■张璐璐 卫旭彪 斯大勇 张日俊

（中国农业大学饲料生物技术实验室动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

不同的人对食物的摄取以及饮食的偏好性不同，所以人们对蛋白质的消耗情况也各有不同[1]。研究证明高蛋白饮食方式可以增加饱腹感，改善脂质代谢，进而有助于减肥。尽管这种饮食方式有助于肥胖者减肥，但是对肾病患者是有害的[2]。

最近研究证明，影响蛋白质代谢的主要因素除了宿主的生理状态外，肠道微生物也具有重要的作用。由于肠道微生物可以利用宿主食物中的蛋白质以及内源性蛋白，甚至可以竞争性的利用宿主的蛋白质，因此，宿主和肠道微生物的代谢关系是十分复杂的。肠道细菌发酵产生的氨基酸能影响宿主对蛋白质或氨基酸的吸收（运输）和代谢，并能影响宿主细胞的生理状态[3]。

本文综述了不同饮食方式（如高脂和高蛋白）对宿主肠道微生物和它们在蛋白质∕氨基酸代谢的影响，研究了宿主在不同生理和病理状态下氨基酸代谢（尤其是肠道菌群的氨基酸代谢）与蛋白质代谢的关系。

1 肠道菌群氨基酸代谢与宿主生理状态的关系

宏基因组的迅速发展使我们对肠道微生物的氮代谢尤其是与氨基酸相关的代谢途径有了更为详细的研究[4]。研究显示，肠道微生物有着丰富的与氨基酸代谢相关的基因，有较强的氨基酸代谢能力[4]。相较于人类基因组，肠道微生物含有大量与赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成相关的基因及途径以补偿机体对必需氨基酸的需求[5]。

宏基因组测序分析表明，代谢表型（如受试者的胖与瘦）和饮食方式（如高脂肪饮食、益生元摄入等）与哺乳动物肠道微生物的种类和功能有关。近期科学家研究了动物短期植食性饮食与肉食性饮食对机体肠道菌群及菌群相关代谢基因表达的影响，结果表明，肉食性饮食会导致动物机体中参与谷氨酸和谷氨酰胺分解的基因表达量增加，而植物性饮食会使动物机体参与氨基酸合成途径的相关基因表达量增加[6]。David等[6]也发现动物性饲料会显著提高蛋氨酸和亮氨酸的生物分解途径基因表达量，而植物性日粮会提高组氨酸合成相关基因的表达量。

Turnbaugh等[7]对啮齿动物的研究发现，与较瘦的小鼠相比，肥胖型小鼠盲肠微生物中参与赖氨酸生物合成途径的相关基因显著高于较瘦的小鼠，但是与谷氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、精氨酸和脯氨酸分解相关的基因表达量显著低于较瘦的小鼠。此外，对双胞胎粪便的研究发现，相较于双胞胎中的瘦者，肥胖者的色氨酸代谢途径相关基因表达量显著低于瘦者[8]。

Zheng等[9]对抗生素处理期间以及处理后14 d的恢复期中宿主和肠道微生物代谢产物的研究发现，修复肠道微生物可以改变宿主对短链脂肪酸、色氨酸、酪氨酸以及褪黑素的代谢。

研究显示，当蛋白质摄入量增加时，大肠中未被消化的蛋白质积累量增加，同时细菌氨基酸分解代谢的底物也显著增多[10]。Russell等[11]研究显示，相较于正常饮食，高蛋白低等或中等碳水化合物饮食会使粪便中支链脂肪酸、苯乙酸和亚硝胺化合物数量增多。并且低碳水化合物高蛋白饮食，会使体内丁酸和抗氧化酚的比例减少。研究证明，粪便代谢谱的这些变化与动物体内丁酸菌、假丁酸弧菌∕真杆菌的比例的变化有关[11]。也有研究发现，当人们摄入肉类食物时，其粪便中硫化氢、甲酚和苯酚浓度显著升高，此外尿液中吲哚葡糖苷酸、谷氨酸和喹啉酸含量升高，由于这几种物质仅能由肠道微生物产生，因此表明高蛋白饮食能改变动物肠道菌群进而改变动物体内的氨基酸代谢[12]。与此同时，小鼠的研究模型表明高蛋白饮食可以改变其结肠中肠道菌群的组成及其多样性，进而改变结肠中短链脂肪酸、硫化氢、支链脂肪酸、乙醇和几种有机酸的浓度[13]。

2 蛋白质摄入水平对健康的影响

如上所述，高蛋白日粮对宿主的代谢和生理具有显著影响，且这种影响可能与氨基酸的代谢产物有关。研究显示，高蛋白摄入对人和动物健康有一定的影响，且这种影响机制可能与肠道菌群的代谢产物有关。

2.1 高蛋白饮食会引起饱腹感

临床试验分析表明，相较于标准蛋白饮食，高蛋白饮食会使去脂体重保持不变的情况下适度降低机体体重、血压、脂肪含量以及甘油三酯含量，这主要由于膳食蛋白可以增加机体的饱腹感[14-15]。在人体中，高蛋白饮食通过增加血浆中的YY肽的水平进而增强机体的饱腹感，尽管这些作用的机制尚不清楚，但是肠道微生物以氨基酸为前体物质合成的化合物——短链脂肪酸、吲哚和酪胺，是高蛋白饮食影响内分泌细胞分泌与产生饱腹感相关激素的中介者[16]。

