Масляная кислота ( / ˈ b j uː t ɪ r ɪ k / ; от древнегреческого : βούτῡρον , что означает «масло»), также известная под систематическим названием бутановая кислота , представляет собой алкилкарбоновую кислоту с прямой цепью с химической формулой CH 3 СН 2 СН 2 СО 2 Н . Это маслянистая бесцветная жидкость с неприятным запахом . Изомасляная кислота (2-метилпропановая кислота) является изомером . Соли и эфиры масляной кислоты известны как бутираты или бутаноаты . Кислота не распространена широко в природе, но ее эфиры широко распространены. Это распространенное промышленное химическое вещество [7] и важный компонент кишечника млекопитающих.
Масляная кислота была впервые обнаружена в нечистой форме в 1814 году французским химиком Мишелем Эженом Шеврёлем . К 1818 году он очистил его достаточно, чтобы охарактеризовать его. Однако Шеврёль не опубликовал свои ранние исследования масляной кислоты; вместо этого он передал свои выводы в виде рукописи секретарю Академии наук в Париже, Франция. Анри Браконно , французский химик, также исследовал состав сливочного масла и публиковал свои результаты, что привело к спорам о приоритете. Еще в 1815 году Шеврёль заявил, что нашел вещество, отвечающее за запах сливочного масла. [8] К 1817 году он опубликовал некоторые из своих выводов о свойствах масляной кислоты и дал ей название. [9] Однако только в 1823 году он подробно представил свойства масляной кислоты. [10] Название масляная кислота происходит от слова βούτῡρον , что означает «масло», вещества, в котором она была впервые обнаружена. Латинское название Butyrum (или Buturum ) похоже.
Триглицериды масляной кислоты составляют 3–4% сливочного масла. Когда масло прогоркает, масляная кислота высвобождается из глицерида путем гидролиза . [11] Это одна из подгрупп жирных кислот, называемых короткоцепочечными жирными кислотами . Масляная кислота — типичная карбоновая кислота , реагирующая с основаниями и воздействующая на многие металлы. [12] Он содержится в животных жирах и растительных маслах , коровьем молоке , грудном молоке , сливочном масле , сыре пармезан , запахе тела , рвотных массах и в виде продукта анаэробного брожения (в том числе в толстой кишке ). [13] [14] По вкусу оно напоминает сливочное масло, а запах неприятный . Млекопитающие с хорошими способностями к обнаружению запаха, такие как собаки , могут обнаружить его при концентрации 10 частей на миллиард , тогда как люди могут обнаружить его только в концентрациях выше 10 частей на миллион . В пищевой промышленности его используют в качестве ароматизатора . [15]
У людей масляная кислота является одним из двух первичных эндогенных агонистов человеческого рецептора 2 гидроксикарбоновой кислоты ( HCA 2 ), G i/o -сопряженного рецептора, связанного с G-белком . [16] [17]
Масляная кислота присутствует в виде октилового эфира в пастернаке ( Pastinaca sativa ) [18] и в семенах дерева гинкго . [19]
В промышленности масляную кислоту получают гидроформилированием из пропена и синтез-газа с образованием бутиральдегида , который окисляется до конечного продукта. [7]
Его можно отделить от водных растворов путем насыщения солями, такими как хлорид кальция . Соль кальция Ca(C 4 H 7 O 2 ) 2 · H 2 O менее растворима в горячей воде, чем в холодной.
Бутират производится в результате нескольких процессов ферментации, осуществляемых облигатными анаэробными бактериями . [20] Этот путь ферментации был открыт Луи Пастером в 1861 году. Примеры видов бактерий , продуцирующих бутират :
Путь начинается с гликолитического расщепления глюкозы до двух молекул пирувата , как это происходит у большинства организмов. Пируват окисляется до ацетилкофермента А, катализируемого пируват:ферредоксиноксидоредуктазой . В качестве отходов образуются две молекулы углекислого газа ( CO 2 ) и две молекулы водорода ( H 2 ). Впоследствии АТФ производится на последнем этапе ферментации. На каждую молекулу глюкозы вырабатывается три молекулы АТФ, что является относительно высоким выходом. Сбалансированное уравнение этого брожения:
Другие пути образования бутирата включают восстановление сукцината и диспропорционирование кротоната.
