Obesidad y sintrofía microbiana. O cómo las arqueas potencian la obesidad. (Salvador González Carcedo).

Supongo que entre esos dos millones de lectores, es frecuente escuchar frases de sentido contrapuesto como “por mucho que comas no engordas” o la contraria “se alimenta del aire”. Engordar o perder kilos es un problema frecuente.  Hoy sabemos que estar delgado/a es un síntoma de vida saludable (pero sin pasarse). Y no es para menos. Leía hoy que los gastos sanitarios y la pérdida de trabajo vinculados a la obesidad le suponen un gasto de 45.000 millones de dólares anuales a la economía de Estados Unidos. Tener sobrepeso severo (obesidad mórbida) se asocia con un incremento del 36% del gasto en atención médica. Si tenemos en cuenta que más del 30% de los estadounidenses adultos son obesos, su tratamiento consume entre el 5% y el 7% del presupuesto sanitario de los EEUU.

 

En personas adultas se oye la pregunta ¿cómo adelgazar y estabilizar lo conseguido?. Aquí va mi consejo. Si son habituales de la “buena cena”, sustituyala (una o dos veces por semana y no mas) por un frugal, sano y abundante plato de fruta recién troceada, regada con un yogur (no importa el sabor) y si no son diabéticas, con azúcar (no aconsejo regarlas con alguna bebida alcohólica, por cuestiones de edad…pero es frecuente ver que mucho de los consumidores de alcohol en exceso son mas que delgados, y casi famélicos… quizás porque se les olvida comer o porque los componentes de muchas bebidas alcohólicas disminuyen el apetito). De esta forma no se genera “hambre metabólica” por la noche, se duerme de un tirón y las pérdidas de masa corporal son lentas (que es como se debe de desarrollar el proceso de adelgazamiento sin temor a recuperarlo a la vuelta de una “celebración”).

Analizando mi consejo, practicado personalmente, dado el tiempo que me paso sentado ante el ordenador preparando estos post, lo que digo es que tomen agua alimentaria e intestinal (necesaria para “pasar la noche”), sacarosa (energía disponible, para que no se levanten irritables), iones minerales y vitaminas (cofactores enzimáticos activadores de los enzimas que participan en el metabolismo) y fibra vegetal (para disminuir el tiempo de retención intestinal) mas “algún componente especial propio de cada fruta” (el melón acelera el proceso de pérdida de peso). Seguro que la idiosincrasia y las necesidades vitamínicas de cada uno les hace elegir espontáneamente frutas distintas (sírvase a su gusto y pierda peso sin tomar medicamentos). Además ese yogourt aporta firmicutas.

 

La experiencia me dice que todas las personas que la siguen este consejo, adelgazan, pero la rapidez con que se pierde peso depende del tipo de fruta. ¿Estaré impulsando a las bacterias Firmicutas o inhibiendo a las Bacteroidetes o a la asociación de estos últimos con la arquea Methanobrevibacter smithii?.  Revisemos donde actuamos.

 

He de decir que la asociación entre la arquea Methanobrevibacter smithii y los Bacteroidetes y es un gran ejemplo de sintrofia, (literalmente comer juntos). En microbiología, la sintrofía representa una situación de simbiosis metabólica trófica en la que dos organismos diferentes pueden degradar juntos algunas sustancias que por separado no realizarían nunca.  Así en vez de competir por el mismo nutriente, dos grupos de microorganismos colaboran para llevar a cabo una transformación determinada que ninguno de esos organismos podría realizar por separado. Además, en la mayoría de los casos, en la relación sintrófica participa la generación y consumo de H2, producido por un miembro de la asociación (alguno de los múltiples Bacteroidetes anaerobios estrictos) y consumido por el otro, la inefable arquea M. smithii (Madigan et al, 2003). De esta manera introduzco la importancia del equilibrio de los gases intestinales. En todo caso ambos componentes de la relación sintrófica presenta un alto grado de especialización metabólica complementaria, y esta asociación y sus metabolismos respectivos son regulables.

