0
Экологический клуб
 
"STENUS"
 
 
 
Калужский краеведческий Интернет-портал


 
Грушкин А.Г., Лыков И.Н., Черемуха Е.Г., Дагесян Н.А., Ротанов А.А.   Эколого-физиологические основы лизиса клетчатки и процессы транспорта её производных в жулудочно-кишечном тракте человека и животных   / /   ИЗВЕСТИЯ КАЛУЖСКОГО ОБЩЕСТВА ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ. Книга седьмая. (Сборник научных трудов)   Под ред. С.К. Алексеева и В.Е. Кузьмичева   Калуга:   КГПУ им. К.Э. Циолковского   -   2006 C. 81-88.



Эколого-физиологические основы лизиса клетчатки и процессы транспорта её производных в желудочно-кишечном тракте

человека и животных


А.Г. Грушкин, 1И.Н. Лыков,

Е.Г. Черемуха, Н.А. Дагесян, А.А. Ротанов


КФ РГАУ – МСХА им. К.А.Тимирязева

1Институт естествознания КГП им. К.Э. Циолковского, Калуга


Резюме: Показаны роль и участие слизистых слоев гликокаликса и целлюлосом микроорганизмов рубца, механизм образования и транспорта целлюлаз в процессе микробиальной ферментации и пищеварения кормов растительного происхождения в преджелудках жвачных животных. Дана гистохимическая картина визуализации целлюлаз в рубцовом содержимом и показаны пути транспорта в различные биологические среды.



В желудочно-кишечном тракте животных и человека растительные корма расщепляется только при помощи микробной ферментации, поэтому изучение механизма действия целлюлозолитических ферментов, вырабатываемых микроорганизмами на растительные субстраты, представляет значительный научный и практический интерес. Наиболее ярко этот процесс выражен в рубце у жвачных животных, поэтому мы и выбрали коров в качестве подопытных животных.

С физиологической точки зрения в утилизации растительной пищи наиболее важное значение играют микроорганизмы, лизирующие клетчатку, сбраживающие крахмал и олигосахариды. Наиболее важные целлюлозолитические бактерии это - Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefasciens и Bacteroides succinogenes. Именно эти бактерии сыграли решающую роль в эволюции жвачных животных, образовав симбионтное рубцовое пищеварение, а также аналогичный лизис клетчатки в слепой кишке у моногастричных животных и человека. Микробиота желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) адгезирует на пищевых субстратах, выделяет ферменты, деструктурирующие растения, отделяя боковые цепи, и далее гидролизуя оставшиеся фрагменты олигосахаридов. Скорость гидролиза целлюлозы находится в прямой зависимости от степени адгезии микроорганизмов на кормовые субстраты

В желудочно-кишечном тракте, под действием микробной ферментации растительные корма подвергаются сложным превращениям, в результате чего образуются продукты метаболизма: летучие жирные кислоты (ЛЖК), аминокислоты, аммиак и другие вещества, которые в дальнейшем используются организмом в обменных процессах.

Микробиота ЖКТ представлена простейшими, бактериями и фагами. Летучие жирные кислоты в метаболизме животных и человека являются наиболее важными продуктами деятельности анаэробной микрофлоры, необходимыми для нормальной деятельности желудочно-кишечного тракта. Согласно современным представлениям, ЛЖК играют активную роль при росте и развитии слепой кишки: они стимулируют обновление и дифференцировку эпителиоцитов, а также обусловливают митотический индекс слизистой оболочки ЖКТ. ЛЖК оказывают влияние на транспорт воды, электролитов и растворов, участвуют в поддержании рН и усилении кровотока, поставляют энергию для эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта, то есть служат трофическим фактором последнему.

Существенным источником исходных субстратов брожения у человека являются десквамированные отмершие клетки эпителия и белки. Образование ЛЖК в процессе пищеварения у человека известно уже давно, однако физиологический смысл их присутствия был неясен. Лишь сравнительно недавно было показано, что энергообеспечение энтероцитов осуществляется за счет именно этих метаболитов, а нарушение процесса взаимного обмена сахаров и ЛЖК является одной из основных причин этиопатогенических факторов в развитии функциональных и воспалительных заболеваний

В организме человека большая часть ЛЖК (до 98 %) утилизируется эпителием толстого кишечника, так что их содержание в портальной вене примерно в 500, а в периферической крови – в 1000 раз меньше, чем в содержимом кишечника. Летучие жирные кислоты в значительной мере удовлетворяют энергетические потребности слизистой оболочки, всасываясь в виде анионов и нейтральных молекул, а затем утилизируются митохондриями энтероцитов в цикле трикарбоновых кислот. Снижение энергообеспечения эпителиальных клеток ЛЖК служит одной из причин патогенеза и иммунных заболеваний.

