Питание и особенности метаболизма бактерий

Питание бактерий

Поступление питательных веществ в микробную клетку мо­жет происходить за счет:

• осмоса и диффузии по градиенту концентрации без затрат энергии;
• пассивного транспорта,   который   также   осуществляется   по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков, но без затрат клеткой энергии, и отличается от диффузии боль­шей скоростью;
• активного транспорта, который идет против градиента кон­центрации с затратой энергии и возможным частичным рас­щеплением субстрата,   осуществляется   белками-переносчиками или ферментами — пермеазами.

По источникам углерода, необходимого для построения биопо­лимеров, бактерии делятся на следующие группы:

• автотрофы — микроорганизмы, которые используют как един­ственный источник углерода углекислый газ и не нуждаются в сложных органических соединениях;
• гетеротрофы — микроорганизмы, которые используют в каче­стве источника углерода разнообразные органические углеро-досодержащие соединения   (углеводы,   углеводороды,   амино­кислоты,  органические  кислоты)  как биологического, так и небиологического происхождения.

В зависимости от источника получения энергии микроорганизмы делятся:

• на фототрофные, способные использовать солнечную энергию,
• хемотрофные, получающие энергию за счет окислительно-вос­становительных реакций.

В зависимости от природы доноров электронов:

• фототрофные литотрофы;
• хемотрофные литотрофы — использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения;
• фото- и хемоорганотрофы — использующие только органические соединения. К  последним  принадлежит значительное  боль­шинство бактерий, в том числе патогенные для человека виды. По источникам азота:
• азотфиксирующие микроорганизмы — способны усваивать моле­кулярный азот атмосферы;
• микроорганизмы, ассимилирующие неорганический азот:
• солей аммония — аммонифицирующие;
• нитратов — нитратредуцирующие;
• нитритов — нитритредуцирующие.

Однако большинство патогенных для человека микроорганиз­мов способны ассимилировать только азот органических соеди­нений.

Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из ука­занных компонентов, называются прототрофами.

Микроорганизмы, неспособные синтезировать какое-либо из необ­ходимых соединений и ассимилирующие их в готовом виде из ок­ружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами по этому соединению. Чаще всего ими являются патогенные или условно-патогенные для чело­века микроорганизмы.

Составляя свой рацион, не забывайте о бактериях!

• Наши сообщества микробов сформировались в далеком прошлом, приспособившись к локальным особенностям и доступной пище. Эти устойчивые соотношения называют энтеротипами.
• Энтеротип показывает доминирующее соотношение бактерий в кишечнике, которые в свою очередь диктуют нам свои аппетиты.
• Мы не можем в течение жизни изменить энтеротип. Его формирование происходило поколениями, и изменяется энтеротип также очень медленно.
• Определить энтеротип позволят тест на генетику микробиоты.
• Вы можете вместе со специалистом  отследить микробные пищевые предпочтения и научиться удовлетворять их более здоровыми продуктами.
• Попытка обмануть микробиом – это то же самое, что забивать в свои ворота. По этой самой причине самые расхваленные диеты могу не подходить именно вам…

Особенности метаболизма бактерий

• Такие процессы отличаются чрезвычайной быстротой и интенсивностью. В течении всего одних суток одна бактерия способна переработать такое количество питательных веществ, которое превышает её собственный вес в 40 раз!
• Ко всем внешним условиям, даже самым неблагоприятным бактерия приспосабливаются очень быстро.
• Что касается питательного процесса, то он происходит через всю клеточную поверхность. Примечательно, что проглотить питательные вещества прокариоты не способы, внутри клеточной структуры они не способны перевариться, их расщепление осуществляется за пределам клетки, наблюдается и хемосинтез цианобактерий.

Питание микроорганизмов

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ и воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток. Проникновение питательных веществ в клетку всегда осуществляется за счет явлений осмоса и диффузии. Явление осмоса всегда возникает там, где есть два раствора с разной концентрацией веществ, разделенных между собой полупроницаемой мембраной. Проникновение через полупроницаемую перегородку воды и растворенных в ней веществ происходит по-разному. Вода всегда стремится в сторону большей концентрации, чтобы разбавить раствор. Скорость движения будет тем больше, чем больше будет разность концентраций растворенных веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны. Каждое растворенное вещество движется в ту сторону, где его концентрация ниже. Движущей силой будет возникшее осмотическое давление т. е. та энергия, с какой оба вещества будут стремиться выровнять свою концентрацию. Проникновение каждого вещества через перегородку прекращается лишь тогда, когда по обе стороны концентрация его станет одинаковой. В зависимости от концентрации веществ в окружающей среде микробная клетка может находиться в трех состояниях.

