肠道微生物与代谢营养作用

肠道微生物群以结肠中菌群密度和种类最高，其发挥的代谢和营养作用也主要发生在结肠。肠道微生物群能够利用来自上消化道不被人体消化和吸收的食物残渣、各种消化道分泌物及死亡脱落的上皮细胞、死亡细菌的残骸等，进行代谢和生物合成，一方面使这些物质进一步被分解排出体外，另一方面合成一些人体必需的营养物质，维持人体的健康。采用基因组学和代谢组学技术研究发现，人类肠道远端菌群几乎携带人体所有物质代谢的基因。实际上肠道微生物群的代谢与宿主的代谢存在互补的情况，即交互式代谢和共同代谢。

（一）膳食成分的代谢

膳食成分是肠道微生物群代谢的最主要的底物，肠道微生物群结构也因此受到膳食成分的影响。膳食组成-肠道微生物群-宿主之间的相互作用关系，在机体代谢、免疫等相关疾病的发生发展中具有重要的作用。

1.蛋白质代谢　肠道细菌产生的蛋白酶能将食物蛋白质分解成多肽，在肽酶作用下分解成氨基酸，并被细菌全部利用。不同细菌蛋白酶或肽酶产生能力不一。几乎所有细菌都有肽酶，而具有蛋白酶的细菌则较少。消化道菌群分泌的酶可补充机体内源酶的不足，特别是在幼龄动物更为明显。蛋白质及其降解产物可被肠道细菌利用，如某些氨基酸可作为在厌氧条件下生长的梭状芽孢杆菌的能源物质。肠道细菌可分解存在于消化道的无论来自食物或来自宿主本身组织的所有氮化物，而且还可合成大量可被宿主再利用的含氮产物。研究表明，微生物能降解氨基酸形成氨，这种氨可进入再循环被宿主合成氨基酸再利用。在蛋白质不足的情况下，肠道菌的活动在氮转化上对宿主更为有益。

2.氨基酸代谢　肠道微生物群通过脱羧和脱氨作用分解氨基酸。脱羧作用是细菌对氨基酸代谢的最初反应。脱羧酶广泛分布于肠道细菌中，许多细菌都有对氨基酸的脱羧作用，例如大肠埃希菌、变形杆菌、乳杆菌、双歧杆菌、类杆菌和梭菌等。在细菌脱氨酶作用下，氨基酸由于细菌的类型、氨基酸的种类以及环境的不同，按不同方式发生脱氨作用。氧化脱氨只有在有氧条件下才能脱氨生成氨与α-酮酸，专性厌氧菌如梭菌没有氧化脱氨作用，但可在厌氧条件下进行还原脱氨。氨是食物和内源性蛋白质的细菌代谢终产物，通过肠肝循环参与人体代谢活动。

3.碳水化合物代谢　碳水化合物是人体重要的能量来源，人体内的酶对碳水化合物中大部分复杂的糖类和植物多糖都不能降解。结肠菌群能够将这些人体不能消化的糖类，包括纤维素、木聚糖、抗性淀粉和菊粉等发酵，产生短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸等），为机体提供能量。淀粉是自然界中最丰富的均一性多糖之一，摄入的淀粉主要在小肠中由膜淀粉酶水解，但是约有20%的食物淀粉对此种酶不敏感，称为抵抗性淀粉，这些不能被膜淀粉酶水解的淀粉在回、结肠中被细菌分泌的淀粉酶酵解，酵解产物给菌群和人体提供所需的能量和碳源。

4.能量代谢　人类从膳食中获取的能量有10%可归因于肠道微生物群的这种作用。除降解碳水化合物参与能量代谢，肠道微生物群也发酵水解到达结肠的食物残渣中的氨基酸或内源性蛋白质，为人体提供能量。同时，不同类型的膳食可通过调控肠道微生物群构成间接影响宿主能量获取和能量调控。纤维性食物在盲肠、结肠中充分发酵，促进了某些利用纤维作为能量来源的菌群的生长、繁殖，使结肠总菌量增加。