 

La sintrofía no es una exclusiva intestinal, pues sin alejarnos de ser humano, está presente en muchas áreas corporales (piel, boca, vagina y estómago), pero el tracto intestinal (de hombres y animales), por su especialización degradadora y nutricional, la que nos muestra una mayor riqueza de ejemplos, ni tampoco exclusiva, ya que en ecosistemas edáficos, acuáticos y aéreos y en procesos de rehabilitación y descontaminación de compuestos orgánicos presentes en suelos y aguas, se utilizan (reconocidas o no) y de forma habitual, estrategias sintróficas.

 

En el intestino humano, la población microbiana de bacteroidetes capaces de generar fermentaciones anaeróbicas, se conforma a base de ciertos componentes de las especies de Bacteroides, Bifidobacterium, Enterobacter, Escherichia y Clostridium, y su número bajo condiciones normales, es relativamente estable,  pero se sabe que la colaboración con la arquea metanogénica M. smithii, multiplica de forma extraordinaria su número.  Así el Bacteroides thetaiotaomicron y otros bacteroidetes, incrementan espectacularmente su número (hasta 100 veces), y también el resto del microbioma intestinal (incluidas firmicutas) aunque en grado menor.

 

La razón es que carbohidratos (incluídos los fructanos propios de la fibra),  grasas y proteínas que conforman nuestra dieta, se degradan y metabolizan mejor y incrementándose su velocidad catabólica y la génesis de SFCA transferibles con la ayuda de la archaea metanogénica (que también es capaz de metabolizar diversos compuestos fibrosos no degradables para los humanos). Y recuerdo que estos subproductos “extra” de dicho metabolismo equivalen a un incremento del 10% de la dieta calórica,  y que cuando se asimila en células hepáticas y acumulan en los adipocitos en forma de triglicéridos, engordamos.  Por el contrario, la falta o inhibición de M. smithii, conlleva un incremento de los residuos fecales “no degradados” que al acumularse en el intestino, bloquean la actividad de las otras bacterias, incrementando el volumen y la riqueza carbonada de las heces. (quizás no solo estemos ante una estrategia de adelgazamiento, sino también de incremento de C y de N en fibra de los residuos a tratar en las plantas depuradoras y a compostar).

 

El aumento del conocimiento de nuevos residentes intestinales (que cada año crece) nos revela otros centros de sintrofia con el M. smithii.  Así, Ueda and Beppu (2007) nos enseñan una nueva especie, la Symbiobacterium thermophilum que es una bacteria muy próxima a mis amigos los actinomicetos (Valor genómico C+G del 68%) la cual carece de anhidrasa carbónica, enzima imprescindible para usar el CO2 disponible, que es necesario para su crecimiento. Es por ello que depende sintróficamente, para su desarrollo “in vitro” de cocultivos con Bacillus sp., y en el intestino de la M. smithii, que si la sintetizan.

 

Es evidente que toda esta actividad se  realizan en el seno de un gel viscoso compuesto por glico-proteínas de alto peso molecular, llamado mucina ( “capa mucosa que recubre el tracto gastrointestinal y que proporciona al epitelio una barrera protectora frente a microorganismos patógenos y a los daños potenciales físicos y enzimáticos”).

 

En su síntesis y renovación está implicada “en pleno” la actividad del glicobioma y proteoma del microbioma intestinal, tanto degradativo como biosintetizador. Se conforma a partir de un núcleo peptídico rico en serina y treonina, al que se unen oligosacáridos mediante enlaces O- o N- glucosídicos. Los oligosacáridos se conforman por uno o mas monosacáridos (N-acetilglucosamina, N-acetilgalactosamina, galactosa y fucosa) y que se rematan con ácido siálico o grupos sulfato.  Su riqueza en componentes nitrogenados nos recuerda el intenso metabolismo nitrogenado presente, y justifica la existencia, en otros intestinos animales, de fijadoras de N2 como en termitas y rumiantes. Sin embargo no hay información de otros gases que como el N2O, inductor hepático de la multiplicación celular).

 

 

Bacterias inmersas en mucina.

