Масляная кислота: свойства, получение и применение

Введение

Химическое соединение

История

Бутировая кислота впервые была обнаружена в нечистом виде в 1814 году французским химиком Мишелем Эженом Шеврёлем. К 1818 году он очистил её достаточно для её характеристики. Однако Шеврёль не опубликовал свои ранние исследования по бутировой кислоте; вместо этого он предоставил свои результаты в рукописном виде секретарю Академии наук в Париже, Франция. Анри Браконно, французский химик, также исследовал состав масла и публиковал свои результаты, что привело к спорам о первенстве. Уже в 1815 году Шеврёль утверждал, что обнаружил вещество, ответственное за запах масла. К 1817 году он опубликовал некоторые свои выводы относительно свойств бутировой кислоты и дал ей название. Однако подробное описание свойств бутировой кислоты он представил лишь в 1823 году. Название "бутировая кислота" происходит от греческого βούτῡρον, означающего "масло" – вещества, в котором она была впервые обнаружена. Латинское название butyrum (или buturum) схоже.

Возникновение

Триглицериды масляной кислоты составляют 3–4% сливочного масла. При прогоркании масла масляная кислота высвобождается из глицеридов путем гидролиза. Она относится к подгруппе жирных кислот, называемых жирными кислотами с короткой цепью. Масляная кислота – типичная карбоновая кислота, которая реагирует с основаниями и воздействует на многие металлы. Она содержится в животных жирах и растительных маслах, коровьем молоке, грудном молоке, сливочном масле, пармезанском сыре, запахе тела, рвоте и является продуктом анаэробной ферментации (в том числе в толстой кишке). Она имеет вкус, немного напоминающий масло, и неприятный запах. Млекопитающие с хорошими обонятельными способностями, такие как собаки, могут обнаруживать ее при концентрации 10 частей на миллиард, в то время как люди – только при концентрациях выше 10 частей на миллион. В пищевой промышленности она используется в качестве ароматизирующего агента. У человека масляная кислота является одним из двух основных эндогенных агонистов человеческого рецептора гидроксикарбоновых кислот 2 (HCA2), G-белок-связанного рецептора с альфа-субъединицей Gi. Масляная кислота присутствует в виде октилового эфира в пастернаке (Pastinaca sativa) и в семенах дерева гинкго.

Источники ферментируемых волокон

Высокоферментируемые волокнистые остатки, такие как устойчивый крахмал, овсяные отруби, пектин и гуар, преобразуются колоновыми бактериями в короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), включая бутират, при этом образуется больше КЦЖК, чем из менее ферментируемых волокон, таких как целлюлоза. Одно исследование показало, что устойчивый крахмал последовательно производит больше бутирата, чем другие типы пищевых волокон. Производство КЦЖК из волокон у жвачных животных, таких как крупный рогатый скот, обуславливает содержание бутирата в молоке и сливочном масле. Фруктаны – еще один источник пребиотических растворимых пищевых волокон, которые могут быть расщеплены с образованием бутирата. Они часто содержатся в растворимых волокнах продуктов, богатых серой, таких как луковые и крестоцветные овощи. Источники фруктанов включают пшеницу (хотя некоторые сорта пшеницы, такие как спельта, содержат меньшее количество), рожь, ячмень, лук, чеснок, топинамбур и артишок, спаржу, свеклу, цикорий, листья одуванчика, порей, радиккио, белую часть зеленого лука, брокколи, брюссельскую капусту, капусту, фенхель, а также пребиотики, такие как фруктоолигосахариды (ФОС), олигофруктоза и инулин.

Реакции

Бутировая кислота реагирует как типичная карбоновая кислота: она может образовывать амиды, сложные эфиры, ангидриды и хлорангидриды. Последний из них, хлорид бутирильной кислоты, обычно используется в качестве промежуточного продукта для получения остальных.