Некоторые виды образуют ацетон и н -бутанол альтернативным путем, который начинается с бутиратной ферментации. Некоторые из этих видов:
Эти бактерии начинают с бутиратной ферментации, как описано выше, но, когда pH падает ниже 5, они переключаются на производство бутанола и ацетона, чтобы предотвратить дальнейшее снижение pH. На каждую молекулу ацетона образуются две молекулы бутанола.
Изменение пути происходит после образования ацетоацетил-КоА. Затем этот промежуточный продукт идет двумя возможными путями:
Остатки клетчатки с высокой степенью ферментации, такие как остатки резистентного крахмала , овсяных отрубей , пектина и гуара , трансформируются бактериями толстой кишки в короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), включая бутират, производя больше КЦЖК, чем менее ферментируемые волокна, такие как целлюлоза . [14] [21] Одно исследование показало, что резистентный крахмал постоянно производит больше бутирата, чем другие типы пищевых волокон . [22] Производство SCFAs из волокон жвачных животных, таких как крупный рогатый скот, является причиной содержания бутирата в молоке и сливочном масле. [13] [23]
Фруктаны — еще один источник пребиотических растворимых пищевых волокон, которые можно переваривать с образованием бутирата. [24] Они часто встречаются в растворимых волокнах продуктов с высоким содержанием серы , таких как лук и крестоцветные овощи . Источники фруктанов включают пшеницу (хотя некоторые сорта пшеницы, такие как полба, содержат меньшее количество), [25] рожь , ячмень , лук , чеснок , топинамбур и земляной артишок , спаржу , свеклу , цикорий , листья одуванчика , лук-порей , радиккио , белую часть. зеленого лука , брокколи , брюссельской капусты , капусты , фенхеля и пребиотиков , таких как фруктоолигосахариды ( ФОС ), олигофруктоза и инулин . [26] [27]
Масляная кислота реагирует как типичная карбоновая кислота: может образовывать амидные , сложноэфирные , ангидридные и хлоридные производные. [28] Последний, бутирилхлорид , обычно используется в качестве промежуточного продукта для получения остальных.
Масляная кислота используется при получении различных эфиров бутирата. Он используется для производства бутирата ацетата целлюлозы (САВ), который используется в самых разных инструментах, красках и покрытиях и более устойчив к разложению, чем ацетат целлюлозы . [29] CAB может разлагаться под воздействием тепла и влаги, выделяя масляную кислоту. [30]
Низкомолекулярные эфиры масляной кислоты, такие как метилбутират , имеют преимущественно приятный аромат или вкус. [7] Как следствие, они используются в качестве пищевых и парфюмерных добавок. Это одобренный пищевой ароматизатор в базе данных FLAVIS ЕС (номер 08.005).
