFA?

Mikrobiota jelitowa bytująca w przewodzie pokarmowym, kiedy jest w stanie równowagi (eubiozy), przynosi człowiekowi ogrom korzyści zdrowotnych. Jednak żeby mogła pozostawać w równowadze, człowiek musi dostarczyć jej odpowiednich składników odżywczych. Dosłownie karmimy mikrobiotę tym, co jemy, a czego sami nie potrafimy strawić przy pomocy enzymów przewodu pokarmowego.

SCFA to tzw. krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, z angielskiego Short-Chain Fatty Acids (SCFA), które powstają w efekcie przemian metabolicznych, np. beztlenowej fermentacji węglowowanów złożonych, w tym fermentacji błonnika pokarmowego przez bakterie zasiedlające jelito grube. Błonnik pokarmowy, którego ludzki organizm nie potrafi strawić, jest właśnie takim „jedzeniem” dla bakterii – tzw. prebiotykiem, a SCFA są pozostałością po jego fermentacji, wydawałoby się, że produktem ubocznym. Okazało się jednak, że krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe są kluczowe w komunikacji między mikrobiotą przewodu pokarmowego a gospodarzem, czyli człowiekiem. Do SCFA należą między innymi kwasy: masłowy, octowy, propionowy, walerianowy i kapronowy.

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczone należą do szerszej grupy o nazwie „nasycone kwasy tłuszczowe”. Pod względem chemicznym, nasycone kwasy tłuszczowe są substancjami składającymi się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Dzielą się – w zależności od długości łańcucha węglowodorowego – na krótkołańcuchowe, średniołańcuchowe oraz długołańcuchowe kwasy tłuszczowe. Źródłem długołańcuchowych nasyconych kwasów tłuszczowych (LCT) są tłuszcze pochodzenia zwierzęcego, takie jak masło czy smalec.

Jako główny substrat bakterii jelitowych w procesie wytwarzania SCFA służą polisacharydy, które nie zostały wcześniej strawione przez enzymy układu pokarmowego. Do substratów, które ulegają fermentacji przez bakterie jelitowe i przez co służą do produkcji SCFA, należą m.in.: skrobia, nierozpuszczalne frakcje błonnika, polisacharydy nieskrobiowe, oligosacharydy, w tym fruktooligosacharydy, oligofruktoza czy alkohole cukrowe. Produkcja SCFA jest uzależniona od rodzaju substratów pokarmowych. Kwas propionowy powstaje z błonnika pokarmowego, skrobi opornej i fermentacji produktów mlecznych zawierających bakterie propionowe, zaś na przykład kwas masłowy powstaje przede wszystkim ze skrobi opornej.

SCFA należą do grupy nasyconych kwasów tłuszczowych, których łańcuch węglowy składa się z maksymalnie 6 atomów węgla. W jelicie grubym i kale najobficiej występują:

• octany o dwóch atomach węgla (nawet 60-75% wszystkich SCFA),
• propioniany o trzech atomach węgla,
• maślany o czterech atomach węgla.

Ich wzajemny stosunek – octanu do propionianu i maślanu – wynosi 60:20:20. Octan jest metabolitem fermentacji dla dużej grupy różnorodnych bakterii, dlatego jest go najwięcej. Jego nadmiar w stosunku dla pozostałych SCFA może być niekorzystny (octany biorą np. udział w syntezie cholesterolu). Propioniany i maślany są wydzielane przez bardziej specyficzne gatunki bakterii. Jedną ze skutecznych metod korygowania nieprawidłowych proporcji poszczególnych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest stosowanie określonych probiotyków, które pomagają wyrównać ilości SCFA w jelicie grubym. Stężenie i stosunek poszczególnych SCFA do siebie zależą nie tylko od bakterii jelitowych, ale także od ilości i rodzaju błonnika pokarmowego, który jest stosowany w przemianach metabolicznych. Zmieniające się proporcje SCFA pomagają wyjaśnić, w jaki sposób mikrobiota przewodu pokarmowego wpływa na cały organizm.

