نقش کربوهیدراتها در سلامتی و بیماری

نقش کربوهیدرات در بدن انسان

در مقاله ای که اخیرا توسط گروهی از دانشمندان اروپایی چاپ شده است به نقش مخرب کربوهیدرات ها برای سلامتی بدن اشاره شده است.

کربوهیدرات ها قسمت اعظم رژیم غذایی ما را به خود اختصاص میدهند. لیکن ثابت شده است که مصرف غلات تصفیه شده (مثل آرد سفید)، قندهای ساده (مثل شکر)، و کربوهیدرات های با کیفیت پایین نقش مخربی برای سیستم عصبی، قلبی عروقی، گوارشی و … بازی میکنند و به عنوان عامل بیماریهای مزمن در جهان قرن ۲۱ معرفی شده اند. دانشمندان عقیده دارند که بخش عمده ای از سرعت فزاینده بروز بیماریها (مثل چاقی، دیابت، سندرم متابولیک و بیماریهای عصبی) در قرن اخیر به مصرف غذاهای مضر برمیگردد. امروزه تغییر عادات غذایی مردم بخصوص در جهان غرب از غذاهای گیاهی به غذاهای گوشتی و قندهای ساده از دلایل افزایش بیماری ها به حساب می آید. گفته میشود غذای مردم امروزی نسبت به قبل کم حجم و پر کالری شده است. بشر امروزی قد و وزن بیشتر، حجم مغز بزرگتر و دندانهای ضعیف تری نسبت به انسان اولیه دارد که بواسطه تغییر الگوی غذایی اوست. تحقیقات نشان می دهد بواسطه مصرف بیشتر کربوهیدرات ها، ترشح آمیلاز (آنزیم هضم کننده نشاسته) نسبت به قبل بیشتر شده که این امر سطح قند خون را بالا می برد. از تغییرات دیگری که حادث شده تغییر در طریقه پخت و پز است که مطابق با کاهش مصرف غذاهای فیبری و ضعف جویدن می باشد. حتی گفته میشود این الگوی مصرف منجر به کاهش طول روده کوچک در انسان امروزی شده است.

نقش کربوهیدراتها در سلامت روده

در بدن انسان انواع میکروبها شامل باکتریها، قارچها، ویروسها، آرکی ها و انگلها وجود دارند که در شرایطی که تعادل آنها حفظ شود بدن را در حالت سلامتی نگه می دارند. این میکروارگانیسمها  از دهان تا ریه و دستگاه گوارش وجود دارند ولی قسمت اعظم آنها در روده هستند. باکتریهای روده وظایف مهمی همچون تولید انرژی، استحکام بافت اپیتلیال روده، مبارزه با میکروبهای بیماریزا و تامین ایمنی را به عهده دارند. باکتریهای روده در تخمیر بی هوازی کربوهیدراتهای هضم نشده مثل فیبرهای غذایی و تبدیل آنها به اسیدهای چرب کوتاه زنجیره نقش دارند. اسیدهای چرب کوتاه زنجیره در کاهش اشتها و جلوگیری از چاقی موثر هستند.

بخشی از کربوهیدراتها فیبرها هستند. فیبرهای غذایی به چند طریقه قابل تقسیم بندی هستند. فیبرهایی که از بیش از ۱۰ منومر تشکیل شده باشند کربوهیدراتهای غیر قابل هضم نامیده میشوند که شامل سلولز، همی سلولز، اینولین، پکتین، صمغ، پسیلیوم ، موسیلاژ و بتاگلوکانها هستند. در مقابل، فیبرهای تشکیل شده از ۳ تا ۹ منومر الیگوساکاریدهای مقاوم نامیده میشوند و شامل گالاکتوالیگوساکاریدها و فروکتوالیگوساکاریدها هستند.

اما نقش فیبرها به قابلیت تولید صمغ، محلول بودن در آب و تخمیر پذیری توسط باکتریهای روده برمی گردد. فیبرهای غذایی نقش مهمی در تنوع و تعادل جمعیت میکروبی روده (میکروبیوتا) دارند.