Из-за сильного запаха его также использовали в качестве добавки к рыболовной приманке. [31] Многие коммерчески доступные ароматизаторы, используемые в приманках для карпа ( Cyprinus carpio ), используют масляную кислоту в качестве эфирной основы. Неясно, привлекает ли рыб сама масляная кислота или добавленные к ней вещества. Масляная кислота была одной из немногих органических кислот, которые оказались приемлемыми как для линя , так и для горчака . [32] Это вещество использовалось в качестве бомбы-вонючки Обществом охраны морских пастухов , чтобы помешать японским китобойным командам. [33]
Масляная кислота (pK a 4,82) полностью ионизирована при физиологическом pH , поэтому ее анион является материалом, который в основном важен в биологических системах. Это один из двух первичных эндогенных агонистов человеческого рецептора 2 гидроксикарбоновой кислоты ( HCA 2 , также известного как GPR109A), G i/o -сопряженного рецептора, связанного с G-белком (GPCR), [16] [17]
Как и другие жирные кислоты с короткой цепью (КЦЖК), бутират является агонистом рецепторов свободных жирных кислот FFAR2 и FFAR3 , которые действуют как сенсоры питательных веществ, облегчая гомеостатический контроль энергетического баланса ; однако среди группы SCFAs только бутират является агонистом HCA 2 . [36] [37] [38] Он также является ингибитором HDAC (в частности, HDAC1, HDAC2, HDAC3 и HDAC8), [34] [35] препаратом, который ингибирует функцию ферментов деацетилазы гистонов , тем самым способствуя ацетилированному состоянию. гистонов в клетках . [38] Ацетилирование гистонов ослабляет структуру хроматина за счет уменьшения электростатического притяжения между гистонами и ДНК . [38] В целом считается, что транскрипционные факторы не смогут получить доступ к областям, где гистоны тесно связаны с ДНК (т.е. неацетилированные, например, гетерохроматин). [ нужна медицинская ссылка ] Таким образом, считается, что масляная кислота усиливает транскрипционную активность промоторов, [38] которые обычно подавляются или подавляются из-за активности гистондеацетилазы.
Бутират, который вырабатывается в толстой кишке в результате микробной ферментации пищевых волокон, в первую очередь поглощается и метаболизируется колоноцитами и печенью [примечание 1] для образования АТФ во время энергетического метаболизма; однако некоторое количество бутирата абсорбируется в дистальном отделе толстой кишки , который не связан с воротной веной, что позволяет обеспечить системное распределение бутирата во многие системы органов через систему кровообращения. [ сомнительно ] [38] Бутират, достигший системного кровообращения, может легко преодолевать гематоэнцефалический барьер через монокарбоксилатные транспортеры (т.е. некоторые члены группы транспортеров SLC16A ). [39] [40] Другие транспортеры, которые опосредуют прохождение бутирата через липидные мембраны, включают SLC5A8 (SMCT1), SLC27A1 (FATP1) и SLC27A4 (FATP4). [34] [40]
Масляная кислота метаболизируется различными человеческими ХМ-лигазами (ACSM1, ACSM2B, ASCM3, ACSM4, ACSM5 и ACSM6), также известными как бутират-КоА-лигаза. [41] [42] Метаболит, образующийся в результате этой реакции, представляет собой бутирил-КоА и производится следующим образом: [41]
Как жирная кислота с короткой цепью , бутират метаболизируется митохондриями в качестве источника энергии (т.е. аденозинтрифосфата или АТФ) посредством метаболизма жирных кислот . [38] В частности, он является важным источником энергии для клеток, выстилающих толстую кишку млекопитающих (колоноцитов). [24] Без бутиратов клетки толстой кишки подвергаются аутофагии (т.е. самоперевариванию) и умирают. [43]
У людей предшественник бутирата трибутирин , который естественным образом присутствует в сливочном масле, метаболизируется триацилглицеринлипазой в дибутирин и бутират по реакции: [44]
Бутират оказывает многочисленные эффекты на энергетический гомеостаз и связанные с ним заболевания ( диабет и ожирение ), воспаление и иммунную функцию (например, обладает выраженным антимикробным и антиканцерогенным действием) у человека. Эти эффекты происходят за счет его метаболизма митохондриями с образованием АТФ во время метаболизма жирных кислот или за счет одной или нескольких его мишеней-ферментов, модифицирующих гистоны (т. е. деацетилаз гистонов класса I ) и мишеней рецепторов , связанных с G-белком (т. е. FFAR2 , FFAR3 , и ГКА 2 ). [36] [45]
