Microbiota intestinal y metabolismo de macronutrientes

La microbiota intestinal humana es un ecosistema complejo de microorganismos que  habitan y mantienen la homeostasis del tracto gastrointestinal. La mayor parte de las contribuciones de la microbiota intestinal a la fisiología del organismo humano está relacionada con el metabolismo microbiano. En general, el metabolismo microbiano de sustratos exógenos y endógenos para obtener nutrientes utilizables por el huésped es un beneficio directo, pero los metabolitos también pueden actuar para modular el sistema inmune impactando la fisiología y la expresión de genes de las células del huésped. El colon es el principal sitio de esta fermentación, el tiempo de tránsito relativamente alto y el pH acoplado con bajo recambio de células y potencial redox son condiciones favorables para la proliferación de bacterias.  Sin embargo, esto no excluye la importancia de la microbiota en otros sitios, como por ejemplo, la microbiota del intestino delgado regula la absorción de nutrientes y el metabolismo del huésped. La presencia de diversas actividades metabólicas permite a la microbiota intestinal ocupar los nichos ecológicos disponibles e inhibir competitivamente la colonización por patógenos. La elevada concentración  de productos ácidos derivados de la fermentación local reduce el pH y crea un ambiente inhóspito para los microorganismos invasores. Sin embargo, las rutas específicas de fermentación de los microbios intestinales pueden resultar en la formación de compuestos tóxicos  que tienen el potencial para dañar el epitelio del huésped y causar inflamación. 

   Los tres macronutrientes consumidos en la dieta humana, carbohidratos, proteínas  y grasas pueden alcanzar el colon escapando de la digestión primaria cuando la cantidad consumida excede a la tasa de digestión o resisten a la digestión primaria debido a la complejidad estructural de biomoléculas específicas. Varios factores pueden influir en la eficiencia digestiva, lo cual a su vez modula los sustratos disponibles para consumo de la microbiota intestinal, incluyendo la forma y el tamaño de las partículas del alimento, la composición de la comida (afectada por las tasas relativas  de macronutrientes, y la presencia de anti-nutrientes como inhibidores de la α-amilasa)  y el tiempo de tránsito. El tiempo de tránsito en particular altera la composición de las comunidades microbianas fecales, lo cual es el resultado de varias variables incluyendo dieta, actividad física, genética, drogas (por ejemplo, cafeína y alcohol)  y  estatus psicológico. La biodisponibilidad de micronutrientes para el huésped también puede ser influenciada por los procesos metabólicos de la microbiota intestinal. Las bacterias del colon pueden sintetizar endógenamente co-factores esenciales para el metabolismo energético del huésped y la regulación de la expresión de genes, como las vitaminas del complejo B. Otro ejemplo incluye la biotransformación  por la microbiota intestinal de polifenoles derivados de plantas, los cuales tienen propiedades anti-oxidante, anti-cáncer y/o anti-inflamatoria,  lo que mejora su captación por el huésped.

   Los polisacáridos de la dieta pueden ser metabolizados a través de los diversos enlaces entre las unidades de monosacáridos por una gran cantidad de enzimas activadas por carbohidratos que se encuentran en el microbioma intestinal humano. Por ejemplo, los Bacteroides thetaiotaomicron posee 260 hidrolasas de glucósidos en su genoma, lo cual enfatiza el requerimiento de adaptación a través de la evolución  para maximizar la utilización del almidón y la variedad de fibras disponibles como partes de la dieta humana. Por el contrario, las células humanas producen muy pocas de estas enzimas (aunque producen amilasa para remover las unidades α del almidón y pueden usar azucares como glucosa, fructosa, sucrosa y lactosa en el intestino delgado) y dependen de los microbios intestinales para obtener la energía del resto de carbohidratos complejos. Sin embargo, una vez que la etapa limitante de la degradación primaria ha sido superada, los monosacáridos resultantes pueden ser rápidamente consumidos por la microbiota intestinal con poca interconversión de sustratos  para entrar en las rutas Embden-Meyerhof-Parnas y Entner-Doudoroff o la ruta de las pentosas fosfato para generar piruvato y la subsiguiente producción de ATP. Por otra parte, las proteínas de la dieta se caracterizan por enlaces peptídicos que pueden ser rotos por proteasas. Las bacterias intestinales pueden producir aspártico-, cisteína-, serina- y metalo-proteinasas, pero estas enzimas bacterianas son superadas por las proteasas procedentes de las células humanas. Sin embargo, los veinte aminoácidos proteinogénicos requieren más etapas de interconversión para la incorporación en rutas bioquímicas en comparación con las unidades de monosacáridos y las especies microbianas intestinales no tienen capacidad para fermentar todos los aminoácidos para producir energía. Adicionalmente, la incorporación microbiana de aminoácidos del ambiente en procesos anabólicos podría conservar más energía en comparación con su uso catabólico reduciendo la necesidad de biosíntesis de aminoácidos. Es por esta razón que los aminoácidos, a diferencia de los carbohidratos, generalmente no son considerados una fuente de energía eficiente, y por tanto los microbios intestinales consumen preferencialmente carbohidratos en lugar de proteínas.  Esta jerarquía metabólica es análoga a la de células humanas como las células epiteliales intestinales (CEI), en las cuales incrementa la autofagia cuando los nutrientes derivados de los microbios son escasos.