— Турroр — если осмотическое давление микробных клеток, обусловленное растворенными в клеточном соке веществами, несколько выше, чем в среде, то за счет притока из нее воды в клетке создается определенное упругое напряжение. Протопласт клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка растягивая ее. Находясь на пищевых продуктах в таком состоянии, микробы проявляют большую активность и быстро вызывают порчу. Поэтому в пищевой промышленности часто используются такие методы консервирования пищевых продуктов, как сушка и вяление, чтобы микробы не переходили в состояние тургора и не вызывали их порчу.

— Плазмолизесли микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объеме, и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это явление широко используется в пищевой промышленности, когда продукты питания консервируются сахаром и солью.

— Плазмомтис — явление, обратное плазмолизу. Наступает при чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Требования большинства микроорганизмов к источникам питания разнообразны. Однако, учитывая некоторые общие особенности питания микробов, их принято делить на две группы.

I. Автотрофы — питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ все сложные компоненты клетки. Автотрофные (от греч. аutos — сам, trophe — пища) микроорганизмы способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Среди автотрофных микроорганизмов имеются виды, которые ассимилируют углекислый газ, как и зеленые растения, используя солнечную энергию, — их называют — фотосинтезирующими. К ним относятся некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии.

Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими. К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).

II. Гетеротрофы (от греч. heteros — другой) — подобно животным организмам нуждаются в органических соединениях, которые служат одновременно источником углерода и энергии. Их подразделяют на две группы:

— сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение) — они живут за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. К ним относятся все те микробы, которые разлагают органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья;

— паразиты — они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав последних. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.

Гормоны счастья

Кишечные микробы контролируют многие функции нашей нервной системы и головного мозга, вырабатывая нейротрансмиттеры, а также влияя на выработку нейроактивных веществ нашими клетками. Вещества, высвобождаемые кишечными микробами, достигают головного мозга с кровообращением.

Серотонин – нейротрансмиттер, регулирующий настроение и аппетит, вырабатывается некоторыми видами Enterococcus. Уровень серотонина имеет решающее значение для психоэмоционального состояния. Человек, пребывающий в отличном настроении, благодаря достаточному уровню этого вещества вряд ли захочет поднять его кусочком торта или плиткой шоколада.

Enterococcus, синтезирующие серотонин, можно получить из кисломолочных продуктов (творогов и сыров) и ферментированных продуктов на основе сои и зерновых.

Научиться готовить ферментированные рецепты и получить поддержку эксперта можно в группе Ферменториум: пробиотик-клуб на фейсбуке, где Юлия учит искусству ферментирования, принципам пробиотического протокола и оздоровлению через питание.

Метаболизм бактерий.

Катаболизм (диссимиляция) — распад веществ в процессе фер­ментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) — синтез веществ с затратой энергии. Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

• его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что воз­можно обусловлено гораздо большим соотношением поверхно­сти к единице массы, чем у многоклеточных;
• процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;
• субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до ор­ганических соединений, включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым про­цессы ее самоочищения);
• бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболиче­ских процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

• экзоферменты — ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (протеазы, поли­сахариды, олигосахаридазы);
• эндоферменты — ферменты бактерий, действующие на субстра­ты внутри клетки (расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т. е. для одних — репрессируется, а для других — индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствую­щего субстрата в среде (бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от нали­чия субстрата в среде, называется конститутивными (фермен­ты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда со­держатся в микробных клетках в определенных концентрациях. Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирова­ния бактерий в определенных условиях на специальных пита­тельных средах, содержащих то или иное соединение в качест­ве субстрата для трансформации.

Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более , детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов.