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe są konieczne do właściwego funkcjonowania organizmu ze względu na wpływ SCFA na mikrobiom, funkcjonowanie błony śluzowej przewodu pokarmowego, a także wpływ SCFA na inne narządy i tkanki.

Obecność omawianych substancji w przewodzie pokarmowym człowieka głównie zależy od tego, co jemy. Aby zwiększyć stężenie krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych we krwi, trzeba spożywać więcej produktów zawierających na przykład błonnik pokarmowy i skrobię oporną. Źródłem krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w diecie są w znacznej mierze produkty pełnoziarniste.

Błonnik pokarmowy – pozornie niepotrzebny, a jednak niezbędny

Skupmy się przez chwilę na błonniku pokarmowym. Choć z językowego punktu widzenia błonnik to rzeczownik w liczbie pojedynczej, to z chemicznego punktu widzenia pod nazwą tą kryje się grupa złożonych związków zaliczanych do węglowodanów. Te specyficzne węglowodany nie są trawione lub są trawione tylko częściowo przez ludzkie enzymy pokarmowe w jelicie cienkim. Dopiero w jelicie grubym błonnik pokarmowy (zwany też włóknem pokarmowym) ulega fermentacji przez bytujące w jelicie mikroorganizmy, a powstające SCFA są metabolicznym produktem ubocznym tego procesu. Ubocznym, ale nie nieważnym, bo to właśnie SCFA są kluczowe w zrozumieniu relacji organizmu ludzkiego z mikrobiotą.

Błonnik pokarmowy jest przede wszystkim składnikiem roślinnych ścian komórkowych i można go podzielić na błonnik pokarmowy rozpuszczalny i nierozpuszczalny w wodzie. Rozpuszczalne frakcje włókna są dużo bardziej podatne na fermentację, powstaje z nich więcej krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Do błonnika pokarmowego zalicza się fermentujące w jelicie grubym:

• celulozę,
• hemicelulozę,
• pektyny,
• beta-glukan,
• gumę guar,
• galakto- i fruktooligosacharydy,
• skrobię oporną.

Choć nazwy te mogą brzmieć obco, to warto zapamiętać, że do najważniejszych źródeł tych substancji należą wszystkie warzywa i owoce, a także pełnoziarniste produkty zbożowe, mleko kobiece (między innymi dlatego karmienie piersią jest tak ważne w kształtowaniu się mikrobioty) oraz niektóre substancje dodatkowe do żywności.

Za fermentację błonnika pokarmowego odpowiadają przede wszystkim bakterie z typu:

• Bacteroides,
• Roseburia,
• Prevotella,
• Ruminococcus,
• Eubacterium,
• Faecalibacterium,
• Bifidobacterium,
• Lactobacillus,
• Clostridium cluster XIVa.

Niestety ostatnie stulecie, szczególnie w krajach rozwiniętych, przyniosło znaczny spadek spożycia błonnika pokarmowego. Dieta zachodnia jest uboga w produkty nieprzetworzone, stanowiące źródło błonnika, zaś obfituje w produkty wysokoprzetworzone, które są przede wszystkim źródłem białka, tłuszczu i cukru. Gdy zmniejsza się ilość spożywanego włókna, niektóre bakterie mogą przestawić się na fermentację białek, co zmienia proporcje poszczególnych SCFA i może wiązać się z negatywnym wpływem na zdrowie oraz zaburzeniem równowagi mikrobioty.