2.2 高蛋白饮食对肠黏膜的影响

对大鼠的研究发现，相较于对照组（饲喂等热量的标准蛋白∕高糖饮食的小鼠组），饲喂高蛋白饮食的小鼠会显著降低小肠绒毛的高度[17]。这种变化会导致结肠上皮细胞中质子的泄露，降低高蛋白小鼠结肠上皮细胞的能量利用率、肠黏膜髓过氧化物酶活性以及黏膜T细胞因子表达量[17]。此外高蛋白饮食会导致细菌来源的基因毒性代谢产物——对甲酚含量增多，进而引起结肠细胞中DNA损伤[18]。

在饲喂高蛋白饮食和低蛋白饮食的干预实验中，对粪便中几种代谢产物分析可推测出蛋白质发酵产物对结肠上皮细胞具有细胞毒性和基因毒性[19]。肠道菌群的氨基酸代谢产物——短链脂肪酸、硫化氢、对羟基甲苯以及氨会影响结肠上皮细胞的能量代谢效率和黏液素的分泌量，并影响肠黏膜的完整性。

2.2.1 高蛋白饮食对肠炎的影响

短链脂肪酸、硫化氢、吲哚化合物、5-羟色胺和组胺均为氨基酸源性细菌代谢产物，它们对刺激免疫应答和维持肠上皮屏障的完整性具有重要作用，这表明这些化合物对于肠黏膜的炎症反应具有重要作用[20]。Joweet等[21]的研究显示，肉食性饮食或高蛋白饮食会增加溃疡性结肠炎复发的风险，并增加肠炎性疾病的发病风险。

2.2.2 高蛋白饮食对结肠癌的影响

研究表明，膳食蛋白的数量和质量可影响肠道微生物对氨基酸的代谢，其代谢产物（对甲酚）具有一定细胞和基因毒性，进而诱导机体结肠癌变[22]。研究表明，西方饮食的膳食蛋白数量高且种类复杂，会增加患结肠癌的风险。最近的一项研究表明，机体消化食物来源或内源性蛋白质会释放L-半胱氨酸，而肠道菌群分解代谢L-半胱氨酸时会产生硫化氢，产生的硫化氢可以诱导肠道分泌的黏液素发生变性，增加血红素（细胞毒性和基因毒性物质）进入结肠上皮细胞的可能性[23]。

2.3 高蛋白饮食对肾功能的影响

硫酸吲哚酚和硫酸对甲酚会促进活性氧的生成，进而对肾脏具有一定的毒性作用[24]。有研究表明血液中对甲酚的含量是衡量慢性肾脏疾病（CKD）严重程度的一个重要指标[25]。研究发现，肠道微生物分解代谢对甲酚和吲哚时会产生硫酸对甲酚或葡萄糖甘酸及硫酸吲哚酸，而CKD患者血清中的硫酸对甲酚及硫酸吲哚酚的含量显著高于正常机体，进而推测出CKD会改变患者肠道微生物组成以及其对氮的利用能力[26]。此外，CKD患者体内尿素含量升高会引起尿素向肠腔扩散，而细菌中的尿素酶会将尿素分解产生过量的氨进而损害肠黏膜屏障的完整性，诱发肠炎的发生[27]。CKD患者一般伴有纤维摄入量低、食物在体内滞留时间长、蛋白质吸收能力弱等症状，而这些症状均有利于肠道微生物对蛋白质的发酵，导致细胞毒性物质过度积累，诱发肠炎性疾病[28]。

2.4 控制蛋白质发酵不利影响的策略

增加可发酵的碳水化合物的摄入量是控制蛋白质发酵所产生的不利影响的一种重要的营养策略[29]。干预试验结果表明食用抗性淀粉可以降低蛋白质发酵所产生的氨和酚类对身体的伤害[30]。素食者由于纤维摄入量高、蛋白摄入量低，所以体内硫酸对甲酚和硫酸吲哚酚的含量显著低于杂食者。在大鼠试验中表明，补充抗性淀粉可以降低微生物对高蛋白饮食发酵产生的过量的对甲酚对结肠细胞DNA的损伤[31]。补充抗性碳水化合物也可以通过减少微生物对氨基酸衍生物的合成减轻其对肾脏的损伤[32]。对于CKD患者，补充抗性碳水化合物可以明显降低微生物氨基酸发酵所产生的硫酸对甲酚等CKD标志性物质的含量[33]。

此外，食用特定的益生菌（如乳酸菌和双歧杆菌）也可以降低尿液中对甲酚的含量，但是对尿液中氨的含量无明显作用[34]。研究证明，对于CKD患者，益生菌可以减少肠源性内毒素的形成[35]。

研究指出，补充基本的营养元素（如游离氨基酸）或结合氨基酸有害发酵产物的物质（如利用锌结合硫化氢）也可以降低蛋白质发酵所产生的不利影响[36]。

3 结论与展望

膳食蛋白的代谢是宿主和肠道菌群代谢途径相互作用的结果。理论上说，肠道微生物来源的氨基酸代谢产物对宿主既有有利作用也有有害作用，但是其影响只在体外验证过。由于人们的饮食中蛋白来源（植物性蛋白和动物性蛋白）复杂，而不同蛋白的特性（氨基酸组成、消化率等）也各不相同，这些差异导致其对宿主的健康影响也各不相同。因此，有必要研究膳食蛋白与肠道宿主健康之间的相互作用以及肠道菌群氨基酸与宿主健康的作用，从而能更好的规划饮食。