   El piruvato es producido principalmente a partir de carbohidratos, pero también a partir de otros sustratos, y la microbiota intestinal humana ha desarrollado varias estrategias para su fermentación y generar energía. El piruvato puede ser catabolizado en succinato, lactato o acetil-CoA. Sin embargo, estos intermediarios no alcanzan altas concentraciones y pueden ser metabolizados para producir los  ácidos grasos de cadena corta (AGCC) acetato, propionato y butirato. Estos metabolitos son los más abundantes y mejor  estudiados de los productos finales microbianos, pues sus efectos son fisiológicamente importantes. Por ejemplo, las CEI los utilizan como una fuente de energía. Los AGCC contribuyen con aproximadamente 10% del contenido calórico requerido por el cuerpo humano para su funcionamiento óptimo. El butirato es la fuente de energía preferida; su consumo mejora la integridad de las CEI a través de la promoción de uniones estrechas, la proliferación celular y la producción de mucina. El butirato también exhibe efectos anti-inflamatorios a través de la estimulación de CEI y células presentadoras de antígenos para producir las citoquinas TGF-β, IL-10 e IL-18 e inducir la diferenciación de células T en células T reguladoras. Acetato y propionato también pueden ser consumidos por las CEI (aunque en menor grado que el butirato) y tienen algunos efectos anti-inflamatorios. El propionato también puede inducir la diferenciación de células T en células T reguladoras. El exceso de AGCC que no es metabolizado por las CEI es transportado vía vena hepática al hígado, donde los AGCC pueden ser incorporados como precursores en la gluconeogénesis, lipogénesis y colesterologénesis. Específicamente, el propionato es gluconeogénico, mientras acetato y butirato son lipogénicos. La relación de propionato a acetato es particularmente importante, porque el propionato puede inhibir la conversión de acetato en colesterol y grasa. El rol de los AGCC en la homeostasis de la glucosa no está completamente dilucidado, aunque trabajos preliminares sugieren un efecto beneficioso pues los niveles plasmáticos de insulina se relacionan inversamente con la concentración plasmática de acetato.

   Además de los AGCC, pequeñas pero significativas cantidades de alcoholes, incluyendo etanol, propanol y 2,3- butanediol pueden ser formados como productos finales de la fermentación del piruvato. El metanol también es producido por la microbiota intestinal como resultado de la degradación de la pectina, la desmetilación de proteínas celulares endógenas o la síntesis de vitamina B₁₂. Los alcoholes son transportados al hígado, donde el proceso de destoxificación involucra su conversión en AGCC, aunque a través de rutas que producen aldehídos tóxicos como precursores. En particular, las proteobacterias son capaces de generar alcohol y están asociadas positivamente con la disbiosis en la enfermedad intestinal inflamatoria, una enfermedad en la cual los pacientes están predispuestos a desarrollar hígado graso no alcohólico. Sin embargo, los alcoholes también pueden ser destoxificados por muchos miembros de la microbiota intestinal a través de rutas similares a las que están presentes en las células de los mamíferos y de esta manera regulan su concentración. Adicionalmente, el metanol puede ser usado como sustrato para acetogénesis y el etanol puede ser acoplado al propionato para la producción de valerato, el cual inhibe el crecimiento de células cancerosas y previene el crecimiento vegetativo de Clostridioides difficile.