Бутират необходим для поддержания иммунного гомеостаза хозяина. [36] Хотя роль и значение бутирата в кишечнике до конца не изучены, многие исследователи утверждают, что истощение количества бактерий, продуцирующих бутират, у пациентов с несколькими васкулитными состояниями имеет важное значение для патогенеза этих заболеваний. Истощение бутирата в кишечнике обычно вызвано отсутствием или истощением бактерий, продуцирующих бутират (BPB). Это истощение BPB приводит к микробному дисбактериозу . Это характеризуется общим низким биоразнообразием и истощением ключевых членов, производящих бутират. Бутират является важным микробным метаболитом, играющим жизненно важную роль модулятора правильной иммунной функции у хозяина. Было показано, что дети с дефицитом АД более восприимчивы к аллергическим заболеваниям [46] и диабету 1 типа. [47] Бутират также снижается в рационе с низким содержанием клетчатки , которая может вызывать воспаление и иметь другие побочные эффекты, поскольку эти короткоцепочечные жирные кислоты активируют PPAR-γ . [48]
Бутират играет ключевую роль в поддержании иммунного гомеостаза как локально (в кишечнике), так и системно (через циркулирующий бутират). Было показано, что он способствует дифференцировке регуляторных Т-клеток . В частности, циркулирующий бутират способствует образованию экстратимических регуляторных Т-клеток. Низкие уровни бутирата у людей могут способствовать снижению регуляторного контроля, опосредованного Т-клетками, тем самым способствуя мощному иммунопатологическому ответу Т-клеток. [49] С другой стороны, сообщалось, что кишечный бутират ингибирует местные провоспалительные цитокины. Таким образом, отсутствие или истощение этих BPB в кишечнике может быть возможным помощником в чрезмерно активной воспалительной реакции. Бутират в кишечнике также защищает целостность эпителиального барьера кишечника. Таким образом, снижение уровня бутирата приводит к повреждению или дисфункции кишечного эпителиального барьера. [50]
В исследовании 2013 года, проведенном Фурусавой и др., было обнаружено, что бутират микробного происхождения играет важную роль в индукции дифференцировки регуляторных Т-клеток толстой кишки у мышей. Это имеет большое значение и, возможно, имеет отношение к патогенезу васкулита, связанного со многими воспалительными заболеваниями, поскольку регуляторные Т-клетки играют центральную роль в подавлении воспалительных и аллергических реакций. [51] В нескольких исследованиях было продемонстрировано, что бутират индуцирует дифференцировку регуляторных Т-клеток in vitro и in vivo. [52] Противовоспалительная способность бутирата тщательно анализировалась и подтверждалась многими исследованиями. Было обнаружено, что бутират, продуцируемый микроорганизмами, ускоряет выработку регуляторных Т-клеток, хотя конкретный механизм этого неясен. [53] Совсем недавно было показано, что бутират играет важную и непосредственную роль в модуляции экспрессии генов цитотоксических Т-клеток. [54] Бутират также оказывает противовоспалительное действие на нейтрофилы, уменьшая их миграцию в раны. Этот эффект опосредован через рецептор HCA 1 [55]
В микробиомах кишечника, обнаруженных в классе млекопитающих, всеядные и травоядные животные имеют бактериальные сообщества, продуцирующие бутират, в которых доминирует путь бутирил-КоА: ацетат-КоА-трансферазы, тогда как у плотоядных животных есть бактериальные сообщества, продуцирующие бутират, в которых доминирует путь бутираткиназы. [56]
Запах масляной кислоты, исходящий от сальных фолликулов всех млекопитающих, действует на клеща как сигнал.
Влияние бутирата на иммунную систему опосредовано ингибированием деацетилаз гистонов класса I и активацией его рецепторов, связанных с G-белком : HCA 2 (GPR109A), FFAR2 (GPR43) и FFAR3 (GPR41). [37] [57] Среди короткоцепочечных жирных кислот бутират является наиболее мощным промотором регуляторных Т-клеток кишечника in vitro и единственным среди группы, который является лигандом HCA 2 . [37] Было показано, что он является важным медиатором воспалительной реакции толстой кишки. Он обладает как профилактическим, так и терапевтическим потенциалом для противодействия воспалительному язвенному колиту и колоректальному раку .