Spadek spożycia błonnika pokarmowego łączy się z większym ryzykiem zachorowania na cukrzycę typu 2, otyłość, nowotwory jelita grubego czy choroby sercowo-naczyniowe. Jednocześnie w ostatnich kilkudziesięciu latach obserwuje się wzrost zachorowań na alergię czy choroby autoimmunologiczne – schorzenia łączone z dysbiozą, zaburzeniem proporcji poszczególnych mikroorganizmów w przewodzie pokarmowym. To pokazuje, jak ważnym elementem w utrzymaniu równowagi mikrobioty, a co za tym idzie zdrowia całego organizmu, jest prawidłowo skomponowana dieta, w tym odpowiednie spożycie błonnika pokarmowego, które zapewnia właściwe ilości kwasów SCFA. Jaka jest ich rola?

Działanie SCFA

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, mimo stosunkowo prostej budowy, pełnią w organizmie zaskakująco skomplikowaną i różnorodną funkcję. SCFA stabilizują struktury i zapewniają integralność komórek nabłonka błony śluzowej jelita. Jednakże ich oddziaływanie nie skupia się tylko w jelitach. Po przeniknięciu do krwi mogą, poprzez układ krwionośny, docierać do wszystkich narządów, łączyć się na ich powierzchni ze specyficznymi receptorami (to tzw. receptory sprzężone z białkiem G) i wpływać na ich funkcjonowanie. W ten sposób SCFA regulują wiele ważnych procesów. Receptory rozpoznające SCFA zidentyfikowano między innymi na komórkach:

• endokrynnych (wydzielających hormony),
• odpornościowych,
• adipocytach (komórkach tkanki tłuszczowej),
• nabłonkowych,
• dendrytycznych (rodzaj komórek układu odpornościowego),
• skóry,
• mięśniach,
• trzustki,
• układu oddechowego.

Ponadto, kwas masłowy, na przykład, pełni ważną funkcję przy przewlekłym stosowaniu żywienia pozajelitowego u pacjentów. Hamuje tym samym zanik błony śluzowej jelit. Kwas octowy, natomiast, odpowiada za kontrolę apetytu, co może znajdować zastosowanie w leczeniu otyłości. SCFA mają również zastosowanie we wspomaganiu terapii zapalenia zbiornika jelitowego u pacjentów po chirurgicznym usunięciu całego jelita grubego. SCFA pełnią także istotną rolę w działaniu układu odpornościowego. Są niejako pośrednikami w komunikacji między mikroflorą bakteryjną jelita a układem immunologicznym Wpływ SCFA na strukturę mikrobioty okazuje się korzystny również w leczeniu zaburzeń mikroflory po długotrwałym stosowaniu antybiotyków. Wprowadzenie. życiu odpowiednich zaleceń żywieniowych w trakcie antybiotykoterapii pozwala uniknąć zakażeń m.in. Clostridium difficile, bakterii odpowiedzialnej za biegunki.

To pokazuje, jaki potencjał wpływu na zdrowie mają te kwasy tłuszczowe. SCFA działają nie tylko przez wiązanie się z konkretnymi receptorami, mogą także wpływać na enzymy regulujące tzw. ekspresję genetyczną – zjawisko to decyduje, czy dany gen zostanie włączony. Aktywowany gen uruchamia zaś produkcję konkretnego białka, które w organizmie realizuje funkcję genu. Wiele wskazuje na to, że krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe pochodzące z jelit matki mogą oddziaływać na geny płodu już w czasie ciąży. Po raz kolejny okazuje się, że dieta matki i stan jej jelit mają ogromne znacznie dla stanu zdrowia dziecka w przyszłości.

SCFA jako źródło energii i regulator metabolizmu

Bezpośrednio w jelicie, po fermentacji bakteryjnej, SCFA odżywiają kolonocyty, czyli komórki nabłonka wyścielającego jelito grube. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, zwłaszcza maślan, dostarczają temu typowi komórek 60-70% energii.

