单胃动物肠道细菌对氨基酸的代谢作用

张璐璐，卫旭彪，李仲玄，胡庆勇，斯大勇，张日俊

（中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

蛋白质及其组成单位—氨基酸是生命过程的重要物质（细胞）、体内代谢活性物质（激素、酶、免疫抗体）的主要成分，是组织更新、修补的原料。单胃动物小肠对日粮蛋白质的消化以及氨基酸和多肽类物质的吸收是一个高效过程[1]，但仍有部分日粮氨基酸尤其是必需氨基酸不能被机体吸收利用，从而可能导致一定程度的氨基酸缺乏症状。氨基酸缺乏症状在氨基酸缺乏型日粮中表现的更加明显，而动物肠道中（尤其是小肠）细菌的发酵作用可以有效缓解这种状况[2]。单胃动物肠道中定植着大量的微生物，其中细菌的数量可达宿主机体细胞总数的10倍左右[3]。单胃动物肠道细菌可以发酵日粮中的含氮化合物，形成的氨可进入宿主机体再循环，被肠道微生物利用合成氨基酸，最终被宿主吸收利用。在日粮氨基酸缺乏的情况下，肠道微生物对宿主的氮素转化和氨基酸循环利用更为有益[4]。因此，有必要深入了解肠道微生物合成氨基酸的生物途径以及宿主动物对肠道微生物合成氨基酸的吸收和利用。

1 单胃动物肠道细菌氨基酸代谢的研究现状

鉴于氨基酸对于单胃动物的重要作用，很多科学家开展了肠道微生物合成氨基酸的研究[5-6]。目前，关于细菌对于氨基酸代谢的研究主要集中在少数几种细菌，如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌以及枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌等，因此当前发现的许多合成途径及调控机制也主要局限在上述几种菌种。虽然同种氨基酸的代谢途径在许多单胃动物肠道细菌细胞内是保守的，但是在不同的菌种和菌株中仍然表现出一定的差异性。全基因分析显示，常见的肠道细菌产气荚膜梭菌缺乏谷氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、丝氨酸、苏氨酸及芳香族氨基酸等多种氨基酸的生物合成基因[7]，而其他梭菌（如丙酮丁醇菌）具有完整的氨基酸生物合成基因[8]。此外，其他一些单胃动物肠道细菌，包括空肠弯曲杆菌、幽门螺杆菌和粪肠球菌也丧失了某些氨基酸的生物合成途径，表明其依赖外源多肽/氨基酸[9]。目前，有关单胃动物肠道微生物氨基酸代谢途径和调控机制的研究还停留在比较初级的阶段，值得进一步深入和完善。

2 肠道细菌对不同氨基酸的生物合成

由于氨基酸从头合成成本较高，所以肠道微生物合成氨基酸的碳骨架均来源于常见的代谢过程（如三羧酸循环、磷酸戊糖途径和糖酵解途径）的中间体。根据氨基酸合成的初始产物及涉及的酶不同，可将其划分为谷氨酸家族、丝氨酸家族、天冬氨酸家族、丙酮酸家族和芳香族氨基酸家族，以及几种特殊途径的氨基酸家族[4]。

2.1 谷氨酸家族（谷氨酸、谷氨酰胺） 谷氨酸和谷氨酰胺作为氨基酸合成过程中关键的氨基供体，是氨进入细菌代谢的主要切入点。对于一些将氨作为唯一氮源的肠道菌群（如拟杆菌属），谷氨酸和谷氨酰胺的生物合成途径十分重要[10]。此外，作为碳、氮联系的关键点，谷氨酸是细菌代谢过程中的一个十分重要的中心代谢产物。

肠道菌群合成谷氨酸的途径主要有2种：谷氨酸脱氢酶（GDH）途径和谷氨酰胺转移酶（GOGAT）途径[7]。在肠道菌群中，优先使用哪种途径取决于细菌细胞内的能量状态和氨浓度：当细胞内能量和碳源有限，但氨态氮、磷过量时，细菌优先使用GDH合成途径合成谷氨酸；当细胞内能量过量时则优先使用GOGAT途径[11]。

2.2 丝氨酸家族（丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸） 丝氨酸是细菌中多种氨基酸（甘氨酸、半胱氨酸、色氨酸）的重要代谢产物和前体，也是鞘脂、叶酸、甲烷和丙酮酸等的代谢前体，丝氨酸还参与嘌呤和嘧啶的生物合成[12]。此外，L-丝氨酸还在维持肝脏血糖浓度稳定方面起着关键作用[13]。

在细菌细胞内，丝氨酸是以糖酵解的中间产物3-磷酸甘油酸为起始物质通过3步反应合成。甘氨酸是丝氨酸通过丝氨酸羧甲基转移酶合成。丝氨酸羧甲基转移酶还可以催化丝氨酸和四氢叶酸转化为甘氨酸和5，10-亚甲基四氢叶酸（嘌呤、胸腺嘧啶、胆碱、蛋氨酸和谷胱甘肽合成的关键性中间产物）[14]。

在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中，半胱氨酸的合成是一个两步反应，这个反应主要包括2个底物——辅酶A和硫化氢[15]。由于双歧杆菌中缺乏半胱氨酸合成过程中最后一步的基因，其可能利用其他肠道菌产生的琥珀酰丝氨酸和含硫化合物硫化氢或甲硫醇等作为替代物完成这一过程[16]。一些双歧杆菌呈现出严重的半胱氨酸合成困难症状，所以只能依赖于外源性的半胱氨酸[17]。