Бутират установил противомикробные свойства у людей, опосредованные антимикробным пептидом LL-37 , который он индуцирует посредством ингибирования HDAC гистона H3. [57] [58] [59] In vitro бутират увеличивает экспрессию генов FOXP3 ( регулятор транскрипции Tregs ) и стимулирует регуляторные Т-клетки толстой кишки (Tregs) посредством ингибирования деацетилаз гистонов класса I ; [37] [57] благодаря этим действиям он увеличивает экспрессию интерлейкина 10 , противовоспалительного цитокина . [57] [37] Бутират также подавляет воспаление толстой кишки, ингибируя сигнальные пути IFN-γ – STAT1 , что частично опосредовано ингибированием деацетилазы гистонов . В то время как временная передача сигналов IFN-γ обычно связана с нормальным иммунным ответом хозяина , хроническая передача сигналов IFN-γ часто связана с хроническим воспалением. Было показано, что бутират ингибирует активность HDAC1, который связан с промотором гена Fas в Т-клетках, что приводит к гиперацетилированию промотора Fas и повышению регуляции рецептора Fas на поверхности Т-клеток. [60]
Подобно другим изученным агонистам HCA 2 , бутират также оказывает выраженное противовоспалительное действие на различные ткани, включая мозг, желудочно-кишечный тракт, кожу и сосудистую ткань . [61] [62] [63] Связывание бутирата с FFAR3 индуцирует высвобождение нейропептида Y и способствует функциональному гомеостазу слизистой оболочки толстой кишки и кишечной иммунной системы. [64]
Было показано, что бутират является важным медиатором воспалительной реакции толстой кишки. Он отвечает за около 70% энергии колоноцитов и является критически важным SCFA в гомеостазе толстой кишки . [65] Бутират обладает как профилактическим, так и терапевтическим потенциалом для противодействия воспалительному язвенному колиту (ЯК) и колоректальному раку . [66] Он оказывает различное воздействие на здоровые и раковые клетки: это известно как «парадокс бутирата». В частности, бутират ингибирует опухолевые клетки толстой кишки и стимулирует пролиферацию здоровых эпителиальных клеток толстой кишки. [67] [68] Объяснением того, почему бутират является источником энергии для нормальных колоноцитов и индуцирует апоптоз в клетках рака толстой кишки , является эффект Варбурга в раковых клетках, который приводит к тому, что бутират не метаболизируется должным образом. Это явление приводит к накоплению в ядре бутирата, действующего как ингибитор деацетилазы гистонов (HDAC). [69] Одним из механизмов, лежащих в основе функции бутирата в подавлении воспаления толстой кишки, является ингибирование сигнальных путей IFN-γ / STAT1 . Было показано, что бутират ингибирует активность HDAC1 , который связан с промотором гена Fas в Т-клетках , что приводит к гиперацетилированию промотора Fas и активации рецептора Fas на поверхности Т-клеток. Таким образом, предполагается, что бутират усиливает апоптоз Т-клеток в ткани толстой кишки и тем самым устраняет источник воспаления (продуцирование IFN-γ). [70] Бутират ингибирует ангиогенез , инактивируя активность транскрипционного фактора Sp1 и подавляя экспрессию гена фактора роста эндотелия сосудов . [71]
Таким образом, производство летучих жирных кислот , таких как бутират, из ферментируемых волокон может способствовать роли пищевых волокон в развитии рака толстой кишки. Короткоцепочечные жирные кислоты , в том числе масляная кислота, производятся полезными бактериями толстой кишки ( пробиотиками ), которые питаются или ферментируют пребиотики, которые представляют собой растительные продукты, содержащие пищевые волокна. Эти короткоцепочечные жирные кислоты приносят пользу колоноцитам, увеличивая выработку энергии, и могут защитить от рака толстой кишки, подавляя пролиферацию клеток. [21]
И наоборот, некоторые исследователи стремились исключить бутират и считают его потенциальным фактором развития рака. [72] Исследования на мышах показывают, что он стимулирует трансформацию эпителиальных клеток толстой кишки с дефицитом MSH2 . [73]