Применение

Бутировая кислота используется в приготовлении различных эфиров бутирата. Она используется для производства ацетатбутирата целлюлозы (CAB), который применяется в широком спектре инструментов, красок и покрытий и более устойчива к деградации, чем ацетат целлюлозы. CAB может разлагаться под воздействием тепла и влаги, высвобождая бутировую кислоту. Эфиры бутировой кислоты с низкой молекулярной массой, такие как метилбутират, в основном обладают приятным ароматом или вкусом. Многие из коммерчески доступных ароматизаторов, используемых в приманках для карпа (Cyprinus carpio), используют бутировую кислоту в качестве эфирной основы. Неясно, привлекает ли рыбу сама бутировая кислота или вещества, добавленные к ней. Бутировая кислота была одной из немногих органических кислот, которые оказались приятными на вкус как для линя, так и для горьца. Это вещество использовалось организацией Sea Shepherd Conservation Society в качестве зловонной бомбы для нарушения работы японских китобойных бригад.

Фармакология

+ Связывание с человеческим ферментом и GPCR Ингибированный фермент IC50 (нМ (наномолярный)) Примечание к записи HDAC1 16,000 HDAC2 12,000 HDAC3 9,000 HDAC4 2,000,000 Нижний предел HDAC5 2,000,000 Нижний предел HDAC6 2,000,000 Нижний предел HDAC7 2,000,000 Нижний предел HDAC8 15,000 HDAC9 2,000,000 Нижний предел CA1 511,000 CA2 1,032,000 GPCR-мишень pEC50 Примечание к записи FFAR2 2.9–4.6 Полный агонист FFAR3 3.8–4.9 Полный агонист HCA2 2.8 Агонист

Биохимия

Бутират оказывает многочисленные эффекты на энергетический гомеостаз и связанные с ним заболевания (диабет и ожирение), воспаление и иммунную функцию (например, он обладает выраженным антимикробным и противораковым действием) у людей. Эти эффекты реализуются посредством его метаболизма в митохондриях с образованием АТФ (аденозинтрифосфата) в процессе метаболизма жирных кислот, либо через одну или несколько его мишеней – гистоновые модифицирующие ферменты (то есть гистондеацетилазы класса I) и G-белок-связанные рецепторы (то есть FFAR2, FFAR3 и HCA2).

В кишечнике млекопитающих

Бутират необходим для поддержания иммунного гомеостаза и при диабете 1 типа. Бутират также снижается при диете с низким содержанием пищевых волокон, что может вызывать воспаление и другие неблагоприятные последствия, поскольку эти короткоцепочечные жирные кислоты активируют PPAR γ.

Бутират играет ключевую роль в поддержании иммунного гомеостаза как локально (в кишечнике), так и системно (через циркулирующий бутират). Показано, что он способствует дифференцировке регуляторных Т-клеток. В частности, циркулирующий бутират стимулирует генерацию экстратимических регуляторных Т-клеток. Низкий уровень бутирата у людей может способствовать снижению регуляторного контроля, опосредованного Т-клетками, тем самым усиливая мощный иммунопатологический ответ Т-клеток. С другой стороны, сообщалось, что кишечный бутират ингибирует местные провоспалительные цитокины. Отсутствие или истощение бутирата в кишечнике может, таким образом, способствовать чрезмерно активной воспалительной реакции. Бутират в кишечнике также защищает целостность кишечного эпителиального барьера. Следовательно, снижение уровня бутирата приводит к повреждению или нарушению функции кишечного эпителиального барьера. В исследовании 2013 года, проведенном Furusawa и соавторами, было обнаружено, что бутират, продуцируемый микроорганизмами, необходим для индукции дифференцировки регуляторных Т-клеток толстой кишки у мышей. Это имеет большое значение и, возможно, связано с патогенезом и васкулитом, ассоциированным со многими воспалительными заболеваниями, поскольку регуляторные Т-клетки играют центральную роль в подавлении воспалительных и аллергических реакций. В нескольких исследованиях было продемонстрировано, что бутират индуцирует дифференцировку регуляторных Т-клеток in vitro и in vivo. Противовоспалительная способность бутирата была тщательно изучена и подтверждена многими исследованиями. Было установлено, что микроорганизмы, продуцирующие бутират, ускоряют выработку регуляторных Т-клеток, хотя конкретный механизм этого процесса остается неясным. Недавно было показано, что бутират играет важную и непосредственную роль в модуляции экспрессии генов цитотоксических Т-клеток. Бутират также оказывает противовоспалительное действие на нейтрофилы, уменьшая их миграцию к ранам. Этот эффект опосредован рецептором HCA1.