   El cuerpo humano puede absorber rápidamente AGCC y alcoholes, lo cual ayuda a reducir sus concentraciones en el colon, permitiendo reacciones cinéticas favorables. La fermentación gaseosa por productos, dióxido de carbono e hidrógeno, también debe ser removida para ayudar al metabolismo. La utilización de estos sustratos es el resultado de la actividad de los miembros de la microbiota intestinal más que de la absorción del huésped. En el intestino humano existen tres estrategias para esta actividad, (1) acetógenos, por ejemplo, Blautia sp convierte  dióxido de carbono más hidrógeno en acetato; (2) metanógenos, Mehtanobrevibacter sp convierte dióxido de carbono más hidrogeno en metano; (3) bacterias que reducen sulfato incluyendo Desulfovibrio, convierten sulfato más hidrógeno en sulfuro de hidrógeno. Una alta abundancia de estas bacterias puede mejorar la eficiencia del metabolismo en el intestino. Por ejemplo, un incremento en metanógenos se observa en el tracto gastrointestinal de pacientes con anorexia nerviosa, lo cual puede ser una estrategia de la microbiota intestinal en respuesta a la carencia de alimentos. Las bacterias que reducen sulfato son las más eficientes de las hidrogenotropas, pero requieren una fuente de sulfato y en el intestino, la fuente más prominente de sulfato son los glucanos sulfatados. Aunque algunos de estos glucanos se pueden obtener en la dieta, la fuente más accesible es la mucina producida por el huésped. Las bacterias que reducen sulfato, como  las Bacteroides, obtienen el sulfato a partir de estos sustratos mediante la producción de sulfatasas. El sulfuro de hidrógeno tiene un efecto tóxico para las CEI a través de la inhibición de la citocromo C oxidasa mitocondrial y un efecto pro-inflamatorio a través de la activación de células T helper 17. El sulfuro de hidrógeno también actúa directamente sobre los enlaces disulfuro de la mucina facilitando su degradación. Elevadas concentraciones de sulfuro de hidrógeno y proporciones aumentadas de bacterias que reducen sulfuro han sido reportadas en pacientes con enfermedad intestinal inflamatoria.

   La digestión de las proteínas por el huésped es más variable que la de carbohidratos y grasas y es influenciada por factores como las tasas de macronutrientes, el tiempo de tránsito y la fuente (vegetal o animal), lo cual provoca diferencias en la composición de aminoácidos disponibles para la microbiota intestinal. Las etapas extras de interconversión requeridas para la fermentación de aminoácidos provocan una diversidad de productos. El catabolismo de proteínas en el intestino generalmente tiene una connotación negativa porque en este proceso pueden resultar compuestos que son tóxicos para el huésped, incluyendo aminas, fenoles/índoles y sulfuros. Sin embargo, no todos los aminoácidos son fermentados a productos tóxicos como resultado de la actividad de la microbiota intestinal. En efecto, los productos finales más abundantes son los AGCC. Un microbio puede exhibir una de dos estrategias para la etapa inicial del catabolismo de aminoácidos, desaminación para producir ácido carboxílico más amonio o desaminación para producir amina más dióxido de carbono.  El amonio puede inhibir el consumo de oxigeno mitocondrial y disminuir el catabolismo de AGCC por las CEI, por lo que la producción excesiva de amonio impacta negativamente al huésped. Sin embargo, la microbiota intestinal asimila rápidamente el amonio en procesos de biosíntesis de aminoácidos y, adicionalmente, las CEI pueden controlar la concentración de amonio a través de su conversión en citrulina y glutamina o a través de su liberación lenta en la circulación sanguínea. La desaminación parece ser la estrategia más común del catabolismo de aminoácidos por la microbiota intestinal, pues altas concentraciones de AGCC son producidas a partir de la degradación de aminoácidos a través de esta ruta. Las próximas etapas dependen de la clase de aminoácidos y eventualmente resultan en intermediarios del ciclo de ácido tricarboxílico, piruvato o precursores de AGCC relacionados con coenzima A. Algunas especies microbianas, principalmente de la clase Bacilli, también poseen deshidrogenasas de ácidos ceto de cadena ramificada para generar energía a partir de la forma oxidada de aminoácidos de cadena ramificada, lo cual provoca la formación de ácidos grasos de cadena ramificada (AGCR) como isovalerato e isobutirato. Los AGCR son capaces de modular el metabolismo de la glucosa y los lípidos en el hígado y el isobutirato puede ser usado como fuente de energía por las CEI cuando el butirato es escaso.

