刘彩虹，张和平

(内蒙古农业大学 乳品生物技术与工程教育部重点实验室，呼和浩特010018)

0 引 言

肠道菌群的代谢流程与宿主的代谢流程存在交汇与互补的情况，即交互式代谢和共同代谢。肠道菌群参与调控宿主的多种代谢途径，包括宿主的免疫、营养、代谢，并且极大地影响宿主的物质能量代谢及与物质能量代谢相关疾病的发生与发展过程，何明清[1]等根据大量研究将肠道菌群与动物营养、免疫和代谢间的关系概况为 5个方面：(1)产酶。促进养分消化吸收，提高饲料转化率；(2)合成蛋白质、维生素；(3)促进体内有益菌的增殖，抑制有害菌的繁殖；(4)增强非特异性免疫功能；(5)净化环境，降低粪、尿臭味。

本文仅着重从以下几个方面对肠道菌群与宿主代谢相互作用进行详细阐述。

1 肠道菌群与宿主代谢

肠道微生物与其宿主从出生就开始相互作用，肠道微生物及其代谢产物促进了宿主的进化与宿主功能的成熟[2]。肠道菌群的结构及其组成是由自然选择决定的：在细胞水平上，表现为它们在定植竞争中的增殖速度和能量物质利用率上；在宿主水平上，表现在宿主对菌群整体的适应性。肠道菌群结构的多样性，是由相关细菌所代表的少数几个门为代表，是宿主对特定菌群的强烈选择[3]。肠道中大量微生物对其营养、免疫、疾病防治以及生理功能发挥具有重要作用，影响动物生长和健康。

一些研究表明，肠道内硬壁菌门与拟杆菌门比率对宿主能量代谢有重要影响[4]，肠道菌群特别是硬壁菌门和拟杆菌门可通过增加能量代谢、调控脂肪代谢[5-6]、改变内分泌功能、增加炎症反应等一切代谢机制对宿主健康进行调控[7]，例如研究较多的是肥胖小鼠和肥胖者肠道内硬壁菌门与拟杆菌门比率与其肥胖程度成正比[8-9]。肠道菌群参与调控其宿主的多种代谢途径，包括宿主的免疫营养，并且极大地影响宿主的物质能量代谢及与物质能量代谢相关疾病(例如肥胖、糖尿病等)的发生与发展过程。目前，肠道菌群被称为“微生物器官”：其在人体新陈代谢及免疫功能等方面具有举足轻重的作用[10]。

2 肠道菌群与肠道内营养物质代谢

2.1 肠道菌群与碳水化合物代谢

肠道菌群通过糖酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(HMP)、糖类厌氧分解途径(ED)进行糖类的代谢，复杂的碳水化合物经小肠消化吸收成为简单的糖类，这些糖类在结肠内被肠道菌群进一步发酵，发酵产物是短链脂肪酸(SCFA)，主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。在瘤胃动物中，乙酸是代谢必需的能量来源。

饲料中的碳水化合物被消化后，肠道微生物将其发酵产生短链脂肪酸，并通过肠道分泌细胞被G偶联蛋白受体41(GPR41)和G偶联蛋白受体43(GPR43)感受，在细胞培养模式和小鼠试验中等研究中表明丁酸可通过刺激脂肪细胞中瘦素的产生和诱导由肠道L细胞分泌胰岛高血糖样肽1(GLP-1)进而调节能量代谢[11]。一些研究表明体内大量补充核糖可以提高大强度耐力运动中血清NADPH含量和G-6-PD活性，增强抗氧化性酶的活性，有利于运动状态下机体内自由基的消除，进而改变肠道菌群的种类[12]；大量加服大豆低聚糖，也可使健康志愿者肠道内双歧杆菌数量增加[13]。Broek[14]等研究发现，某些双歧杆菌不能产生利用戊聚糖的木聚糖酶，但能分泌水解戊聚糖的外切阿拉伯糖苷酶。戊聚糖经外切阿拉伯糖苷酶降解后得到的木聚糖及XOS对双歧杆菌具有极强的诱导力，使双歧杆菌在肠道中的增殖速度加快。Etxeberria[15]等研究高通量测序方法是否能应用在饲喂高脂肪蔗糖组、肥胖组及对照组36日龄大鼠代谢的检测中，结果饲喂高脂蔗糖组大鼠实验组碳水化合物代谢、三羧酸循环等一些代谢过程均改变，这表明蔗糖饲喂可改变碳水化合物的代谢途径，进而对其肠道菌群的种类有一定程度的影响。Torok[16]等利用高通量测序法鉴定饮食对肉仔鸡肠道菌群的影响，结果显示饮食对空肠和盲肠内微生物群落影响较显著，其肠道内细菌群落组成的差异分别为73%与66%。因此，肠道微生物菌群组成受到饲料原料，饲粮脂肪、蛋白质、碳水化合物营养水平等一些因素的影响。