Fuente: www.kalipedia.com

 

La degradación de la mucina se entiende como un factor de patogeneidad, al dejar sin protección a las células epiteliales circundantes (Ruseler-van Embden et al., 1995; Zhou et al., 2001).  Se estima que el 1 % de la microflora es capaz de degradarla mediante enzimas, (V.g. glicosidasas y sulfatasas) al hidrolizar sus cadenas de oligosacáridos (Hoskins & Boulding, 1981).  Pero también constituye una fuente de energía y en ese sentido ejercen su capacidad miembros de los géneros Ruminococcus, Bacteroides, Clostridium y Bifidobacterium (Salyers et al., 1977). En todo caso, a pesar de la aparente bajo nivel de degradación, parece que su actividad es suficiente para satisfacer la demanda de nutrientes del resto de los residentes que capten monosacáridos o aminoácidos. 

 

Pero también este es un caso de actividad sintrófica del glicobioma, ya que solo conjuntos asociados de especies son capaces de degradar de forma eficiente y total las estructuras agregacionales de la mucina.  Posiblemente el descubrimiento de nuevas bacterias intestinales como Roseburia intestinalis (Duncan et al., 2002), Campylobacter hominis (Lawson et al., 2001), Ruminococcus luti (Simmering et al., 2002), Anaerostipes caccae (Schwiertz et al., 2002), Dorea longicatena (Taras et al., 2002) y Victivallis vadensis (Zoetendal et al., 2003) nos de nuevas claves de estos procesos degradativos de estructuras y moléculas (¿recuerdan que esto mismo ya lo he escrito para los suelos?). 

 

El tracto grastrointestinal humano retiene una diversa y abundate microbiota, que tienen efectos positivos y negativos sobre la salud del huésped, debido a su estrecha asociación Sin embargo, no se conoce bien los mecanismos de interacción microbiota/mucina (Hooper & Gordon, 2001). Sin embargo, desde otra perspectiva, la riqueza en carbohidratos de la mucina, la dota de una gran capacidad para retener suficiente cantidad de agua, tanto exógena (bebida) como endógena (adquirida de nuestro organismo a través de la pared intestinal) como para permitir toda la actividad metagenómica y funcional encerrada en el intestino en la que se basa la digestión y la nutrición del huésped y de los colonos.

 

Dado que en el intestino cohabitan bacterias aeróbicas, anearobias facultativas y anaerobias estrictas, uno de los problemas mas importantes que debemos de conocer en el seno del intestino es como se resuelve el equilibrio de gases.

 

Por un lado debemos de reducir (en la misma medida que avanza el bolo intestinal) la presencia de O2 (por vía respiratoria de los aerobios (Firmicutes) mas activos en los primeros tramos intestinales) que permita la existencia de anaerobios estrictos y por otro la acumulación de dos gases mas, el CO2 respirado por aerobios y anaerobios facultativos y el H2 generado por los Bacteroidetes.

 

Para ir resolviendo los problemas relacionados con los gases, y dar nombres familiares al lector, algunas de las bacterias, como la famosa Escherichia coli, son anaerobias facultativas, encontrándose en cantidad menores que las anaerobias estrictas (valores inferiores a 107 ufc/g de contenido intestinal).  Su función principal es la de consumir todo el oxígeno presente en el mucus intestinal, asegurando que el ambiente del intestino grueso sea estrictamente anaerobio que permita el desarrollo de los anaerobios estrictos. Además reciclan en el colon a los ácidos tauro y litocólicos (ácidos biliares) que una vez reabsorbidos por la mucosa intestinal, son reconducidos al hígado para su reciclado.

 

 

Escherichia coli

 

Entre los subproductos de la fermentación bacteriana se encuentran el CO2 respiratorio, e H2; pero también generan los olores asociados con la expulsión de heces y gases en exceso, tales como el ácido butírico, sulfhídrico, indol y escatol.  También son responsables de la producción de las vitaminas B12 y K que el hombre necesita y no produce.  Mas espectacular es el beneficio aportado por Klebsiella pneumoniae a los habitantes de Nueva Guinea. Su dieta, muy pobre en proteínas, (su dieta se fundamenta en el consumo de boniatos) se compensa con la capacidad fijadora del N2 que presenta esta bacteria intestinal (ejemplo de sintrofía entre la Klebsiella y el humano).