В микробиомах кишечника, обнаруженных у млекопитающих, у всеядных и травоядных преобладают бактериальные сообщества, производящие бутират, посредством пути бутирил-КоА:ацетат-КоА трансферазы, в то время как у хищников преобладают бактериальные сообщества, производящие бутират, посредством пути бутираткиназы. Запах масляной кислоты, исходящий из сальных фолликулов всех млекопитающих, действует на клещей как сигнал.

Иммуномодуляция и воспаление

Эффект бутирата на иммунную систему обусловлен ингибированием гистон-дезацетилаз I класса и активацией его G-белок-связанных рецепторов: HCA2 (GPR109A), FFAR2 (GPR43) и FFAR3 (GPR41). In vitro, бутират повышает экспрессию гена FOXP3 (транскрипционного регулятора Tregs – регуляторных Т-клеток) и стимулирует регуляторные Т-клетки толстой кишки (Tregs) посредством ингибирования гистон-дезацетилаз I класса; бутират также подавляет воспаление в толстой кишке, ингибируя сигнальные пути IFN γ–STAT1, что частично опосредовано ингибированием гистондезацетилазы. В то время как транзиторная сигнализация IFN γ обычно связана с нормальным иммунным ответом организма, хроническая сигнализация IFN γ часто ассоциируется с хроническим воспалением. Показано, что бутират ингибирует активность HDAC1, связанного с промотором гена Fas в Т-клетках, что приводит к гиперацетилированию промотора Fas и увеличению экспрессии рецептора Fas на поверхности Т-клеток. Подобно другим изученным агонистам HCA2, бутират также оказывает выраженный противовоспалительный эффект в различных тканях, включая мозг, желудочно-кишечный тракт, кожу и сосудистую ткань. Связывание бутирата с FFAR3 индуцирует высвобождение нейропептида Y и способствует функциональному гомеостазу слизистой оболочки толстой кишки и энтеральной иммунной системы.

Рак

Было показано, что бутират является ключевым медиатором воспалительного ответа в толстой кишке. Он обеспечивает около 70% энергии для колоноцитов, являясь критически важной короткоцепочечной жирной кислотой (SCFA) в поддержании гомеостаза толстой кишки. Бутират обладает как профилактическим, так и терапевтическим потенциалом в борьбе с воспалением при язвенном колите (ЯК) и колоректальном раке. Он оказывает различное воздействие на здоровые и раковые клетки: это явление известно как «бутиратный парадокс». В частности, бутират ингибирует опухолевые клетки толстой кишки и стимулирует пролиферацию здоровых клеток эпителия толстой кишки. Объяснение того, почему бутират служит источником энергии для нормальных колоноцитов и индуцирует апоптоз в раковых клетках толстой кишки, заключается в эффекте Варбурга в раковых клетках, который приводит к нарушению метаболизма бутирата. Это приводит к накоплению бутирата в ядре, где он действует как ингибитор гистон-деацетилазы (HDAC). Одним из механизмов, посредством которого бутират подавляет воспаление в толстой кишке, является ингибирование сигнальных путей IFN γ/STAT1. Показано, что бутират ингибирует активность HDAC1, связанного с промотором гена Fas в Т-клетках, что приводит к гиперацетилированию промотора Fas и увеличению экспрессии рецептора Fas на поверхности Т-клеток. Таким образом, можно предположить, что бутират усиливает апоптоз Т-клеток в ткани толстой кишки, тем самым устраняя источник воспаления (продукцию IFN γ). Бутират ингибирует ангиогенез, инактивируя активность транскрипционного фактора Sp1 и снижая экспрессию гена сосудистого эндотелиального фактора роста. В целом, образование летучих жирных кислот, таких как бутират, из ферментируемых волокон может способствовать роли пищевых волокон в профилактике рака толстой кишки. Короткоцепочечные жирные кислоты, включая масляную кислоту, производятся полезными бактериями толстой кишки (пробиотиками), которые питаются или ферментируют пребиотики – растительные продукты, содержащие пищевые волокна. Эти короткоцепочечные жирные кислоты полезны для колоноцитов, увеличивая выработку энергии, и могут защищать от рака толстой кишки, ингибируя пролиферацию клеток. Исследования на мышах показывают, что бутират стимулирует трансформацию эпителиальных клеток толстой кишки с дефицитом MSH2.

