Le funzioni metaboliche del microbiota intestinale
Le funzioni metaboliche del microbiota intestinale comprendono la produzione delle vitamine, la sintesi degli aminoacidi e la biotrasformazione degli acidi biliari attraverso enzimi che hanno implicazioni importanti per il metabolismo del colesterolo e del glucosio. Inoltre, il microbioma fornisce percorsi biochimici necessari per la fermentazione dei substrati non digeribili e del muco endogeno. La fermentazione, peraltro, stimola la crescita batterica producendo gas e acidi grassi a catena corta, tra cui i principali sono l’acetato, il butirrato e il propionato. Altri prodotti finali batterici includono il lattato, l’etanolo, il succinato, il formiato, il valerato, il caproato, l’isobutirrato, il 2-metil-butirrato e l’isovalerato. La fermentazione batterica è presente nel cieco e nel colon, dove gli acidi grassi a catena corta vengono assorbiti stimolando l'assorbimento dei sali e dell’acqua. Una proprietà di questi acidi grassi è costituita dal loro effetto trofico sull’epitelio intestinale. Il butirrato, peraltro, è la fonte energetica preferita dalle cellule epiteliali ed è quasi completamente eliminato dall’epitelio del colon. Nel colon l’acetato rappresenta la principale forma di acidi grassi a catena corta e anche il substrato primario per la sintesi del colesterolo. Per altro verso, il propionato, aggiunto alla dieta come integratore, ha dimostrato di ridurre i livelli di colesterolo in vivo. Tutto questo sta a confermare il valore essenziale delle molteplici attività metaboliche della flora intestinale per il metabolismo dell’ospite.
È stato rilevato, comunque, che un’alimentazione ricca in carboidrati non glicemici, quelli denominati in passato fibre alimentari, favorisce la colonizzazione dei Lattobacilli e dei Bifidobatteri. I primi sono anche denominati fermenti lattici per la loro proprietà di produrre acido lattico dalla fermentazione dei substrati zuccherini. La loro quota nella normale microflora è di solito scarsa e inferiore di alcuni ordini di grandezza a quella dei Bifidobatteri. Questi ultimi producono acido acetico e lattico e sono meno presenti nei preparati probiotici, perché deperibili. Presentano, però, il vantaggio di superare meglio la barriera gastrica. Di converso, una dieta ricca di grassi e carne apre le porte ai batteri, cosiddetti putrefattivi, con possibilità di produzione di sostanze cancerogene. Pur tuttavia, i cambiamenti, anche drastici, della dieta non condizionano in genere marcate variazioni del microbiota intestinale. In effetti, i batteri, potendo utilizzare diversi nutrienti come substrato, dimostrano abbastanza sufficientemente e rapidamente di adattarsi alle modificazioni dietetiche dell’ospite. Da quanto riportato si evince, comunque, che i probiotici per essere efficaci, devono poter colonizzazione nell’intestino e, quindi, devono raggiungerlo in quantità sufficientemente elevata e avere un tasso di crescita adeguato per competere con la flora batterica già residente.
Pur tuttavia, per effetto del metabolismo batterico si ottengono condizioni positive, come l’idrolisi delle proteine a peptidi e ad aminoacidi, quella dei lipidi e la produzione delle vitamine. Possono, però, combinarsi altre funzioni, come l’inattivazione di alcuni farmaci e la produzione di metaboliti tossici o cancerogeni. Per tutto quanto considerato, nel microbiota residente vengono distinti batteri utili, dannosi e indifferenti.
La normale microflora impedisce ai batteri patogeni di colonizzare l’intestino, opponendo con un effetto di barriera la resistenza alla colonizzazione. Tutto ciò si realizza con meccanismi indiretti, come l’aumento della velocità del transito e la modulazione del sistema immunitario, e con effetti diretti. Questi ultimi, tesi a contrastare la colonizzazione di altri germi nell’intestino, si basano su:
- La competizione per i nutrienti e per gli spazi.
- L’amensalismo, detto anche competizione asimmetrica, per interazione con cui s’impedisce o si diminuisce il successo di un'altra specie, senza però allo stesso tempo trarne vantaggi o svantaggi. Ciò può accadere se si secerne una sostanza chimica come parte del proprio normale metabolismo, ma con effetto negativo su un secondo microrganismo. Ad esempio, gli acidi grassi a catena corta, prodotti dai batteri anaerobi obbligati, inibiscono la crescita degli aerobi facoltativi e della Salmonella e di altri batteri patogeni.
- L’effetto predatorio, quando una specie microbica consuma un’altra di dimensioni più piccole.
- Il parassitismo, quando un tipo di batteri ne uccide un altro di dimensioni maggiori, come nel caso dei batteriofagi infettanti altri batteri.
In tutto questo i fattori ambientali, come il clima e la temperatura, e le caratteristiche e i comportamenti dell’ospite, come l’età, il sesso, lo stress e l’attività fisica, hanno, di certo, influenza sulla microflora intestinale, ma gli studi nei meriti non sono ancora conclusivi. Invero, l’antibioticoterapia rappresenta la principale causa della sua alterazione. Essa, difatti, procura spesso colite nel 5-30% dei casi o diarrea. A tale riguardo, è sempre opportuno suggerire la raccomandazione di mantenere una corretta microflora intestinale, ricordando che la riduzione dei batteri utili permette la presenza delle specie patogene con l’innesco d’infezioni, non solo locali, ma anche extraintestinali in altri organi.
