Биохимические и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофлоры

     В последнее время усилился  интерес к роли микробиоты (микрофлоры)* желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), а также других биотопов организма в физиологии и патологии человека [1, 2]. Однако ряд принципиальных, по нашему мнению, вопросов, касающихся взаимоотношений микробиота — организм-хозяин, остается неясным (более того, некоторые вопросы еще даже не поставлены). Среди них основными являются оценка масштаба той пользы, которую получает человек от симбиоза, а также выяснение молекулярных механизмов, управляющих связью микробиоты и организма-хозяина в условиях симбиоза и перехода от симбиоза к взаимной агрессии. 
     В данной статье мы попытались осветить подробнее некоторые из обозначенных вопросов и наметить пути их решения. Из-за недостатка данных, относящихся к соответствующей области физиологии человека, мы использовали результаты, полученные для других организмов, прибегая к некоторым аналогиям. При этом мы исходили из положения, что для оценки свойств целого не обязательно знать свойства его составляющих (принцип “эмерджентности”) [3]. Это тем более необходимо, что детальная характеристика подавляющего большинства микроорганизмов, представленных, например, в биоценозе ЖКТ (не менее 400 видов [4]), до сих пор отсутствует. Однако, даже располагая такой характеристикой, вряд ли можно проанализировать все многообразие их взаимоотношений. К тому же, большое число представителей микробиоты не удается культивировать in vitro. 
     Кроме того, привлекаются сведения, полученные не только для нормальных физиологических условий, но и данные патофизиологии. 
     Следует отметить, что высказанные применительно к ЖКТ положения в значительной мере могут быть отнесены и к другим биотопам макроорганизма — родовому тракту, дыхательным путям, кожным покровам и т. д. 
     И еще одно важное замечание, непосредственно связанное с проблемой изучения механизмов взаимодействия между микробиотой и хозяином, касается аспектов освещения данной проблемы в литературе. Имеется немало превосходных оригинальных исследований и обзоров на эту тему (некоторые из них мы цитируем в настоящей работе). Однако часто, обсуждая физиологические, микробиологические, иммунологические аспекты, авторы пренебрегают физическими и физико-химическими условиями, в которых разыгрываются события. Не отрицая важности биологической стороны дела, мы попытались, где это возможно, особо подчеркивать роль физико-химических и биохимических факторов и механизмов.