Butyrate has been shown to be a critical mediator of the colonic inflammatory response. It is responsible for about 70% of energy from the colonocytes, being a critical SCFA in colon homeostasis. Butyrate possesses both preventive and therapeutic potential to counteract inflammation mediated ulcerative colitis (UC) and colorectal cancer. It produces different effects in healthy and cancerous cells: this is known as the "butyrate paradox". In particular, butyrate inhibits colonic tumor cells and stimulates proliferation of healthy colonic epithelial cells. The explanation why butyrate is an energy source for normal colonocytes and induces apoptosis in colon cancer cells, is the Warburg effect in cancer cells, which leads to butyrate not being properly metabolized. This phenomenon leads to the accumulation of butyrate in the nucleus, acting as a histone deacetylase (HDAC) inhibitor. One mechanism underlying butyrate function in suppression of colonic inflammation is inhibition of the IFN γ/STAT1 signalling pathways. It has been shown that butyrate inhibits activity of HDAC1 that is bound to the Fas gene promoter in T cells, resulting in hyperacetylation of the Fas promoter and upregulation of Fas receptor on the T cell surface. It is thus suggested that butyrate enhances apoptosis of T cells in the colonic tissue and thereby eliminates the source of inflammation (IFN γ production). Butyrate inhibits angiogenesis by inactivating Sp1 transcription factor activity and downregulating vascular endothelial growth factor gene expression. In summary, the production of volatile fatty acids such as butyrate from fermentable fibers may contribute to the role of dietary fiber in colon cancer. Short chain fatty acids, which include butyric acid, are produced by beneficial colonic bacteria (probiotics) that feed on, or ferment prebiotics, which are plant products that contain dietary fiber. These short chain fatty acids benefit the colonocytes by increasing energy production, and may protect against colon cancer by inhibiting cell proliferation. Studies in mice indicate it drives transformation of MSH2 deficient colon epithelial cells.

Потенциальные методы лечения при восстановлении бутиратов

Ввиду важности бутирата как регулятора воспаления и участника функционирования иммунной системы, дефицит бутирата может быть ключевым фактором, влияющим на патогенез многих васкулитов. Поэтому необходимо поддерживать здоровый уровень бутирата в кишечнике. Трансплантация фекальной микробиоты (для восстановления продукции бутирата бактериями и симбиоза в кишечнике) может быть эффективным способом восполнения уровня бутирата. В ходе этой процедуры здоровый донор передает свой стул пациенту с дисбиозом. Менее инвазивным вариантом лечения является применение бутирата – в виде пероральных добавок или клизм, – которое, как показали исследования, эффективно купирует симптомы воспаления с минимальными или отсутствующими побочными эффектами. В исследовании, где пациентам с язвенным колитом проводили лечение бутиратовыми клизмами, воспаление значительно уменьшилось, а кровотечение полностью прекратилось после начала терапии бутиратом.

Зависимость

Бутировая кислота является ингибитором, селективным к HDAC класса I у человека. Бутировая кислота и другие ингибиторы HDAC использовались в доклинических исследованиях для оценки транскрипционных, нейронных и поведенческих эффектов ингибирования HDAC у животных с наркотической зависимостью.

Бутиратные соли и эфиры

Бутиратный или бутаноатный ион, C3H7COO, является сопряжённым основанием масляной кислоты. Он представляет собой форму, встречающуюся в биологических системах при физиологическом pH. Бутиратное (или бутановое) соединение – это карбоксилатная соль или эфир масляной кислоты.