   El catabolismo de los aminoácidos que contienen azufre, cisteína y metionina, resulta en la producción de sulfuro de hidrógeno y metanediol, respectivamente. Un gran número de especies bacterianas, incluyendo Proteobacteria, Bacilli, Clostridium y Bifidobacterium  contienen las enzimas degradativas para este proceso. El sulfuro de hidrógeno puede ser metilado a metanediol, el cual a su vez puede ser metilado para formar dimetil sulfuro. Esta metilación es considerada  parte del proceso de destoxificación debido a la naturaleza progresivamente menos tóxica de estos compuestos. Sin embargo, el metanediol también puede ser convertido en sulfuro de hidrógeno y posteriormente oxidado a sulfato, el cual puede ser utilizado por las bacterias que reducen sulfato.

   Una gran diversidad de especies bacterianas de la microbiota intestinal incluyendo bifidobacterias, clostridium, lactobacilos, enterococos, estreptococos y miembros de la familia Enterobacteriaceae, pueden descarboxilar aminoácidos básicos y formar aminas.  El catabolismo de arginina puede producir agmatina por desaminación y/o putrescina, espermidina y espermina como parte de la ruta de síntesis de poliaminas. La agmatina inhibe la proliferación de CEI, también tiene efectos anti-inflamatorios a través de la inhibición de la sintetasa de óxido nítrico y es un potencial neurotransmisor con agonismo por receptores adrenérgicos α₂ y sitios de unión imidazolina, mientras simultáneamente bloquea canales de cationes disparado por ligando (clase NMDA). La putrescina es esencial para la proliferación de CEI. Es el precursor de espermidina/espermina, las cuales son capaces de reducir el estrés oxidativo y promover la longevidad celular a través de la estimulación de la autofagia. Las tres poliaminas mejoran la integridad del intestino porque incrementan la expresión de proteínas de las uniones estrechas, promueven la restitución intestinal e incrementan la secreción de mucus. La putrescina y la espermina son capaces de inhibir la producción de citoquinas pro-inflamatorias como IL-1, IL-6 y TNF-α. La arginina también puede ser convertida en glutamato, el cual puede ser desaminado para producir GABA, el principal neurotransmisor inhibidor del sistema nervioso central. Por otra parte, el catabolismo de la histidina produce histamina, la cual previene la translocación bacteriana en el intestino, mientras el catabolismo de la lisina puede producir cadaverina que en altas cantidades puede ser tóxica.

   La degradación de aminoácidos  aromáticos (triptófano, tirosina, fenilalanina)  genera una diversidad de compuestos indólicos y fenólicos que pueden actuar como toxinas o neurotransmisores. El catabolismo del triptófano puede producir triptamina e índoles. La triptamina es un neurotransmisor que juega un rol en regulación de la motilidad intestinal y la función inmune.  En particular, es capaz de interactuar con la indolamina 2,3-dioxigenasa y el receptor aril hidrocarbono para promover la supervivencia inmune y reducir la expresión de citoquinas pro-inflamatorias, respectivamente. La triptamina también puede  inducir la liberación de serotonina por las células enteroendocrinas. La descarboxilación del triptófano es una actividad rara entre las especies de la microbiota intestinal, pero ciertos Firmicutes son capaces de hacerla. Por otra parte, el indol es un metabolito del triptófano producido por muchas especies de Bacteroides y Enterobacteriaceae que juega un importante rol en la defensa del huésped interactuando con el receptor pregnano X y el receptor aril hidrocarbono. Esta actividad fortifica la barrera intestinal incrementando la expresión de proteínas de las uniones estrechas y regulando a la baja la expresión de citoquinas pro-inflamatorias. El indol también induce la secreción de péptido similar a glucagón 1 (GLP1) por las células enteroendocrinas e inhibe la motilidad y secreción gástrica para promover saciedad. Sin embargo, la sobre producción de indol puede incrementar su exportación al hígado, donde es sulfatado a indoxil sulfato, una toxina urémica asociada con la enfermedad renal crónica.