 

Salmonela: bacteria móvil que produce sulfuro de hidrógeno (H2S).

Fermentan glucosa pero no lactosa y no producen ureasa.

 

Para solucionar el caso de la Symbiobacterium thermophilum (antes citado) y otros casos similares aparecen en su ayuda, además de diversas especies del gen Bacillus, nuestra ya mencionada arquea, M. smithii, que genera un enriquecimiento significativo de los genes implicados tanto en la utilización de CO2, como del H2 y resuelve estos excedentes al desarrollar el proceso de metanogénico.  Para ello su genoma incluye los elementos de codificación no solo de la ruta completa para la biosíntesis de molybdopterina (que permite la utilización de CO2) sino también la de las proteínas implicadas en la síntesis de los cofactores vitamínicos de las enzimas utilizadas en la vía metanogénesis: F430 y corrinoides (transportadores de grupos metilo), riboflavina (precursor de la biosíntesis de F430), y coenzima H sintasa (que participan en la fase terminal de la metanogénesis).

 

Otro de los problemas es la eliminación simultánea de CO2 y de H2 para que el M. smithii genere metano y se produzcan además SCFA suficientes el desarrollo sintrófico.

 

Y ello tiene gran interés, pues a los microorganismos sacarolíticos intestinales de individuos sanos les afecta intensamente en su tasa de crecimiento no solo la disponibilidad de C. La regulación del tipo de fermentación y la cantidad y tipos de productos SCFA dependen de distintos factores del huésped, ambientales, la composición en especies bacterianas presentes y el tiempo de retención en el transito intestinal.

 

La mayoría de los SCFA se derivan de la ruptura bacteriana de carbohidratos complejos, en el intestino proximal, pero la digestión de proteínas y péptidos contribuye a incrementar su producción cuando los residuos alimentarios pasan a través del intestino. El metabolismo bacteriano del H2 también afecta a la ruta de formación preferente de SFCA. Esto se aprecia gracias a los efectos de los aceptores inorgánicos de electrones (nitrato y sulfato) sobre los procesos fermentativos, pues se facilita la formación de SCFA mas oxidados, a expensas de ácidos mas reducidos, como el butirato.

 

En este sentido, acetato y formiato son los productos principales de la fermentación con bifidobacterias formados durante el crecimiento bajo condiciones limitadas de C, mientras que el acetato y el lactato se producen cuando los carbohidratos están en exceso, y en este sentido, el Clostridium perfringens, y en menor medida en Bacteroides fragilis usan el lactato también como un sumidero electrónico. En este último organismo, acetato y succinato son los productos fermentativos mas abundantes cuando abundan sustratos mientras que el succinato se descarboxila para producir propionato cuando la fuente de carbono está limitada.

 

En nuestra ayuda aparecen las investigaciones que se están desarrollando en depuradoras de aguas residuales, entre cuyos objetivos se incluyen la eliminaciónd e materia orgánica soluble, y la generación de metano y mas recientemente la formación y recolección de Hidrógeno.

 

El dióxido de carbono es un producto importante del metabolismo energético de los organismos quimioorganotróficos. Las procariotas reductores de CO2 más importantes son los metanógenos, un grupo de arqueobacterias anaeróbicas estrictas que emplean generalmente el H2 como donante de electrones.

 

Hay por lo menos diez substratos que se convierten en metano por la acción de uno u otro metanógeno, todos los cuales liberan energía suficiente para la síntesis de ATP, incluyendo formiato, acetato, metanol, metilmercaptano y metilamina.

 

Se los divide en tres clases:

 

Substratos del tipo CO2

4H2 + CO2 hasta CH4 + 2 H2O

4HCOO- + 4 H+ hasta CH4 + 3 CO2 + 2 H2O

4CO + 2 H2O hasta CH4 + 3 CO2

Sustratos con grupo metilo

4CH3OH hasta 3CH4 + CO2 + 2 H2O

CH3OH + H2 hasta CH4 + H2O

4CH3NH3Cl + 2H2O hasta 3 CH4 + CO2 +4 NH4Cl

Substrato de acetotróficas

CH3COO- + H2O hasta CH4 + HCO3-

 

La conversión de acetato a metano aparece como un proceso ecológico muy importante en digestores de residuos y en medios anóxicos de agua dulce, donde no hay una competencia excesiva por el acetato con otras bacterias.