تحقیقات نشان میدهند مصرف فیبرهای غذایی با تاثیری که بر تعدیل جمعیت میکروبی روده دارند در سلامت جسم و روح موثر هستند. جمعیت میکروبی روده  در جوامع غربی که مصرف فیبرها کم است و مصرف گوشت و چربیها زیاد است نسبت به جوامعی که فیبر بیشتر مصرف میکنند متفاوت است. تحقیقات حاکی از این است که جمعیت پرووتلاها در جوامع شرقی و افریقایی نسبت به جوامع غربی بیشتر است که بواسطه مصرف بیشتر فیبرها می باشد. کربوهیدراتهای کوتاه شامل منو و دی ساکاریدها که عمدتا در فست فودها یافت میشوند توسط میکروبهای دستگاه گوارش قابل تخمیر نیستند و چنانچه به میزان زیاد مصرف شوند تعادل میکروبی روده را برهم میزنند. پس بطور خلاصه باید گفت که کربوهیدراتها با واسطه جمعیت میکروبی روده بر سلامتی یا بیماری بدن بسیار تاثیرگذار هستند.

نتیجه گیری:

  • افزایش بروز چاقی و بیماری های متابولیک در جهان امروز، مرتبط با تغییرات در رفتارهای غذایی است.
  •  طبق دستورالعمل های تغذیه ای، کربوهیدرات ها ۴۰٪ تا ۶۵٪ از کل روزانه را تشکیل می دهند. لیکن مصرف روزانه توصیه شده کربوهیدرات ها باید بر اساس غلات کامل باشد.
  • بیش از مقدار، ماهیت و نوع کربوهیدرات ها در سلامتی یا بیماری مهم است.
  • افزایش مصرف غلات و قندهای تصفیه شده و همچنین روغن‌های گیاهی تصفیه‌شده و گوشت‌های چرب، ریشه افزایش بیماری های مزمن مرتبط با تغذیه هستند.
  • مصرف قندهای ساده در اغذیه و نوشیدنی های قندی با بیماری آسم، بیماریهای متابولیک، و مشکلات خلقی مرتبط است.
  • تنوع و تعادل در جمعیت میکروبی روده مترادف با سلامتی است و در این میان، فیبرهای غذایی به عنوان غذای باکتریهای روده، دارای اهمیت زیادی است.
  • کربوهیدرات های پیچیده و فیبرهای غذایی میتوانند بر کاهش التهاب، جلوگیری از تکثیر سلولی و رشد تومور موثر واقع شوند..
  • کربوهیدرات های پیچیده و فیبر می توانند دفع مواد سرطان زا از مدفوع را افزایش دهند.
  • مصرف منابع غذایی با شاخص گلیسمی پایین و فیبر باید بیشتر از ۲۵ تا ۳۰ گرم در روز باشد.

تهیه شده توسط دکتر نازیلا کسائیان

References:

Kopp, W. How Western Diet and Lifestyle Drive the Pandemic Of Obesity and Civilization Diseases. Diabetes Metab. Syndr.Obes. ۲۰۱۹, ۱۲, ۲۲۲۱–۲۲۳۶. https://doi.org/10.2147/DMSO.S216791.

O’Grady, J.; O’Connor, E.M.; Shanahan, F. Review Article: Dietary Fiber in the Era of Microbiome Science. Aliment. Pharmacol.Ther. 2019, 49, 506–۵۱۵.

https://doi.org/10.1111/apt.15129.

Cronin, P.; Joyce, S.A.; O’Toole, P.W.; O’Connor, E.M. Dietary Fiber Modulates the Gut Microbiota. Nutrients ۲۰۲۱, ۱۳, ۱۶۵۵.
https://doi.org/10.3390/nu13051655.

Chanmuang, S.; Nguyen, Q.-A.; Kim, H.-J. Current Research on the Effects of Non-Digestible Carbohydrates on Metabolic Disease. Appl. Sci. 2022, 12, 3768. https://doi.org/10.3390/app12083768.

 

Analysis of meta-genomic data based on 16S rRNA sequencing

In recent years, the rapid decline in the cost of next-generation sequencing (NGS) and increasing the length of readable sequences have led to the development of two shotgun sequencing and 16S rRNA gene profiling approaches to describe the structure of microbial communities. These approaches could become standard tools for scientists and many laboratories in the field of microbial ecology in the near future. Then shotgun sequencing, 16S rRNA sequencing is more economical. Therefore it is frequently used for studies with large sample sizes or time series, however, it cannot give insight into the metabolic structure of microbial communities.

Figure 1. Different stages of metagenome projects. Metagenomics – a guide from sampling to data analysis; Torsten Thomas et al. 2012.