   El catabolismo de la tirosina puede producir tiramina, fenol y p-cresol. La tiramina es un neurotransmisor que puede ser producido por ciertas bacterias intestinales vía descarboxilación, incluyendo Enterococcus y Enterobacteriaceae, y facilita la liberación de noradrenalina que induce vasoconstricción periférica, eleva los niveles sanguíneos de glucosa e incrementa el gasto cardiaco y la respiración. Adicionalmente, la tiramina incrementa la síntesis de serotonina por las células enteroendocrinas en el intestino y aumenta su liberación en la circulación sanguínea. El fenol y el p-cresol son metabolitos fenólicos que disminuyen la integridad del epitelio intestinal y la viabilidad de las CEI, y pueden ser producidos por muchas especies bacterianas intestinales, incluyendo Enterobacteriaceae y Clostridium. En particular, el p-cresol es genotóxico, eleva la producción de superóxido e inhibe la proliferación de CEI. Adicionalmente, el p-cresol puede ser sulfatado para producir cresil sulfato, el cual está asociado con enfermedad renal crónica. El catabolismo de fenilalanina puede producir feniletilamina y ácido trans-cinámico. La feniletilamina facilita la liberación de catecolaminas y serotonina y está asociada positivamente con la enfermedad  de Crohn. La conversión de fenilalanina en  trans-cinamato y tirosina en ácido p-coumárico resulta en un incremento en las concentraciones  de fenilpropionato y 4-hidrofenilpropionato, los cuales a su vez producen metabolitos urinarios asociados con el fenotipo ácido clorogénico. Estas rutas metabólicas ocurren con especies de Clostridium y Peptostreptococcus, respectivamente.

   Una proporción muy pequeña de la grasa de la dieta alcanza el colon. Los microorganismos en el intestino poseen lipasas, las cuales pueden degradar triglicéridos y fosfolípidos. Los triglicéridos representan 95% de la grasa total de la dieta, mientras los fosfolípidos, principalmente en la forma de fosfatidilcolina constituyen una porción menor, pero también derivan endógenamente a partir de ácidos biliares. Ciertas bacterias que habitan en el tracto gastrointestinal, incluyendo especies de Lactobacilos, Enterococcus, Clostridia y Proteobacteria pueden utilizar los triglicéridos y reducir el glicerol a 1,3-propanediol. El 3-hidroxipropanal (reuterin) es un intermediario de este proceso que tiene propiedades anti-microbianas contra microorganismos patógenos y comensales, pero también puede ser deshidratado espontáneamente para formar acroleína. La acroleína es una genotoxina altamente reactiva con una potencia mutagénica equivalente a la del formaldehído. Por otra parte, la colina puede ser metabolizada a trimetilamina por especies de la microbiota intestinal, particularmente Clostridia y Proteobacteria. La trimetilamina es oxidada en el hígado a trimetilamina N-oxido, el cual exacerba la ateroesclerosis promoviendo la formación de macrófagos y alterando el transporte de colesterol. Los lípidos libres  pueden interactuar directamente con receptores del huésped. Particularmente, los ácidos grasos saturados son agonistas del TLR4 y promueven la inflamación, mientras los ácidos grasos insaturados omega-3 son antagonistas del TLR4 y previenen la inflamación. La grasa de la dieta también puede alterar el perfil de ácidos biliares. Los lípidos saturados incrementan la cantidad relativa de taurina conjugada y este compuesto que contiene sulfuro provoca la expansión de bacterias que reducen sulfato en el intestino.

   En conclusión, la microbiota intestinal humana es un componente crítico de la digestión, degradando carbohidratos complejos, proteínas y, en menor extensión, grasas que alcanzan el tracto gastrointestinal inferior. Este proceso resulta en una multitud de metabolitos microbianos que pueden actuar  localmente y sistemáticamente (después de ser absorbidos en la circulación sanguínea). Los metabolitos resultantes incluyen principalmente ácidos grasos de cadena corta y alcoholes (formados principalmente a partir de monosacáridos), amonio, ácidos grasos de cadena ramificada, aminas, compuestos que contienen sulfuro, fenoles e índoles (derivados de aminoácidos), glicerol y colina (derivados de lípidos), dióxido de carbono e hidrógeno.  El impacto de estos metabolitos sobre la salud humana es complejo con compuestos potencial beneficiosos y compuestos potencialmente tóxicos.

Fuente: Oliphant K, Allen-Vercoen E (2019). Macronutrient metabolism by the human gut microbiome: major fermentation by products and their impact on host health. Microbiome 7:91.