近年来，一些膳食纤维越来越广泛的被应用于日粮中，膳食纤维有降低血液胆固醇、调节肠道菌群等保健作用[17]。此外，不溶性膳食纤维容易吸收膨胀可加速粪便的排出量同时携带出肠道内大量的细菌[14]，Molist[18]等给早期断奶猪喂食含膳食纤维的日粮，研究发现饲喂这种日粮可减少盲肠中肠杆菌数量，并且可促进一些有益菌的增殖。Hask[19]等研究小麦副产物中的膳食纤维对小鼠肠道菌群的影响，结果表明膳食纤维对小鼠肠道菌群调理作用较明显，在增加有益菌乳酸杆菌和双歧杆菌的同时，一定程度上抑制了肠球菌和肠杆菌的增长。Chen[20]等研究表明膳食纤维的发酵产物会抑制巴比赛小鼠大肠杆菌的增殖，其盲肠中双歧杆菌数量增加，Montagne[21]等研究表明在特定环境中膳食纤维可使肠道肠杆菌数量减少，从而增进机体的健康成长。膳食纤维对肠道菌群的影响已成为研究人员关注的热点，但膳食纤维的粒度、水化性质等物理性质对肠道菌群是否有有利的影响是我们亟待研究的问题之一。

2.2 肠道菌群与脂类代谢

肠道菌群可以通过各种途径参与能量及脂类代谢，导致肝脏脂肪酸和甘油三酯存储[22]。甘油三酯在脂肪细胞的存储、肝脏脂肪的从头合成及线粒体脂肪酸氧化中发生变化，从而影响机体的能量存储，进而引发诸如肥胖、糖尿病等一系列代谢疾病[23]，表现为肠道菌群在种类、数量、比例、定位和生物学特性上的变化。

肠道菌群已被证明在宿主营养吸收、肠道与免疫系统的发育等重要的生理过程中发挥作用，其变化与多种疾病的发生、发展和治疗密切相关。目前关于肠道中硬壁菌门与拟杆菌门的比例与肥胖、胰岛素抵抗、胃肠道癌症和某些精神性疾病等相关性存在着一定的争议[24]，一些研究表明肥胖与硬壁菌门/拟杆菌门比例呈负相关[25]，表明拟杆菌门可能抑制机体能量的吸收[26]；也有一些研究表明其比例在肥胖个体中没有很大的改变[27]；而其中研究最多的则是肥胖与肠道中硬壁菌门/拟杆菌门比例的呈正相关[28]。Turnbaugh[29]等将一个肥胖小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠体内诱导无菌小鼠肥胖的幅度远远高于将一个消瘦小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠体内，且一些研究表明肥胖患者[25]、肥胖小鼠[30]肠道菌群内拟杆菌门数量较少而硬壁菌门数量较多，由于肠道菌群组成的这种差异，肥胖的人能够更有效的从食品获取能量和刺激脂肪的生成[29]。Velagapudi[31]等通过对常规饲养大鼠及无菌大鼠中血清代谢组、脂质组比较分析肠道菌群如何调控大鼠能量与油脂代谢，通过对血清代谢组分析可知普通饲养方式下的大鼠体内能量代谢率增加，此外，研究发现肠道菌群改变血清、脂肪组织及肝脏中脂质量，最主要是影响了甘油三酯和磷脂酰胆碱种类，进而影响宿主能量代谢。最近一项研究发现[32]，一对双胞胎(一个偏胖、一个偏瘦)中，偏胖者肠道内有较丰富的调控碳水化合物及脂肪代谢基因。Wu[33]等人使用分子生物学方法比较了Ⅱ型糖尿病人和健康志愿者的肠道菌群后发现，普通拟杆菌属和双歧杆菌属细菌较少地出现在Ⅱ型糖尿病人肠道中，而且Ⅱ型糖尿病组双歧杆菌数显著降低。近年来随着高通量测序技术发展，Larsen[34]等在使用宏基因组学方法观察研究了Ⅱ型糖尿病患者的肠道菌群结构的特点后发现，Ⅱ型糖尿病患者的肠道菌群中，革兰氏阴性菌的数量较多，其体内的硬壁菌门杆菌的数量显著增加，而且拟杆菌门与硬壁菌门比例以及拟杆菌门普氏菌与?总厌氧球形梭菌属比例与血糖水平呈正相关。Ley[9]等动物实验表明，肥胖症与肠道菌群的改变相关。他们运用分子生物学手段，通过基因测序来鉴定肠道菌群，发现肥胖型小鼠肠道内类杆菌比非肥胖型小鼠少50%，而硬壁菌门数量增加，表明了肠道菌群影响肥胖型小鼠与非肥胖型小鼠的能量吸收；Rawls[23]团队也研究表明肥胖鼠肠道菌群的特征是硬壁菌比正常鼠显著增多，而拟杆菌明显减少。