Из-за важности бутирата как регулятора воспаления и участника иммунной системы, истощение запасов бутирата может быть ключевым фактором, влияющим на патогенез многих васкулитных состояний. Таким образом, очень важно поддерживать здоровый уровень бутирата в кишечнике. Трансплантация фекальной микробиоты (для восстановления АД и симбиоза в кишечнике) может быть эффективной за счет восполнения уровня бутирата. При этом лечении здоровый человек жертвует свой стул для трансплантации человеку с дисбактериозом. Менее инвазивным вариантом лечения является введение бутирата в виде пероральных добавок или клизм, который, как было доказано, очень эффективен в прекращении симптомов воспаления с минимальными побочными эффектами или вообще без них. В исследовании, в котором пациентов с язвенным колитом лечили клизмами с бутиратом, воспаление значительно уменьшилось, а кровотечение полностью прекратилось после введения бутирата. [74]
Масляная кислота – это HDAC. ингибитор, селективный в отношении HDAC класса I у человека. [34] HDACs представляют собой ферменты, модифицирующие гистоны , которые могут вызывать деацетилирование гистонов и репрессию экспрессии генов. HDACs являются важными регуляторами образования синапсов, синаптической пластичности и формирования долговременной памяти . Известно, что HDAC I класса участвуют в развитии зависимости . [75] [76] [77] Масляная кислота и другие ингибиторы HDAC использовались в доклинических исследованиях для оценки транскрипционных, нервных и поведенческих эффектов ингибирования HDAC у животных, зависимых от наркотиков. [77] [78] [79]
Ион бутирата или бутаноата C 3 H 7 CO O − представляет собой сопряженное основание масляной кислоты . Это форма, встречающаяся в биологических системах при физиологическом pH . Масляное (или бутановое) соединение представляет собой карбоксилатную соль или сложный эфир масляной кислоты.
свободном доступе : Чисхолм, Хью , изд. (1911). "Масляная кислота". Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
В эту статью включен текст из публикации, которая сейчас находится вКороткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), такие как ацетат, бутират и пропионат, которые производятся в результате кишечной микробной ферментации пищевых волокон, признаны важными источниками энергии для хозяина и действуют как молекулы передачи сигналов через рецепторы, связанные с G-белком. (FFAR2, FFAR3, OLFR78, GPR109A) и в качестве эпигенетических регуляторов экспрессии генов путем ингибирования деацетилазы гистонов (HDAC).
Недавние данные свидетельствуют о том, что пищевая клетчатка и КЦЖК, полученные из микробов кишечника, оказывают множество полезных эффектов на энергетический метаболизм хозяина не только за счет улучшения кишечной среды, но и за счет непосредственного воздействия на различные периферические ткани хозяина.
Другие исследования in vivo, проведенные в наших лабораториях, показали, что некоторые соединения, включая ацетат, пропионат, бутират, бензойную кислоту, салициловую кислоту, никотиновую кислоту и некоторые β-лактамные антибиотики, могут транспортироваться с помощью MCT в ГЭБ.
21
... Поглощение вальпроевой кислоты снижалось в присутствии жирных кислот со средней длиной цепи, таких как гексаноат, октаноат и деканоат, но не в присутствии пропионата или бутирата, что указывает на то, что вальпроевая кислота попадает в мозг через транспортную систему для среды. -цепочечные жирные кислоты, а не жирные кислоты с короткой цепью.
Известно, что переносчики монокарбоксилатов (MCT) опосредуют транспорт монокарбоксилатов с короткой цепью, таких как лактат, пируват и бутират.
... MCT1 и MCT4 также связаны с транспортировкой короткоцепочечных жирных кислот, таких как ацетат и формиат, которые затем метаболизируются в астроцитах [78].
... SLC5A8 экспрессируется в нормальной ткани толстой кишки и действует как супрессор опухоли в толстой кишке человека, при этом подавление этого гена происходит при карциноме толстой кишки.
Этот транспортер участвует в концентрированном поглощении бутирата и пирувата, образующихся в результате ферментации бактериями толстой кишки.
{{cite encyclopedia}}
: |website=
игнорируется ( помощь )