SCFA wchłaniane do krwiobiegu mogą być także wykorzystane jako źródło energii (kilokalorii) przez pozostałą część organizmu. U ludzi kilokalorie pochodzące z SCFA stanowią zazwyczaj około 10% zapotrzebowania kalorycznego, co pokazuje, że dzięki mikrobiocie jelitowej człowiek może odzyskiwać część energii nawet z pozornie niestrawnych związków. Dawniej w tabelach wartości odżywczej błonnik pokarmowy miał 0 kcal/g, bo sądzono, że jest kompletnie niestrawny. Teraz uznaje się, że 1 g błonnika dostarcza 2 kcal, te kalorie pochodzą właśnie z SCFA. Dla zwierząt roślinożernych procent energii pozyskanej z SCFA może sięgać nawet 70%!

Poza tym SCFA wpływają na apetyt poprzez oddziaływanie z komórkami trzustki, tkanki tłuszczowej czy układu nerwowego. Badania pokazały, ze komórki stymulowane maślanem i propionianiem wydzielają większe ilości regulujących apetyt glukagonopodobnego peptydu 1 (GLP-1) i hormonu peptyd YY w jelitowych komórkach endokrynnych.

Homeostaza jelitowa

W jelitach, poza funkcją odżywiającą nabłonek, SCFA regulują także działanie układu odpornościowego, co uważa się za czynnik zapobiegający nowotworom jelita grubego, zespołowi jelita drażliwego czy chorobom zapalnym jelit, np. chorobie Leśniowskiego-Crohna czy wrzodziejącemu zapaleniu jelita grubego.

Maślan ma zdolność pobudzania przeciwzapalnego działania komórek układu odpornościowego – makrofagów i komórek dendrytycznych, które są kluczowe w usuwaniu patogenów z przewodu pokarmowego. Zarówno maślan, jak i propionian, zmniejszają także wydzielanie związków prozapalnych z grupy cytokin i chemokin.

SCFA, w tym przede wszystkim maślan, wpływają na wzmocnienie bariery jelitowej. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe zwiększają także wydzielanie białek przeciwdrobnoustrojowych przez nabłonek przewodu pokarmowego, co dodatkowo wzmacnia utrzymanie równowagi jelitowej.

SCFA poza jelitami

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe z jelit wchłaniają się do krwiobiegu. Większość z nich jest metabolizowana przez wątrobę, ale część dociera do wszystkich narządów, w tym przekracza barierę krew-mózg. Najnowsze badania sugerują, że zmienione stężenie SCFA we krwi może być jednym z czynników biorących udział w powstawaniu chorób, łącząc w ten sposób dietę człowieka i stan jego mikrobioty jelitowej.

Wykazano, że odpowiednie proporcje poszczególnych SCFA zmniejszają ryzyko wystąpienia (lub łagodzą przebieg):

• cukrzycy typu 1 i 2,
• astmy i alergii,
• infekcji wirusowych (poprzez wpływ na komórki NK – natural killers),
• otyłości,
• miażdżycy,
• schizofrenii,
• niealkoholowego stłuszczenia wątroby,
• nadciśnienia,
• atopowego zapalenia skóry.

SCFA mają zdolność regulacji natężenia ogólnoustrojowego stanu zapalnego, wpływają na stężenie cukru we krwi, zwiększają wrażliwość na insulinę, usprawniają prace wątroby i metabolizm w tkance tłuszczowej, zmniejszając jej gromadzenie.

Poza tym coraz częściej podkreśla się rolę SCFA w regulacji pracy układu nerwowego. Związki te, przekraczając barierę krew-mózg, wpływają na różnicowanie się neuronów i połączeń między nimi (synaps). Dzięki temu poprawiają zdolność uczenia się i zapamiętywania.