Микробное доминирование

Кишечная микробиота влияет на извлечение калорий из поступающей пищи. Если преобладают бактерии, способные эффективно извлекать калории из потребляемых продуктов, организм будет абсорбировать больше калорий, чем ему нужно, а это приведет к созданию жировых запасов.

Существует две наиболее крупные группы бактерий — Firmicutes и Bacteroidetes, которые составляют до 90% всех бактерий кишечной микрофлоры. Соотношение этих групп является маркером предрасположенности к лишнему весу. Firmicutes лучше извлекают калории из пищи, чем Bacteroidetes, контролируют экспрессию генов, отвечающих за метаболизм, создавая сценарий, при котором организм запасает калории, что приводит к набору веса.

Добавление в рацион растительных волокон, ограничение быстрых сахаров, рафиринованных продуктов и синтетических добавок способствует изменению соотношения разных групп бактерий в микрофлоре кишечника. 

Обмен веществ у микроорганизмов

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность химических превращений веществ, которые протекают в клетке в тесном взаимодействии с окружающей средой. Обмен веществ у микроорганизмов слагается из двух процессов: процессов конструктивного обмена (питание) и энергетического (дыхание).

Процесс питания организма состоит из поступления и усвоения пищи (ассимиляция). Поступившие извне вещества сначала расщепляются на более простые (распад или катаболизм) и из этих разнообразных низкомолекулярных соединений синтезируются сложные вещества (анаболизм). Это так называемый строительный обмен, поскольку постоянно происходит обновление клеточной структуры организма. Этот процесс преобладает в период роста.

Дыхание организма состоит из процессов расщепления и окисления органических веществ (диссимиляция), которая сопровождается освобождением энергии, необходимой для жизни и осуществления синтетических процессов. Этот процесс начинает преобладать у организмов к старости.

Оба эти противоположных процесса находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Они неотделимы один от другого, обуславливают рост, развитие и размножение организма. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду.

Особенностью микробов является необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка потребляет пищи (по массе) в 30-40 раз больше массы своего тела. Основная часть пищи расходуется в энергетическом обмене, при котором выделяется в среду большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, углекислого газа, водорода и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного и животного пищевого и непищевого сырья; она же вызывает явление быстрой порчи пищевых продуктов. Такая способность обусловливается наличием у микроорганизмов большого разнообразия ферментов.

Пробиотики

В 2013 году команда исследователей Массачусетского технологического института и Университета Аристотеля в Салониках, доказала эффективность употребления йогурта с пробиотиками для предотвращает ожирения через поддержание оптимального микробиома.

Другое исследование, опубликованное в 2016 в International Journal of Food Sciences and Nutrition выявило, что использование пробиотиков в течение 8 недель способствовало значительному снижению веса за счет замедления абсорбции диетических жиров и повышения выработки гормона, снижающего аппетит GLP-1. (Harvard Health Publishing. «The Benefits of Probiotics»)

Однако, если здоровый баланс микробиома сильно нарушен, потребление одного единственного пробиотического микробного штамма вряд ли вернет его в состояние равновесия. По этой причине стоит использовались различные комбинации пробиотиков с пребиотиками и даже антиоксидантами, чтобы восстановить нарушенный баланс.

Как растут и размножаются микроорганизмы

Необходимо отметить, что ростом является процесс, когда отдельная особь увеличивается в размерах, а что касается непосредственно процесса размножения, то это когда популяция начинает увеличиваться.

Примечательно, что бактерии способны размножаться таким образом, что просто осуществляется бинарное деление, однако такой способ является далеко не единственным, бывает ещё и почкование. Если бактерии имеют грамположительную форму, то здесь имеет место образование перегородки из стенки клеточного типа и мембраны цитоплазматического типа, которая способна врастать внутрь. Если бактерии грамоотрицательные, то начинает образовываться перетяжка, после чего клетка расщепляется на пару особей.

Примечательна скорость размножительного процесса, она может быть разной. Если говорить о подавляющем большинстве бактерий, то они делятся через каждые полчаса. А есть туберкулезные микобактерии, процесс деления которых носит более медленный характер, достаточно сказать, что для одного деления может понадобиться не менее 18 часов. Спирохеты также делятся не быстро, около 10 часов, так что видно, как различается метаболизм микроорганизмов.