Бактерии рубца представлены тремя группами микроорганизмов: бактериями рубцовой жидкости, бактериями, расположенными на слизистой оболочке стенки рубца и микроорганизмами, адгезированными на кормовых субстратах (рис.1).


Рис.1. Схема локализации рубцовых бактерий:

А – бактерии расположенные на слизисто оболочке рубца;

Б – бактерии адгезированные на кормовых субстратах;

В – свободно расположенные бактерии рубцовой жидкости













Рис.2. Растительные волокна, обсемененные микроорганизмами х 10000. СЭМ.


Основная масса бактерий адгезирована на кормовых субстратах, с которыми связано более 75% обменной энергии АТФ (рис.2).

Адгезия микроорганизмов с пищевыми частицами осуществляется в силу специфического строения клеточной оболочки (рис.3-5). Бактерии этой природной популяции окружены слизистыми слоями (гликокаликсами), состоящми из гликопротеина.


Рис. 3. Овальные кокковидные микроорганизмы с уплотненным и волокнистым строением гликокаликса. ПЭМ

Рис. 4. Овальные микроорганизмы с разрыхленным «лестничным» гликокаликсом почти сближаются с пищевыми растительными субстратами. ПЭМ








Рис. 5. Адгезия кокковидных микроорганизмов с пищевыми растительными субстратами. ПЭМ


Адгезия микроорганизмов осуществляется в силу специфического строения их клеточной оболочки, которая окружена неклеточным слоем – гликокаликсом, имеющим различное строение: он представлен мукополисахаридами, и в результате действия целлюлаз или амилаз, облегчает лизис пищевых субстратов. С помощью этого волокнистого слизистого компонента целлюлозолитичкеские микроорганизмы фиксируются (адгезируют) на растительных клеточных стенках (рис. 6). По нашим данным гликокаликс целлюлозолитических бактерий рубца, в силу своего специфического строения участвует в транспорте целлюлозолитических ферментов иммобилизуя их на поверхностных экзоклеточных структурах (целлюлосомах) для дальнейшего транспорта целлюлаз на растительные субстраты (рис. 7-8).

Рис. 6. Полости капсульного комплекса образовавшегося в процессе лизиса растительных субстратов, заполненные бактериальными клетками. ПЭМ

Рис. 7. Эндо- и экзоклетосное накопление целлюлозолитических ферментов в виде гранул в микроорганизме и его гликокаликсе. ПЭМ













Рис. 8. Формирование целлюлосом с ферментоами в зоне гликокаликса. Г/Х Визуализация целлюлазы. ПЭМ

В наших условиях, через 3 часа после утреннего кормления в рубце у коров общее количество бактерий составляло – 11,06-12,47 млрд/мл; число простейших – 373-440 тыс./мл; целюллозолитическая активность составляла – 18,3-22,5 в % переваримости от условной единицы, а амилолитическая активность – 28,8-29,3 мг % переваренного крахмала.

Клетчатка, составляющая основу растительных кормов, попадая в желудки жвачных животных подвергаются бактериальной ферментации и преобразуются в летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые удовлетворяют до 70-80% потребности животных в энергии. В этой связи изучение вопросов всасывания короткоцепочечных жирных кислот в кровь и другие биологические среды имеет большое практическое и научное значение для понимания механизма всасывания питательных веществ в ЖКТ животных.