У определенных пойкилотермных животных (рыбы, земноводные) постоянной микробиоты нет, она появляется лишь у рептилий. Окончательное ее становление отмечается только у млекопитающих, что связывают с развитием у них гомойотермии [5] и что можно рассматривать как один из факторов, стабилизирующих видовой состав микробиоты [3]. Более того, хорошо известна сильная зависимость от внешнего источника тепла у птиц на ранних эта онтогенеза. Это объясняется тем, что многие птицы рождаются пойкилотермными [б] и целиком зависят от тепла, передаваемого матерью при высиживании. Теплозависимость проявляется у многих живота человека в раннем неонатальном (послеродовом) периоде. Вместе с тем, установлено, что в этот период молодняк птиц и животных еще не имеет многочисленной резидентной микрофлоры в кишечнике. Таким образом, связь перехода от пойкило- к гомойотермии со становлением постоянной микробиоты прослеживается в эволюции организмов — как фило так и в онтогенезе. 
   С учетом вышесказанного можно предположить, что при огромной численности микроорганизмов ЖКТ млекопитающих [1] и птиц [6] и их метаболической активности микробиота выполняет функцию генератора тепла, способствующего поддержанию гомойотермии. Это предположение вполне согласуется с более высокой температурой кишки по сравнению с температурой толстой кишки по сравнению с температурой прилегающих органов и ее анатомическим расположением у человека и животных. Толстая кишка проходит по всему своду брюшной полости, играя, таким роль своеобразного термоэлемента. Точно -вклад микробиоты в теплопродукцию организма достаточно сложно. При оценке этого вклада необходимо иметь в виду следующие обстоятельства. 
      1. Число микробных клеток в кишечнике позвоночных может быть очень большим, порядка 10¹³ — 10¹⁵, в зависимости от вида животного, что значительно превышает число собственных клеток организма-хозяина. 
      2. Основными пищевыми субстратами для анаэробной, кишечной микрофлоры являются обычно полисахариды, относящиеся к классу b -гликанов [7], т.е. полисахаридов, не гидролизуемых собственными пищеварительными ферментами организма [8]. Недостаток экзогенных пищевых субстратов, поступающих к микрофлоре толстой кишки из верхних отделов ЖКТ, может компенсироваться гликопротеидами слизи продуцируемыми клетками эпителия [10]. 
     3. При расщеплении этих полисахаридов и гликопротеидов внеклеточными гликозидазами микробного происхождения образуются моносахариды (глюкоза, галактоза и т. д.), при окислении которых окружающую среду выделяется в виде тепла менее 60% их свободной энергии. 
    4. При брожении моносахаридов под действием сахаролитических анаэробов, доминирующих в ЖКТ, образуются в больших количествах монокарбоновые кислоты С₂ — С₆ [9], их дальнейшее окисление эпителием и микроорганизмами также дает некоторое количество тепла. 
    При оценке тепловыделения под действием микробиоты наряду с термодинамическими факторами следует учитывать также кинетические характеристики процессов брожения. Скорости расщепления и утилизации сахаров достаточно велики, поэтому может быть достигнута высокая скорость тепловыделения [9]. Кроме того, поскольку образующиеся при брожении монокарбоновые кислоты являются короткоцепочечными, они также быстро окисляются в эпителии. Высокая скорость и мощность толстокишечного кровотока, играющего роль теплоносителя, обеспечивает эффективную теплопередачу прилегающим органам — печени, поджелудочной железе, селезенке. 
   Таким образом, общее число бактериальных клеток, объем пищевых субстратов достаточны для выработки настолько значительного количества тепла, чтобы его могло хватить для дополнительного подогрева метаболически активных органов хозяина. Скорости ферментативных процессов и их локализация, в свою очередь, способны обеспечить достаточную интенсивность процесса тепловыделения и передачу тепла организму. 
   Вышеизложенное дает возможность понять, зачем организму всеядных млекопитающих необходимо “содержать” такое огромное количество микроорганизмов.

 В физиологии принято  различать полостное, пристеночное, мембранное пищеварение [11—13], осуществляемое  собственными ферментами организма,  симбионтное пищеварение, происходящее при содействии микрофлоры. Однако, если первые три типа считаются присущими всем видам позвоночных, то последний обычно характерен для жвачных (в том числе, сельскохозяйственных животных), а также грызунов и зайцеобразных [5]. 
   Симбионтное пищеварение типично для растительноядных животных, что вызвано необходимостью разложения b -гликанов, которые не могут перерабатываться собственным пищеварительным аппаратом, а расщепляются лишь с помощью бактерий-симбионтов Поэтому естественно, что основным органом травоядных, в котором протекают процессы подготовки растительной пищи к дальнейшей утилизации ее компонентов, является преджелудок. В нем происходит не только всасывание метаболитов, образующихся под действием бактерий-симбионтов, но также поглощение самих этих бактерий, являющихся основным источником белка для травоядных. 
   В отличие от травоядных, у всеядных животных, включая человека, доминирует “эндогенное” пищеварение [5], связанное в первую очередь с функционированием собственных ферментов. Однако и у них осуществляется симбионтное пищеварение, но уже не в желудке, где кислая среда, оптимальная для активности многих гидролитических ферментов, препятствует развитию микроорганизмов, а в толстой кишке, прежде всего, в восходящем ее отделе. Высокой эффективности симбионтного пищеварения у всеядных животных, а также у человека, способствует наличие в толстом кишечнике поперечных складок (гаустр), за счет которых образуются “карманы” или камеры, где задерживаются субстраты микробиоты, а также ритмическое движение (моторная активность) толстой кишки, обеспечивающее перемешивание содержимого. 
   Микробиота не только осуществляет разложение непереваренных в верхних отделах ЖКТ остатков пищи, но и при ее участии образуются новые низкомолекулярные метаболиты — газообразные Н₂, СО₂, СН₄, NН₃, монокарбоновые кислоты С₂—С₆ (их часто называют летучими жирными кислотами — ЛЖК), янтарная и молочная кислоты, аминокислоты (b -аланин, g -аминомасляная, глутаминовая кислоты и др.). Из них в количественном отношении лидируют монокарбоновые кислоты, что можно объяснить низким содержанием кислорода в пищеварительном тракте и небольшой глубиной окисления моносахаридов и других субстратов. 
   Соответственно вся микробиота нижних отделов ЖКТ представлена строгими и факультативными анаэробами, для которых получение энергии связано с неполным окислением (брожением) органических соединений, конечным результатом которого являются ЛЖК. Анаэробный метаболизм моносахаридов можно рассматривать в известном смысле как процесс окислительно-восстановительного диспропорционирования. В качестве примера приведем одно из типичных брутто-уравнений процесса брожения глюкозы:

34,5 СбН120б ->- 48 ацетат + 11 пропионат + 5 бутират + + 23,75 СН4 + 34,25 СО2 + 10,5 Н2О  

 Подчеркнем, что ЛЖК  образуются не только при различных  типах брожения углеводов, но  также при распаде гликопротеидов, белков, липидов и нуклеиновых  кислот [9, 14]. Важно, что весьма  существенным источником исходных  субстратов брожения является  сам организм, а именно, гликопротеиды  слизи, специфическая оболочка  эпителия, отмершие и отделившиеся  от основного пласта клетки  эпителия и белки. Содержание  последних в секретах достигает,  в частности, у человека 25—  30 г — количество, достаточное  для удовлетворения 1/3 дневной потребности  в белках. 
   ЛЖК в значительной мере восполняют энергетические потребности клеток эпителия толстой кишки человека (колоноцитов). Они всасываются в слизистую оболочку как в виде анионов, так и в форме нейтральных молекул, а затем утилизируются мито-хондриями эпителиоцитов в рамках цикла Кребса [15, 16]. Снижение энергообеспечения эпителия толстой кишки летучими жирными кислотами является одним из звеньев патогенеза аутоиммунных заболеваний (язвенный колит) [17, 18] и функциональных болезней (синдром раздраженной толстой кишки) [19, 20]. Эта функция ЛЖК еще более выражена у жвачных, грызунов, зайцеобразных и птиц [21—26]. 
   Здесь мы сталкиваемся с еще одним аспектом симбиотических отношений между микробиотой и организмом-хозяином. 
   Следует отметить, что по сравнению с уровнем всасывания ЛЖК, абсорбция других низкомолекулярных метаболитов микрофлоры, в частности, молочной кислоты значительно ниже [27]. 
   Меньший вклад- в энергоснабжение дают дикар-боновые кислоты (в частности, янтарная) и некоторые аминокислоты ("g-аминомасляная кислота, b-аланин, глутаминовая и e-аминокапроновая кислоты). Эти метаболиты также используются для нужд хозяина, в основном, в роли сигнальных молекул, т. е. молекул-регуляторов тех или иных процессов в организме. 
   Как мы уже отмечали, низкомолекулярные метаболиты продуцируются и в других биотопах организма, в частности, в ротоглотке человека. В отличие от кишечника, эпителий которого относится к так называемому однослойному цилиндрическому типу, поверхностные ткани ротоглотки покрыты плоским многослойным неороговевающим эпителием [28]. Исследования абсорбционной активности такого эпителия весьма затруднительны, поэтому процесс всасывания бактериальных метаболитов многослойным эпителием совершенно не изучен. Однако, как показали наши исследования, существует определенная связь между патогенезом ангин, фарингитов, хронических тонзиллитов и уровнем метаболитов бактериального происхождения в слюне [29]. Выяснилось также, что препараты на основе бактериальных метаболитов обладают существенным антибактериальным и противовоспалительным эффектом при лечении ангин, отитов и хронических тонзиллитов [30].