Badania dotyczące SCFA wykazują także ich rolę w łagodzeniu chorób psychiatrycznych oraz neurodegeneracyjnych, w tym depresji czy choroby Alzheimera. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe mogą także wpływać na zmniejszenie objawów wynikających ze spektrum autyzmu. Innym ciekawym obszarem badań jest oddziaływanie SCFA na nerw błędny, który reguluje pierwotną reakcję na stres w postaci walki-ucieczki lub zamrożenia. W obszarze wpływu na układ nerwowy potrzebne są dalsze badania, szczególnie z udziałem ludzi. Jednak wstępne wyniki pokazują, że równowaga jelitowa zależna w dużej mierze od diety ma ogromne znaczenie nie tylko dla zdrowia fizycznego, ale także psychicznego.

Wszystkie te funkcje krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe realizują nie tylko przez bezpośredni wpływ na komórki, ale również poprzez oddziaływanie na ekspresję genów. SCFA nie mają wpływu na sekwencję DNA (sposób zapisu danych o budowie białek), ale mogą oddziaływać na to, kiedy dany gen będzie włączany, a kiedy nie. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe wpływają na geny poprzez tzw. acetylację histonów, czyli zmianę sposobu, w jaki DNA jest upakowane w chromosomach, co reguluje ich aktywność. Część badań wskazuje, że jeden z SCFA – maślan bierze udział w regulacji nawet 5-20% ludzkich genów!

SCFA a probiotyki

Utrzymanie równowagi mikrobioty jelitowej ma kluczowe znaczenie dla zachowania wspierających zdrowie proporcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Jedną ze skutecznych metod regulacji mikroorganizmów jelitowych i SCFA jest probiotykoterapia.

Zanim sięgniesz po probiotyki, sprawdź najpierw, czy Twoja dieta jest odpowiednio zbilansowana i dostarcza wystarczających ilości błonnika pokarmowego. Bez zmiany sposobu żywienia w dłuższej perspektywie nie jest możliwe utrzymanie właściwych proporcji octanu, propionianu i maślanu.

Interwencję dietetyczną warto w tym samym czasie połączyć z suplementacją probiotyków. Doustne podawanie probiotyków stwarza w jelicie grubym odpowiednie warunki do regeneracji indywidualnej mikrobioty człowieka, która u każdego ma podobne fundamenty, ale różni się szczegółami. Konsekwencją odzyskania równowagi mikrobiotycznej, czyli eubiozy, jest również stabilizacja SCFA i szereg korzyści zdrowotnych – od zmniejszenia stężenia markerów stanu zapalnego, przez regulację apetytu i zmniejszenie masy ciała, poprawę gospodarki glukozowej i lipidowej, na wzmocnieniu bariery jelitowej skończywszy.

W badaniach różne szczepy bakteryjne okazywały się skuteczne we wspieraniu przywracania eubiozy, wśród nich są:

• Lactobacillus gasseri OLL271 6: LG21,
• Bifidobacterium lactis LAFTI B94,
• Bifidobacterium breve BR03,
• Lactobacillus casei Shirota,
• Lactobacillus rhamnosus GG,
• Lactobacillus plantarum P-8.

Trwają też badania nad zastosowaniem Faecalibacterium prausnitzii i Akkermansia muciniphila w przywracaniu właściwych poziomów SCFA. Probiotykoterapia określonymi szczepami jest skuteczna nie tylko wtedy, gdy jest podawana w formie produktu farmaceutycznego. Rezultaty przyniosło także zastosowanie probiotyków w żywności, np. w napoju probiotycznym czy w salami.

Jednak w przypadku silnie zaburzonej równowagi jelitowej warto postawić na personalizowaną probiotykoterapię, która odpowiada na potrzeby konkretnej osoby i nie jest „strzałem w ciemno”. Takie postępowanie jest opracowane na bazie badania kału, które ocenia aktualny stan mikrobioty.

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe to obecnie jedne z najważniejszych związków, przy pomocy których mikrobiota „porozumiewa” się z człowiekiem. Ich prawidłowe stężenie ma wpływ na zachowanie zdrowia, a ilościowe zachwianie przyczynia się do wielu chorób, w tym także do tych cywilizacyjnych i immunologicznych, które są jednym z największych wyzwań medycyny. Będziemy z ciekawością przyglądać się temu, co przyniosą przyszłe badania w zakresie SCFA, bo prawdopodobnie ich znaczenie jest większe, niż do niedawna sądziliśmy.