 

Alcoholes y ácidos grasos son intermediarios clave en la degradación metanogénica de la material orgánica (e.g., en digestores anaerobios de aguas residuales o en sedimentos de aguas dulces).

 

Las bacterias metanogénicas pueden degradar principalmente sólo uno de los compuestos carbonados. Por lo tanto, acetato, propionato, etanol, y sus homólogos superiores tienen que ser fermentadas además hasta generar compuestos de monocarbonados. Estas fermentaciones se llaman secundarias o sintroficas. Bajo condiciones estándar, son procesos endergónicos y dependen de acoplamiento íntimo con la actividad de las metanogénicas.

 

La situación energética de los procariotas que cooperan en estos procesos es problemática: la energía libre disponible en las reacciones necesaria para la conversión total de sustrato en metano atribuye, a cada uno de los partícipes, cantidades de energía en rangos de energía mínima bioquímicamente convertibles, por ejemplo, 20 a 25 kJ/mol para la reacción. Esta cantidad corresponde a un 1/3 de la que encierra un ATP y es equivalente a la energía necesaria para que un ión monovalente atraviese la membrana citoplasmática activa.

 

Recientes estudios revelan que las bacterias con fermentaciones sintróficas sintetizan ATP mediante fosforilización a nivel de sustrato y recuperan parte de la energía acumulada en ese proceso en generar un “transporte electrónico inverso” que permite transferir estos electrones circulantes a un sistema redox, propio de la bacteria copartícipe, con potencial accesible, equilibrando, de esta forma, el balance energético global. Estos hechos permiten generar una “acción de economía energética” que conceptual y realmente justifica a las asociaciones bacterianas sintróficas.

 

Sin embargo, la formación intestinal de metano, precisa también de H2 en cantidades importantes.  Pues bien, en los procesos de depuración, también es muy importante quienes son los actores, pues si aparece como principales las Selenomonas, se produce abundante ácido propiónico, y desciende la generación de H2 gas, mientras que si el actor es el Clostridium butiriricum,  se acumula mucho ácido butírico (en vez del propiónico), la generación de H2 se eleva y propiciamos el desarrollo de la arquea Methanobrevibacter smithii.  

 

Parece evidente pues que la aportación de sacarosa (azúcar) en la dieta tiene su importancia a la hora de adelgazar, pero quizás tengan importancia la aportación de aquellas vitaminas citadas al principio, que existiendo en abundancia, puedan estar inhibiendo la síntesis de las propias de los microorganismos intestinales, a cambiando la composición relativa de estos, lo cual conduzca a adelgazar.

 

Saludos cordiales,

 

Salvador González Carcedo

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Comentarios

Reciba un cordial saludo y felicitación por su excelente e interesante artículo sobre la obesidad y la sintrofía microbiana. Soy Médico en ejercicio privado en el área de Obesología Clínica y realizo actualmente una Maestría en Biología Molecular y una especialización en Investigación en Obesología en Venezuela y me gustaría poder intercambiar con usted información relativa al rol de los bacteroides y firmicutes en el los procesos de digestión, asimilación y metabolismo energético y su influencia en el desarrollo de obesidad.

Buen dia,

Me podria por favor informar si tiene algun consultorio en CCS y los telefonos?

Gracias,

Lizmara Araque

tarea

Me parece interesante el artículo, aunque no tengo ni pajolera idea de todo esto de los microorganismos. Si no le importa me gustaría que me aclarase dos puntos.

1 – ¿Por que solo se puede hacer 1 ó 2 días, implica algún riesgo?

2 – ¿Cuando dice Ud. frugal, se refiere a poca cantidad, o se puede comer la cantidad que se desee?

Muchas gracias por su respuesta.
Un saludo.

(requerido)

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