При этом максимальное количество кислот брожения обнаружено в пик рубцового пищеварения через 3-5 часов после приема корма. Увеличение содержания низкомолекулярных жирных кислот в рубце, крови и лимфе происходит параллельно. Высокой концентрации ЛЖК в рубцовой жидкости соответствует их высокая концентрация в крови. Особый интерес представляют данные поступления ЛЖК в слюну. В работах по физиологии слюнных желез установлена прямая корреляция состава слюны в зависимости от состава крови. Не являются исключением и слюнные железы жвачных. Они являются активным звеном гомеостаза в сложной метаболической системе ЖКТ, способны извлекать из крови минеральные элементы и органические соединения и возвращать их в рубец, поддерживая изотонию рубцовой жидкости по отношению к крови. Наряду с мочевиной и бикарбонатами в рубец со слюной возвращается и часть низкомолекулярных летучих жирных кислот, что, на наш взгляд, может в определенной мере накладывать отпечаток на их абсорбцию и использование в организме.

Проведенные нами исследования показали, что концентрация ЛЖК в слюне овец после кормления повышается в 1,7 раза в сравнении с состоянием натощак (табл.1). Увеличение содержания ЛЖК в слюне происходило параллельно повышению их концентрации в желудке и крови. Вместе с тем, концентрация летучих жирных кислот в слюне превышала их показатели в крови в 1,5 раза, из чего можно сделать заключение о кумулировании ЛЖК слюнными железами без существенных изменений в соотношении отдельных низкомолекулярных кислот. Это обстоятельство указывает на более сложный механизм поступления ЛЖК в слюну, чем простая диффузия.

Таблица 1. Концентрация летучие жирные кислоты (ЛЖК) в содержимом желудка, крови сонной артерии и слюне

Время взятия

проб

Желуд. сод.

Ммоль/100мл

Сонная артерия

Ммоль/л

Слюна

Ммоль/л

До кормления

5,35±0.49

0,81±0,08

1,19±0,10

Через 1 час

6,68±0,23

1,10±0,23

1,69±0,08

Через 3 часа

7,85±0,10

1,35±0,27

2,18±0,35

Через 5 часов

6,04±0,20

1,33±0,16

1,81±0,15

Через 7 часов

6,25±0,59

0,88±0,14

1,50±0,07


Многие ферментативные процессы, связанные с расщеплением углеводов, зависят от количества гомеостазированной рубцовои жидкости. В целом складывается довольно сложная картина динамики изменения состава слюны, адаптированного к составу крови в процессе пищеварения и всасывания питательных веществ. У животных летучие жирные кислоты осуществляют, подобно азотистым веществам, кругооборот в системе рубец - кровь - слюна - рубец.


Выводы

1. Итак, микробиальное пищеварение у животных и человека обеспечивает не только энергетические, но и пластические потребности организма, создавая адаптивные механизмы и оптимальные условия для жизнедеятельности симбиотической микрофлоры желудочно-кишечного тракта.

2. Эндоцеллюлярные везикулы с целлюлазами накапливаются в цитоплазме бактерий и путем экзоцитоза и мигрируют в зону гликокаликса с образованием там специальных морфологических экзоклеточных структур – целлюлосом с ферментами.

3. Электронно-цитохимическая картина наглядно показывает важную роль целлюлосом и гликокаликса в транспорте целлюлозолитических ферментов в процессе рубцового пищеварения от микроорганизмов к растительным субстратам.

4. Слюнные железы обладают кумулирующей способностью (концентрация ЛЖК в слюне, как правило, в 1,5 раза превышает их содержание в крови).
5. У животных, летучие жирные кислоты осуществляют, подобно азотистым веществам, кругооборот в системе рубец – кровь – слюна – рубец.


***



The ecophysiological fundamentals of cellulose lysis and transportation processes of its derivatives in the gastrointestinal tract of man and animals


A.G. Gruchkin, I.N. Likov, E.G. Cheriymucha, N.A. Dagesiyn, A.A. Rotanov


The role and participation of mucous stratium of glicocaliks and cellulosum of rumen microorganisms the mechanism of formation and transportation ofcellulasin the process of microboal fermentation and digestion of vegetabl feeds in the ventricles of ruminant animals are shown. The picture of histochemical vizualization of cellulas in rumen content is given.




Исследование выплнено при поддержке:

Грант РФФИ № 06-04-48408-а



Скачать.rar



Сайт создан при поддержке РОССИЙСКОГО ГУМАНИТАРНОГО НАУЧНОГО ФОНДА проект № 09-06-59610 а/Ц "Создание экологического Интернет-портала, как регионального компонента экологического образования"; № 10-06-59629 а/Ц"Создание региональной экологической Интернет-библиотеки"


© Авторы статей