近年来，一些研究团队对肠道特征菌群与肥胖及其代谢综合症进行探索，并不断地深入研究其具体的致病机制，其机制已初步阐述如下：过量的能量摄入造成主要分解肠道饱和脂肪酸的硬壁菌门大量增殖，进而造成肠道菌群的失衡[35]；通过调控宿主基因的表达，使宿主脂肪积累[36]。通过此机制以开发治疗肥胖、糖尿病等一系列代谢性疾病的途径，尽管肥胖和能量摄入可影响肠道菌群的组成，但改变的肠道菌群反过来是否有利于机体的健康还待进一步研究。

2.3 肠道菌群与蛋白质代谢

蛋白质营养是动物营养研究的核心问题。传统的蛋白质营养理论认为，动物采食的蛋白质在消化道内蛋白酶和肽酶的作用下降解为游离的氨基酸，然后通过肠壁被机体吸收，蛋白质在动物机体内完全以氨基酸的形式被吸收；而菌群的变化可以从排泄物中细菌产生的氨基酸和一些能源相关的代谢产物的变化情况得知，由此证明代谢变化与肠道菌群的成熟和演变是同步进行的。

氨基酸在调节宿主营养代谢方面起着重要的作用，但其潜在的调控机制尚不清楚。He[37]等通过代谢组学分析对饲喂L-精氨酸补充剂饲料对猪血清蛋白质代谢的影响，结果表明饲料中精氨酸的添加使得猪体内脂肪积累降低，其肠道菌群种类发生改变。Zhao[38]通过DGGE技术及测序研究猪小肠内主要菌群对氨基酸(赖氨酸、苏氨酸、精氨酸)的分解利用，结果发现分解氨基酸的主要肠道菌群为链球菌属、光岗菌属、埃氏巨球菌属等三大类菌群。Burrin[39]研究表明，蛋氨酸代谢生成S-腺苷甲硫氨酸，其中S-腺苷甲硫氨酸是体内主要的甲基基团供体也是去甲基化抑制因子，可以抑制低甲基化引起的促癌基因表达。一些体内试验表明，赖氨酸可在肠道组织中发生氧化代谢，但也有研究发现赖氨酸在小肠黏膜中不能代谢产生三羧酸循环中间产物，由此可推测肠道中赖氨酸的分解代谢可能与肠道内微生物有一定的联系[40]。

