2.5 Sappihapot ja enterohepaattinen verenkierto
Enterohepaattinen verenkierto on hyvin tunnettu mekanismi biokemialliselle vaihdannalle suolistomikrobiston ja isännän välillä. Ensisijaiset sappihapot kolihappo (CA) ja ksenodeoksikolihappo (CDCA) muodostuvat maksassa kolesterolista. Ennen sappeen erittymistä nämä primaariset sappihapot konjugoidaan joko glysiinin tai tauriinin kanssa niiden detergenttiominaisuuksien parantamiseksi. Nämä konjugoidut sappihapot varastoituvat sappirakkoon ennen kuin ne erittyvät ohutsuoleen aterian nauttimisen jälkeen. Erittyessään nämä sappihapot helpottavat lipidien, ravintoaineiden ja lipidiliukoisten vitamiinien ruoansulatusta ja imeytymistä. Suurin osa sappihapoista imeytyy aktiivisesti distaalisessa ileumissa ja kuljetetaan takaisin maksaan. Pieni mutta merkittävä määrä (1-5 % eli 200-800 mg päivässä ihmisillä) kulkeutuu kuitenkin paksusuoleen. Siellä nämä sappihapot käyvät läpi bakteerien suorittaman biotransformaation sekä sappihapon sivuketjussa että steroidiytimessä.
Ensin sappisuolahydrolaasi-entsyymit (BSH-entsyymit) dekonjugoivat glysiini- tai tauriinimolekyylin sappihaposta. BSH-geenejä on tunnistettu joistakin mikrobiston tärkeimmistä bakteerisuvuista (Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Listeria) mukaan lukien, ja suurin osa hydrolysoi sekä glyko- että taurokonjugaatteja . Halkaistua tauriinia ja glysiiniä voidaan käyttää bakteerien energianlähteenä . Konjugoimattomat sappihapot voivat imeytyä ja palautua maksaan uudelleen konjugoitaviksi ennen kuin ne pääsevät uudelleen enterohepaattiseen verenkiertoon, tai bakteerit voivat käsitellä niitä edelleen. Paksusuolen bakteerit voivat tehdä erilaisia metabolisia muunnoksia steroidiytimeen, joka tuottaa sekundaarisia sappihappoja. Kun aminohappo on poistettu, sappihapon C7-asemassa oleva hydroksyyliryhmä on mikrobien dehydroksyloinnin käytettävissä. C7-hydroksyyliryhmän poistaminen johtaa 7-deoksi-sappihappojen muodostumiseen. Erityisesti CA 7-dehydroksyloituu deoksikolihapoksi (DCA), kun taas CDCA muuttuu litokolihapoksi (LCA). Clostridium scindens ja Clostridium hylemonae (heimosta Firmicutes) ja Eggerthella lenta (heimosta Actinobacteria) tiedetään omaavan 7α-dehydroksylaatioaktiivisuutta . Nämä sekundaariset sappihapot ovat mahdollisesti sytotoksisia isännälle, ja ne on yhdistetty paksusuolen syöpään ja kolesterolisappikivien muodostumiseen, joten ne on käsiteltävä edelleen maksassa. Koska maksa ei pysty rehydroksyloimaan sekundaarisia sappihappoja, ne detoksifioidaan konjugoimalla glysiinin tai tauriinin ja joissakin tapauksissa sulfaatin kanssa . DCA konjugoituu glysiinin tai tauriinin kanssa ja pääsee uudelleen enterohepaattiseen verenkiertoon muodostaen noin 20 prosenttia aikuisten sappihapoista. Sitä vastoin LCA on erittäin hepatotoksinen, ja se vaatii sekä aminohappokonjugointia että lisäsulfatointia C3-asemassa. LCA:n sulfatoidut konjugaatit erittyvät sappihappoaltaaseen, mutta imeytyvät huonosti, minkä vuoksi ne poistuvat elimistöstä ulosteen kautta.