（二）胆盐和胆红素代谢

1.胆盐代谢　胆盐为各种胆汁酸的盐类，由肝细胞分泌，经胆道进入肠腔。肠道微生物群通过参加胆盐的代谢，对肠道的脂质与固醇类的代谢起着重要的作用。肠道中细菌多数能产生胆汁酸代谢酶，以类杆菌属、双歧杆菌属和梭状芽孢菌属的酶活性最强。分泌到肠道内的胆汁酸是结合型的，在微生物酶的作用下，结合型胆汁酸才能分解。正常人胆汁酸的细菌代谢只出现于回肠下段和盲肠中，当肠内容物运送到横结肠时，胆汁酸已被细菌代谢完毕。

2.胆红素代谢　肠道微生物群对胆红素的调节作用主要是在胆红素代谢的肠肝循环阶段，回肠末端和结肠是最主要的部位。结合型胆红素在肠道细菌的作用下，经β-葡萄糖醛酸苷酶（β-GD）水解胆红素-葡萄糖醛酸脂键，脱去葡萄糖醛酸基产生未结合胆红素，经肠道吸收，进入肠肝循环，这一过程主要见于婴幼儿；或在肠道微生物群及H＋作用下裂解为尿胆原，再转化为尿胆素，随粪便排出体外，主要见于成人。已知肠道中的β-GD主要来源于肠黏膜上皮细胞，其次为肠道细菌，有极少量来自胆汁，因此胆红素进入肠道后，其进入肠肝循环还是排出体外，一定程度上决定于肠道微生物群。早有研究证实，梭状芽孢杆菌、消化球菌、葡萄球菌等可产生β-GD，而双歧杆菌、乳酸杆菌等在体内外均不产生β-GD。(www.xing528.com)

（三）生成维生素

肠道微生物群能合成多种人体生长发育必需的维生素，包括B族维生素、维生素K、烟酸、泛酸等。现已证实，肠内脆弱类杆菌和大肠埃希菌能合成维生素K，乳酸杆菌和双歧杆菌能合成多种维生素，如尼克酸、叶酸、烟酸、维生素B。机体维生素K有两种不同的来源：食物摄入的维生素K1和肠道微生物群合成的维生素K2，维生素K2约占50%。大剂量广谱抗生素的使用，使肠道正常菌群遭到破坏，可以引起维生素K依赖性因子缺乏，继而导致继发性出血。

（四）生成短链脂肪酸

短链脂肪酸（SCFAs）主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和延胡索酸等，又称挥发性脂肪酸，主要由肠道厌氧菌在盲肠、结肠部位将食物中未被消化的碳水化合物和少量蛋白质发酵而产生。肠道中SCFAs的浓度取决于菌群的组成、肠道转运时间、宿主菌群对SCFAs代谢的运转和食物中纤维的含量。参与酵解的厌氧菌有双歧杆菌属、乳杆菌属、拟杆菌属和梭杆菌属。肠道产生的SCFAs有90%被肠黏膜吸收利用，被吸收的SCFAs可为结肠黏膜提供主要的能量来源，其中丁酸是肠上皮细胞特别重要的能量来源，在细胞分化和生长中起着特别重要的作用，乙酸、丙酸主要为肝细胞糖原异生和肌肉细胞提供能量；SCFAs还维护上皮细胞的完整性和杯状细胞的分泌功能，维持教膜屏障功能，调节免疫应答和炎症反应；SCFAs作为信号分子，在免疫系统的发育和调节、维持肠道稳态中具有重要作用。

（五）生成神经递质

神经递质（neurotransmitter）是在化学突触传递中担当信使的特定化学物质。近年来的研究发现肠道微生物群可以通过生成神经递质，包括5-HT、γ-氨基丁酸、多巴胺、褪黑激素、乙酰胆碱和色氨酸等，参与调控脑发育、应激反应、焦虑、抑郁、认知功能等中枢神经系统活动。

（六）药物代谢

肠道微生物群对药物的代谢是人体内重要的药物代谢途径之一，它与肝脏代谢相辅相成，可以作为肝脏代谢的补充和抵抗。肠道微生物群对药物的代谢能力甚至在许多方面已超过肝脏。目前已经报道有30余种临床使用的药物代谢受到肠道微生物群的影响，一方面可促进药物活化、增强药理活性，另一方面也可能增强药物的毒性。因此个体的肠道微生物群的不同可能导致药物在个体之间效果和毒副反应的差异，这不仅能够促进个体化医疗，而且将有可能改进给药的方案设计。