【知识库】常见肠道菌群代谢产物和功能汇总 | 微生物专题

图1 肠道及肠道菌群对人体健康的作用

肠道菌群在人体肠道内进行着复杂活跃的代谢活动，不仅为自身提供了生长和繁殖所需的能量和营养，也产生了大量代谢产物进入到人体当中。前人通过对无菌动物和有菌动物的血液中的代谢物进行比较发现，上百种代谢物仅在有菌小鼠中被检测到。人体血液中有约36%的小分子物质是由微生物代谢产生或修饰的。肠道菌群的代谢底物主要来自于宿主不能或没有来得及消化的食物以及肠道上皮细胞分泌的内源性粘液，经过肠道菌群的作用后，产生许多对人体有害或有益的代谢产物如脂多糖、肽聚糖、三甲胺、次级胆汁酸、以及短链脂肪酸等。表1列出了常见的肠道菌群产生的代谢物及其功能。

表1 肠道菌群代谢物及其功能一览

“明星”肠道菌群代谢物及其功能

 

图2 心血管和心脏代谢疾病相关的肠道菌群和可能的分子通路

脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）

脂多糖是革兰氏阴性细菌（G-）细胞壁特有的成分，可以帮助细菌维持细菌结构并抵抗抗生素、补体系统和其他环境压力(Raetz and Whitfield, 2002)。脂多糖会在细菌死亡裂解后释放到肠道环境中，并进入到血液循环系统。当高浓度的脂多糖进入到血液当中，可通过扰乱宿主的免疫系统、补体系统和凝血系统等引起的一系列严重的病理生理反应如发热、凝血和休克等，称之为内毒素血症。

肽聚糖（Peptidoglycan）

肽聚糖存在于大多数细菌的细胞壁中，是由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与氨基酸短肽聚合而成的机械性很强的多层网状大分子结构，构成细菌细胞壁的基本骨架。肽聚糖成分在革兰氏阳性菌 (G )的细胞壁中可达50-80%, 而仅占到革兰氏阴性细菌(G-)细胞壁的5-20%，肽聚糖的厚薄和结构是区分革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的主要因素。肽聚糖结构保守，具有细菌特异的分子特征，因而在长期进化过程中成为宿主免疫识别的细菌特异信号，是动物免疫系统的免疫增强剂。肽聚糖能刺激单核噬菌细胞和内皮细胞释放免疫调控物质，例如TNF-α、白介素（Interleukin）和干扰素（Interferon）等。

三甲胺（Trimethylamine，TMA）和氧化三甲胺（Trimethylamine N-Oxide，TMAO）

食物中的胆碱、磷脂酰胆碱（卵磷脂）和左旋肉碱等物质可被肠道菌群代谢生成三甲胺，TMA被吸收入血后在肝脏中由黄素单加氧酶（Flavin containing monooxygenase 3，Fmo3）的氧化作用下，转化成氧化三甲胺。TMAO是动脉粥样硬化、血栓等心脑血管疾病发病的重要风险因子，心血管病人TMAO水平显著高于健康人，高TMAO水平也预示着未来的高疾病风险。

次级胆汁酸（Secondary bile acids）

胆汁酸（Bile acids）在机体脂质代谢中起着重要作用，其最主要的功能是通过使脂类乳化促进脂类的消化吸收，此外还可以维持胆汁中的胆固醇水平并防止胆固醇在胆汁中析出沉淀，包括初级胆汁酸（Primary bile acids）和次级胆汁酸两种形式。初级胆汁酸由胆固醇在肝脏中合成，通过胆管进入胆囊中存储浓缩，是胆汁的主要成分。进餐后，初级胆汁酸会随胆汁进入肠道，95%的次级胆汁酸都会在回肠中被重吸收并通过门静脉运回肝脏。5%左右的初级胆汁酸进入大肠在肠道细菌的作用下脱去羟基转化生成次级胆汁酸，包括脱氧胆酸和石胆酸，部分也会被重吸收进入肝脏。胆汁酸对肠道菌群的结构组成具有很大影响，胆汁酸可与细菌细胞膜上的磷脂结合起到破坏作用，可以抗细菌黏附并中和内毒素，高浓度的结合胆酸具有直接的抗菌作用。同时，肠道菌群在胆汁酸循环中也扮演着关键的角色。肠道中的细菌通过胆盐水解酶( Bile salthydrolase，BSH) 将初级胆汁酸中牛磺酸、甘氨酸、硫酸盐等的结合物解离，改变其化学性质，调节机体的脂质代谢。

短链脂肪酸（Short chain fatty acids，SCFAs）

短链脂肪酸，又称挥发性脂肪酸，是由肠道细菌发酵宿主无法代谢的食物，生成的碳链长度小于6的有机脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸和已酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占到总短链脂肪酸比例的95%以上。参与酵解的厌氧菌主要有双歧杆菌属、乳杆菌属、拟杆菌属和梭杆菌属的部分菌株，还不断有新的短链脂肪酸产生菌被发现。短链脂肪酸作为能源物质被肠道上皮细胞以及其他组织如肝脏等吸收利用，可为宿主提供每日所需的5-15%左右的能量。短链脂肪酸通过激活G蛋白偶联的细胞表面受体GPR41和GPR43调控肠道和宿主代谢。短链脂肪酸可以促进肠道中抑制食欲的相关激素如胰高血糖素样肽（GLP-1）和酪酪肽（PYY）的分泌，从而调节糖异生过程，增加饱腹感并抑制食欲。短链脂肪酸还可以起到一定的抗炎作用。短链脂肪酸可以通过酸化肠道环境抑制一些有害细菌的生长。基于短链脂肪酸对肠上皮细胞的营养作用和抗炎作用，短链脂肪酸对维护肠道紧密连接的完整性具有重要作用，保护了肠屏障功能。

参考文献

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4. W.H. Wilson Tang W.H.W., et al. 2017. Gut Microbiota in Cardiovascular Health and Disease. Circulation Research, 120:1183-1196.