近年来，代谢组学分析方法越来越多的被应用于氨基酸营养学方面的研究，为研究人员提供了简便快捷的方式[41]。

2.4 肠道菌群与其他物质代谢

2.4.1 肠道菌群与矿物质代谢

矿物质(如钙、铁、镁、锌)的吸收利用率对宿主肠道菌群的组成有很大的影响。肠道菌群对矿物质的吸收可能是由于肠道菌群与矿物质元素结合形成易被吸收(铁)或不能被吸收(镁、钙)的复合物。Bai[42]等利用肉仔鸡原位结扎灌注肠段法研究不同形态锰的吸收方式，发现不同形态锰在十二指肠中吸收的动力学模型都最适合饱和载体转运，但中等和强络合强度复合氨基酸络合锰吸收速率。这些结果提示，以络合状态存在的有机微量元素氨基酸络合物或螯合物在小肠中可能不是以无机金属离子的形式而是以完整络合物的形式被吸收。各种矿物质的吸收利用率直接影响肠道菌群的组成，其中铁对其肠道菌群种类的影响已有大量的报道[43]。Keren[44]等研究大鼠铁代谢对其肠道菌群的影响，其假设宿主体内铁平衡可能影响肠道内腔铁含量及肠道菌群的种类，且知铁调节蛋白2(Irp2)及变异基因Hfe均是调控体内铁代谢平衡的蛋白，实验结果显示，Irp2-/-大鼠内大鼠杆菌属和肠乳杆菌属较丰富，Hfe-/-大鼠中肠球菌属和欧陆森氏菌属含量较高，而普通野外大鼠中约氏乳杆菌种类较丰富，其结果表明，大鼠内铁代谢基因的缺失的确影响其肠道内菌群组成。LaVaute[45]也研究表明，铁调节蛋白基因(Irp2基因)的缺失也影响铁离子的吸收，进而改变大鼠肠道菌群的种类。这些结果显示，以络合状态存在的有机微量元素氨基酸络合物或螯合物在小肠中可能不是以无机金属离子的形式而是以完整络合物的形式被吸收。另外，肠道菌群产生的有机酸是一种螯合剂，能促进后肠中钙、磷等矿物质的吸收，肠道菌群代谢的毒性产物也可使铁元素主动运输系统失活，从而影响肠道内铁的吸收利用率。

2.4.2 肠道菌群与维生素代谢

维生素是动物正常生长所必需的营养素，缺乏和过量都会导致动物代谢紊乱、生长性能下降等症状。

肠道菌群可以合成如维生素B1、B2、C、K，尼克酸、生物素和叶酸等多种维生素，其中维生素K主要来源于肠道中大肠杆菌的合成。Kindbery[46]等无菌实验表明，无菌小鼠定值双歧杆菌后其组织和粪便中均不能检测出维生素K2，而定值大肠杆菌的小鼠粪便含有丰富的维生素K2。Bentloy[47]等以缺乏维生素K食物饲养无菌小鼠，小鼠很快发生出血倾向，而摄入同样食物鼠则凝血功能正常，把无菌小鼠转为有菌普通动物或无菌小鼠饲料加入维生素K则出血症状消失。动物实验和婴儿保留灌肠表明维生素K2可由回肠末端及结肠以被动扩散的方式吸收[48]。Subbaiah[49]等研究维生素E对感染新城疫病毒鸡肝脏、大脑、心脏抗氧化状态的影响，结果表明感染组肉仔鸡大脑与肝脏中丙二醛(MDA)水平相对增加而超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽酶等酶活性及谷胱甘肽S转移酶水平均升高；而维生素E处理组的MDA降低，其超氧化物歧化酶活性增强，由此可知维生素E可有效缓解感染肉仔鸡抗氧化性。Surai[50]也研究维生素E对新生儿肉仔鸡的心脏、大脑、肝脏等等组织抗氧化也有一定的缓解作用，也有调节宿主生理等各方面的功能。大量研究表明，肠道菌群与维生素代谢相互作用，促进着动物体的健康成长。

3 结束语

肠道菌群是生物体胃肠道功能的重要组成部分，参与调控宿主的多种代谢途径包括动物体的生理、生化、病理和药理的全过程，得到人们的广泛关注。动物优势菌群能够帮助维持肠道菌群平衡，并在自身代谢过程中产生多种消化酶、有机酸、营养物质和益生因子等物质，进而调控动物体内优势菌群的种类及数量。但人们对肠道菌群对营养物质代谢消化、吸收方面具体作用机制研究较少，因此加强这方面的研究有益于更准确、更详细的了解肠道菌群对宿主营养物质消化、吸收代谢的影响。

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