Muihin biotransformaatioihin kuuluu sappihappojen hydroksyyliryhmien epimerisaatio. Maksa syntetisoi sappihappoja, joiden hydroksyyliryhmät ovat α-suunnassa. Tietyt suolistobakteerit kykenevät muuntamaan nämä hydroksyyliryhmät α-orientaatiosta β-orientaatioon kaksivaiheisen reaktion avulla, joka vaatii kaksi stereokemiallisesti erilaista hydroksisteroididehydrogenaasia (α- ja β-muodot). Ursodeoksikolihappo (UDCA) on yleisin sekundaarinen sappihappo, jota tuotetaan tällä tavalla (< 4 % kaikista sappihapoista ja ulosteen sappihapoista). Tässä CDCA:n 7α-hydroksyyliryhmä hapetetaan ensin 7α-hydroksisteroididehydrogenaasilla, minkä jälkeen 7β-hydroksisteroididehydrogenaasi pelkistää 7-ketoryhmän stereospesifisesti 7β-hydroksisteroididehydrogenaasilla tuottaen 7β-hydroksyyliryhmän . Nämä vaiheet voi suorittaa yksi laji, jolla on molemmat dehydrogenaasit, tai kaksi lajia, joilla kummallakin on yksi entsyymin muoto . 7α-hydroksisteroididehydrogenaasit ovat yleisiä Bacteroides-, Clostridium-, Escherichia- ja Eubacterium-sukujen jäsenillä, kun taas 7β-hydroksisteroididehydrogenaaseja on havaittu vain Firmicutes-suvuissa. Samoin 3α- ja 3β- sekä 12α- ja 12β-hydroksisteroididehydrogenaaseja on havaittu Firmicutes-suvun jäsenissä, vaikka 12-okso-sappihappojen esiintyminen ihmisen ulosteessa on vähäistä. CDCA:n 7α-hydroksyyliryhmän epimerisaatio vähentää sen toksisuutta tuottaen bakteereille suotuisamman mikroympäristön.
Kaiken kaikkiaan > 30 sappihappoa tiedetään esiintyvän kiertävässä ja maksan sappihappoaltaassa, ja suolistomikrobisto ohjaa suurinta osaa tästä monimuotoisuudesta . Esiintyvien sappihappojen tyyppien ja runsauksien vaihtelu voi muuttaa koko poolin fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia. Tämä koskee myös niiden roolia ravinnon komponenttien ruoansulatuksessa ja imeytymisessä. Dekonjugoituminen vähentää sappihappojen tehokkuutta ravinnon lipidien emulgoinnissa ja mikkelinmuodostuksessa, ja CA:lla on paremmat lipidien emulgointiominaisuudet kuin CDCA:lla ja DCA:lla. Sappihapot toimivat myös tärkeinä signaalimolekyyleinä, jotka toimivat ligandeina ydinreseptorille farnesoidi X -reseptorille (FXR) ja plasmakalvoon sidotulle G-proteiinikytkentäiselle reseptorille TGR5 . Esiintyvien sappihappojen vaihtelu voi muuttaa sappihappopoolin yleistä signalointikykyä. Erityisesti CA:ta, CDCA:ta, DCA:ta ja LCA:ta pidetään FXR-agonisteina, kun taas UDCA on FXR-antagonisti . Sitoutumalla näihin reseptoreihin sappihapot voivat säädellä sappihappojen synteesin, konjugaation, kuljetuksen ja detoksifikaation kannalta kriittisiä geenejä sekä lipidien, glukoosin ja energian homeostaasin säätelyä. Sappihapporeseptorien ja -kuljettajien ilmentyminen enterohepaattisen verenkierron ulkopuolisissa kudoksissa sekä kudosspesifisten sappihapposignatuurien mittaaminen sydämessä ja munuaisissa viittaavat siihen, että tämä signalointitehtävä on maailmanlaajuinen . Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että BSH-entsyymin ilmentyminen pystyi muokkaamaan plasman sappihapposignaalia, mikä vaikutti sekä rasva-aineenvaihduntaan että metabolisiin signalointireitteihin osallistuvien geenien transkriptioon . Nämä havainnot osoittavat sappihappojen systeemisen säätelytehtävän, joka tarjoaa suolistomikrobiomille biokemiallisen sillan, jolla se voi vaikuttaa isännän metaboliseen tilaan.