The use of 16S rRNA sequencing back to the 1980s, when a new standard for identifying bacteria was first developed. It is then discovered that the phylogenetic relationships of bacteria and all biological organisms could be determined by comparing the stable part of the genetic code. In bacteria, these genetic regions included the genes encoding the 16S, the 5S, the 23S, and the regions between these genes. Today, the 16S rRNA gene is mostly used in bacteria for taxonomic targets. The 16S rRNA gene is a vital part of cell function, a target for antimicrobial agents, and composed of conserved and 9 highly variable regions that have different position, length, and taxonomic differentiation. The approximate length of the 16S rRNA gene is about 1550 bp. Comparison of 16S gene sequences in all major phyla of bacteria makes it possible to differentiate between them at the genus level. In addition, differences in the hypervariable region of ribosomal RNA genes are ideal for phylogenetic studies. The hypervariable region 4 (V4) amongst the short regions (<300 bp), is usually the most usable. 16S rRNA sequencing is an amplicon-based and vigorous tool that is widely used for metagenomic studies. The identification of microbial communities based on phenotypic characteristics is not as accurate as genotypic identification methods. Rarely isolated and poorly described strains, novel pathogens, mycobacteria and no cultured bacteria can be better identify by 16S rRNA gene analysis. This feature can have a significant impact on patient identification and care and also led to improved clinical results and provide exactly grouped organisms for more studies. 16S rRNA gene sequencing is currently the most accurate method for identifying microbial communities in various biological samples. One of the most important applications of the 16S rRNA sequencing method is the identification of unknown organisms based on previous knowledge and it can be said that it is the best choice in this field.

Despite all these advantages, there are problems such as inaccuracy of sequences in some databases, the proliferation of species names based on minimal phenotypic and genetic differences, microheterogeneity in 16S rRNA sequences within a species, and finally, lack of quantitative definition of genus or species based on 16S rRNA data. The most important challenge is the extraction of biochemical signaling pathways from 16S rRNA data that can be used in smaller clinical laboratories.

Necessity of 16S rRNA databases

In general, the existence of databases with accurate biochemical and morphological descriptions of strains is essential for the phenotypic identification of microorganisms. In parallel, in order to accurately identify the 16S rRNA gene sequences of microorganisms, it is necessary to have databases containing a collection of exact sequences with appropriate names with these sequences and exact sequences for isolated types. databases such as GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), MicroSeq, the Ribosomal Database Project (RDP-II) (http://rdp.cme.msu.edu/html/), Smart Gene IDNS (http://www.smartgene.ch), the Ribosomal Database Project European Molecular Biology Laboratory (http://www.ebi.ac.uk/embl/), and Ribosomal Differentiation of Medical Microorganisms (RIDOM) (http://www.ridom.com/) are examples of associated databases.

Figure2. Universal phylogenetic tree based on the 16S rRNA gene sequence comparisons. Pace, N. A molecular view of microbial diversity and the biosphere. Science276:734-740. 1997.

References

  • A comprehensive benchmarking study of protocols and sequencing platforms for 16S rRNA community profiling.
  • Community genomic and proteomic analyses of chemoautotrophic iron-oxidizing “Leptospirillum rubarum” (Group II) and “ Leptospirillum ferrodiazotrophum” (Group III) bacteria in acid mine drainage biofilms.
  • Metagenomics – a guide from sampling to data analysis.
  • Tax4Fun: predicting functional profiles from metagenomic 16S rRNA data.
  • Impact of 16S rRNA Gene Sequence Analysis for Identification of Bacteria on Clinical Microbiology and Infectious Diseases
  • Bottger, E. C.1989. Rapid determination of bacterial ribosomal RNA sequences by direct sequencing of enzymatically amplified DNA. FEMS Microbiol. Lett.65:171-176.
  • Garrity, G. M., and J. G. Holt.2001. The road map to the manual, p. 119-166. In G. M. Garrity (ed), Bergey’s manual of systematic bacteriology. Springer-Verlag, New York, N.Y.
  • Harmsen, D., and H. Karch.2004. 16S rDNA for diagnosing pathogens: a living tree. ASM News70:19-24.
  • Kolbert, C. P. and D. H. Persing.1999. Ribosomal DNA sequencing as a tool for identification of bacterial pathogens. Curr. Opin. Microbiol.2:299-305.
  • Tortoli, E.2003. Impact of genotypic studies on mycobacterial taxonomy: the new mycobacteria of the 1990s. Clin. Microbiol. Rev.16:319-354.
  • Drancourt, M., C. Bollet, A. Carlioz, R. Martelin, J. P. Gayral, and D. Raoult.2000. 16S ribosomal DNA sequence analysis of a large collection of environmental and clinical unidentifiable bacterial isolates. J. Clin. Microbiol.38:3623-3630.
  • Pace, N. A molecular view of microbial diversity and the biosphere. Science276:734-740. 1997.

prepared by: Parvin Zarei