Kwas masłowy

Kwas masłowy, podobnie jak kwas octowy i propionowy, jest klasyfikowany jako krótkołańcuchowy kwas tłuszczowy. Pełni on istotną rolę jako podstawowe źródło energii dla komórek nabłonka jelitowego – kolonocytów. Najwięcej kwasu masłowego w jelicie grubym powstaje w wyniku fermentacji pewnych rodzajów błonnika pokarmowego, głównie opornej skrobi, a także w wyniku procesów trawienia owsu i otrębów pszennych. To właśnie te składniki są głównymi dostarczycielami kwasu masłowego w tym obszarze jelita. Kwas masłowy wykazuje najbardziej wyraźne działanie przeciwnowotworowe w porównaniu do innych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Wpływ ten polega między innymi na tym na tym, że kwas masłowy hamuje cykl komórkowy i stymuluje różnicowanie komórek nowotworowych. Niedobór kwasu masłowego wpływa na rozwój wielu przewlekłych chorób, zwłaszcza nieswoistych chorób zapalnych jelit. Badania przeprowadzone nad składem mikrobioty u pacjentów cierpiących na IBD wykazały istotny niedobór bakterii będących głównymi producentami krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, w tym właśnie kwasu masłowego. Podniesienie poziomu stężenia kwasu masłowego (SCFA) w świetle przewodu pokarmowego przyczynia się do normalizacji ruchów przewodu pokarmowego, poprawy integralności oraz efektywności bariery jelitowej. Ponadto, kolejna ważna właściwość kwasu masłowego to przywracanie właściwego składu mikrobioty jelitowej, co znajduje zastosowanie w terapii zespołu jelita drażliwego.

Barbara Dąbrowska-Górska

Bibliografia:

• Boushra Dalile i inni, The role of short-chain fatty acids in microbiota-gut-brain communication, Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2019 Aug;16(8):461-478. doi: 10.1038/s41575-019-0157-3.
• Bart van der Hee, Jerry M Wells, Microbial Regulation of Host Physiology by Short-chain Fatty Acids, Trends Microbiol. 2021 Aug;29(8):700-712. doi: 10.1016/j.tim.2021.02.001. Epub 2021 Mar 2.
• Camille Martin-Gallausiaux i inni, SCFA: mechanisms and functional importance in the gut, Proc Nutr Soc. 2021 Feb;80(1):37-49. doi: 10.1017/S0029665120006916. Epub 2020 Apr 2.
• Paulina Markowiak-Kopeć, Katarzyna Śliżewska, The Effect of Probiotics on the Production of Short-Chain Fatty Acids by Human Intestinal Microbiome, Nutrients. 2020 Apr 16;12(4):1107. doi: 10.3390/nu12041107.
• Ygor Parladore Silva i inni, The Role of Short-Chain Fatty Acids From Gut Microbiota in Gut-Brain Communication, Front Endocrinol (Lausanne). 2020 Jan 31;11:25. doi: 10.3389/fendo.2020.00025. eCollection 2020.
• Ravinder Nagpal i inni, Human-origin probiotic cocktail increases short-chain fatty acid production via modulation of mice and human gut microbiome, Sci Rep. 2018 Aug 23;8(1):12649. doi: 10.1038/s41598-018-30114-4.
• Tomasz Banasiewicz i inni, Kliniczne aspekty zastosowania kwasu masłowego w postępowaniu dietetycznym w chorobach jelit, Przegląd Gastroenterologiczny. 2010; 5 (6): 329–334.
• Barbara Skrzydło – Radomańska, Kwas masłowy – zastosowanie w praktyce klinicznej, Lekarz POZ. 1/2019.