Если посеять бактерии в жидкой питательной среде, взяв при этом определенный объем, а потом через каждый час брать пробу то бактериальный рост имеет форму кривой линии.

Такие вещества растут в нескольких фазах:

• фаза латентного типа, при которой бактерии имеют возможность быстро адаптироваться к среде питания, а что касается их количества, то оно не увеличивается;
• фаза роста логарифмического характера, когда бактериальное количество начинает увеличиваться в геометрической прогрессии;
• фаза роста стационарного типа, когда новых веществ появляется столько же, сколько и погибает, причем живые микроорганизмы остаются постоянными, все это может достигать максимального уровня. Здесь применяется такой термин, как М-концентрация, это такая величина, которая характерна для всех бактериальных типов;
• отмирающая фаза представляет собой процесс, при котором число погибших клеток становится больше, чем клеток, обладающих жизнеспособностью. Это получается потому, что в организме накапливаются метаболические продукты и среда истощается.

В заключении следует отметить, что обмен веществ у всех бактерий и микробов может иметь определенные различия, здесь могут иметь место самые разные факторы. Большое значение имеют индивидуальные особенности организма человека. А что касается такого процесса, как регуляция метаболизма, то его начали изучать ещё у прокариот, и именно у прокариот (это опероны палочки кишечника).

На сегодняшний день методы изучения имеются самые разные. Если изучаются серобактерии, то исследование имеет свои особенности, а для изучения бактериальных изменений могут использовать и другие методы. А отдельно внимания заслуживают железобактерии, которые имеют уникальную особенность окислять железо двухвалентного типа.

Пищевые пристрастия

Разнообразные бактерии с помощью метаболитов — биохимических средств, выделяемых в процессе их жизнедеятельности, — влияют на наши пищевые предпочтения. Мы думаем, что следуем собственным пожеланиям, а на самом деле – удовлетворяем аппетиты микробов.

Пищевые предпочтения бактерий определяются тем, какие вещества они могут использовать в качестве источников энергии. Так, превотеллы (Prevotella) любят углеводные продукты, а бифидобактерии (Bifidobacterium) обожают пищевые волокна, фирмикуты (Firmicutes) предпочитают жирную пищу. В конечном итоге все определяется балансом сил.

Раньше считалось, что кандида и избыточный рост других патогенных и условно-патогенных бактерий может обуславливать тягу к сладкому. На самом же деле, даже при здоровом микробном соотношении вы можете испытывать тягу к углеводным продуктам. И это может быть вашей индивидуальной нормой. Вопрос в том, какие углеводы вы предпочитаете.

Аппетит

Одна из недостающих бактерий в кишечнике людей с лишним весом, как выяснилось в приведенных выше исследованиях, — Helicobacter pylori, которая регулирует уровень грелина — гормона, стимулирующего аппетит. Эта бактерия сосуществует в симбиозе с нами тысячи лет, но в организме современного человека их значительно меньше в силу чрезмерной гигиены и применения антибиотиков.

Учитывая сказанное, для сохранения микробной представленности нам стоит разумно использовать антибиотики и, по возможности, прибегать к альтернативной терапии.

Если все же антибиотикотерапия была неизбежна, позаботьтесь о восстановлении микробиома после лечения.

Основные выводы

Стараясь снизить вес, примите во внимание научные открытия о влиянии микрофлоры кишечника на функции контроля аппетита, процесса метаболизма и веса. Еще совсем недавно мы так мало знали о микробиоме, однако эти исследования позволяют уже сейчас использовать новые данные о микробиоте в комплексном подходе, чтобы вызвать в организме стойкие метаболические сдвиги, устранить тягу к нездоровым продуктам и устранить воспаление

Еще совсем недавно мы так мало знали о микробиоме, однако эти исследования позволяют уже сейчас использовать новые данные о микробиоте в комплексном подходе, чтобы вызвать в организме стойкие метаболические сдвиги, устранить тягу к нездоровым продуктам и устранить воспаление.

Мнение редакции может не совпадать с мнением автора.В случае проблем со здоровьем не занимайтесь самолечением, проконсультируйтесь с врачом.

Нравятся наши тексты? Присоединяйтесь к нам в соцсетях, чтобы быть в курсе всего самого свежего и интересного!