Il tratto gastrointestinale umano contiene, quindi, circa 1014 microbi che in primo luogo abitano il colon e che rappresentano oltre 1.000 varietà batteriche. Storicamente il profilo della flora intestinale è stato attentamente esaminato come organo strettamente legato al benessere fisico, con alcuni ceppi rivolti alla promozione della salute e altri alle malattie. Così che, oltre al suo ruolo nello stabilire e mantenere la normale salute intestinale, il microbiota è stato riconosciuto dotato di azione potenziale per il miglioramento o l’aggravamento di numerose malattie, dal cancro del retto sino alle malattie autoimmuni e allergiche.
A tale proposito, i livelli più elevati di Faecalibacterium prausnitzii si sono trovati nei soggetti sani e non nei pazienti affetti da colite. Inoltre, la colonizzazione del Bacteroides fragilis in topi liberi da germi produce PSA (polysaccharide A), che modula positivamente la risposta immune delle cellule T dell'ospite. Una disbiosi intestinale è stata dimostrata nell’obesità e nelle sue associate comorbidità per una riduzione dei Bacteroidetes e un aumento dei Firmicutes. Peraltro, la perdita di peso aumenta la proporzione dei Bacteroidetes, rispetto ai Firmicutes. Inoltre, una prova indiretta di quest’associazione è offerta dall’aumentata concentrazione dell’etanolo nel respiro degli obesi, correlata verosimilmente alla microflora intestinale, come dimostrato nei topi obesi, rispetto ai magri. In effetti, è stato dimostrato che tale dato non era più apprezzabile dopo la somministrazione orale di antibiotici.
Michael Blaut e Thomas Clavel del German Institute of Human Nutrition (DIfE) Nuthetal, Germany, ribadendo che i batteri che colonizzano il tratto intestinale umano presentano un’elevata diversità filogenetica che riflette il loro immenso potenziale metabolico, hanno discusso sull’impatto importante che essi hanno in virtù della loro attività catalitica sulla funzione gastrointestinale e salute dell'ospite (J. Nutr. 137: 751S-755S, 2007). Tutti i componenti della dieta che sfuggono alla digestione nell'intestino tenue sono substrati potenziali dei batteri presenti nel colon. La conversione batterica dei carboidrati, delle proteine e dei composti non nutritivi, come le sostanze polifenoliche portano alla formazione di un gran numero di composti che possono avere effetti positivi o negativi sulla salute umana. L'apparato digerente umano è importante non solo per l’assorbimento dei nutrienti, ma anche perché ospita una comunità di microrganismi principalmente anaerobi. Sotto quest’ultimo aspetto, le condizioni nelle varie sezioni del tratto gastrointestinale differiscono notevolmente. Ciò riflette la distribuzione irregolare delle cellule batteriche, con basse concentrazioni nello stomaco e duodeno, fino alle 103 unità formanti colonie (ufc) 3 per millilitro (ufc × mL-1), per aumentare nel digiuno e nell’ileo dalle 104 alle 108 ufc × mL-1. La concentrazione massima si ha nel colon con 109-1012 cfu × mL-1. La composizione della flora batterica intestinale è relativamente semplice nei bambini ma aumenta di complessità con lo svolgere dell'età, raggiungendo un elevato grado negli adulti. Tra gli individui umani, comunque, vi è un alto grado di variabilità a livello di specie o ceppi batterici. La dieta è uno dei principali determinanti per la persistenza nel tratto gastrointestinale di un dato batterio, perché essa fornisce nutrienti non solo per l'ospite, ma anche per i germi che lo abitano. Le componenti alimentari non digeribili servono come fonti di energia e di carbonio per i batteri intestinali umani. La dieta, comunque, ha un effetto indiretto sulla funzione gastrointestinale dell'ospite, e quindi sulla salute, proprio per il fatto di influenzare la composizione e l'attività della flora intestinale. I batteri intestinali influenzano la maturazione e la manutenzione del sistema immunitario, influenzano la proliferazione cellulare e contribuiscono al recupero di energia. Inoltre, come detto, la flora batterica intestinale ha un grande potenziale catalitico, che può portare alla formazione di metaboliti con effetti benefici o negativi sulla salute.
Dal loro canto, Kemin Tan dell’Argonne National Laboratory, Illinois – USA e collaboratori, considerando che nel microbioma intestinale umano l'arricchimento in certe proteine dei geni sembra essere diffuso, comprendendo gli enzimi coinvolti nel metabolismo dei carboidrati, hanno riportato la struttura di una α-glucosidasi ricombinante umana del batterio intestinale Ruminococcus obeum (October 2010 The FASEB Journal vol. 24 no. 10 3939-3949). Le prime strutture in assoluto delle proteine di questo batterio rivelavano una struttura omologa alla maltasi glucoamilasi intestinale umana con un dominio catalitico altamente conservato e domini ausiliari ridotti. L'α-glucosidasi, membro della famiglia GH31, mostra preferenza di substrato per i legami α (1-6) sopra l’α (1-4) glicosidici e produce glucosio da isomaltosio e maltosio. La preferenza può essere commutata da una singola mutazione al suo sito attivo, suggestiva da parte dei microrganismi di adattamento diffuso all'utilizzazione, come risorse di energia, di una varietà di polisaccaridi intestinali.
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