2.3 天冬氨酸家族（天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸）天冬氨酸是许多氨基酸合成的重要前体，它是通过天冬氨酸转氨酶将谷氨酸的氨基转移至草酰乙酸而成。天冬酰胺是由细菌中2种不同的天冬酰胺合成酶合成，其中一种酶利用氨合成天冬酰胺，而另一种则利用谷氨酰胺至天冬氨酸的转氨作用合成[18]。但有研究表明，肠道细菌中可能还存在着其他类型的天冬酰胺合成途径，如长双歧杆菌虽然缺乏以上2种天冬酰胺合成酶，但仍能合成天冬酰胺[16]，但其合成途径有待于进一步探究。

细菌中赖氨酸的合成途径主要有2种：二氨基庚二酰（DAP）途径和氨基己二酸（AAA）途径。大多数细菌和一些古生菌赖氨酸的合成途径为DAP途径，该途径利用天冬氨酸、丙酮酸为起始原料，以内旋-2，6-二氨基庚二酸为中间原料合成赖氨酸[19]。在大肠杆菌中，DAP途径的第一步采用3种不同的天冬氨酸激酶同工酶（ThrA、MetL和LysC），它们涉及3条不同的生化途径，并分别受到赖氨酸、甲硫氨酸和苏氨酸的调控[20]。迄今为止的所有研究均表明，没有任何一种生物体同时具备DAP途径和AAA途径[20]。

2.4 丙酮酸家族（缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸） 支链氨基酸（缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸）的生物合成途径相似，均来源于丙酮酸代谢的中间体。在不同的菌群中，缬氨酸合成途径中所涉及的酶基本相同，合成途径也极为相似。在大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌中，在此过程中涉及的3种不同的乙酰乳酸合酶均是由1个大亚基和1个小亚基组成，分别是由ilvⅠH、ilvBN和ilvGN编码调控[21]。而异亮氨酸的生物合成是从苏氨酸脱氢酶将苏氨酸转化为2-乙酰乙酸开始，接下来的合成途径与缬氨酸合成途径所涉及的酶相同[5]。亮氨酸的生物合成则是利用缬氨酸途径中的中间体2-氧代异戊酸作为初始物质进行[22]。研究证明，脆弱拟杆菌和普氏菌的亮氨酸合成是通过短链脂肪酸异戊酸盐羧化而成[22]。

2.5 芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸） 芳香族氨基酸的生物合成通常是跟随在莽草酸途径后，在3-脱氧-D-阿拉伯庚糖酸7-磷酸（DAHP）酶的作用下，从糖酵解中的磷酸烯醇式丙酮酸和磷酸戊糖途径中的中间产物4-磷酸-赤鲜糖的缩合开始[5]。在大肠杆菌中，缩合过程中涉及3种不同的同工酶（AroF、AroG、AroH），这3种酶均受其终产物酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸的负反馈调节[5]。在细菌中合成不同芳香族氨基酸的途径不同，但是这些途径有一定的共性，如苯丙氨酸和酪氨酸的第一步反应均是通过分支酸变位酶将分支酸转化为预苯酸。芳香族氨基酸转氨酶可以催化预苯酸，并进一步通过预苯酸脱水酶或预苯酸/环己二烯脱氢酶转化为苯丙氨酸或酪氨酸[6]。研究证明，细菌合成苯丙氨酸通常是利用乙酸作为合成的前体物质而不是从头合成[16]。

色氨酸的生物合成需要5步反应，其中起始氨基供体为谷氨酸或氨，而在最后一步反应过程中色氨酸合成酶的氨基供体为丝氨酸。研究证明，虽然不同细菌中色氨酸合成所涉及的分离和融合酶不同，但是其色氨酸合成途径还是相对比较保守[16]。

2.6 组氨酸 组氨酸的生物合成是一个由8个不同基因编码的复杂的酶促反应，其中3个基因（HisD、HisB、HisL）编码双功能酶。全基因组研究证明，肠道菌群（如乳酸球菌）中含有组氨酸合成所需的全部基因，而不同菌群的组氨酸生物合成途径差异很大[23]。

3 宿主对肠道细菌合成氨基酸的吸收和利用

大量研究表明，消化道微生物氨基酸在宿主的氨基酸代谢稳衡方面起着举足轻重的作用。近年来，为了更加准确、高效研究肠道微生物对宿主动物氨基酸代谢的作用，科学家开始尝试利用非特定15N（如尿素、NH4Cl等形式）标记微生物氨基酸。基于15N标记技术，Metges等[24-25]对成年人研究发现，肠道微生物来源的氨基酸（赖氨酸、组氨酸、组氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸）对宿主血浆氨基酸池有显著的贡献作用，其中，微生物合成赖氨酸和苏氨酸对宿主的贡献率分别达到21%和17%。在猪模型上的研究发现，肠道菌群对宿主机体氨基酸稳衡有明显促进作用[26-29]。 通过估算，平均每天每头猪生成的缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸分别有1.8、0.8、2.0、0.3、0.9 g来自于肠道微生物合成[26]。另外，在仔猪、大白鼠等动物上的类似研究显示，宿主循环血浆和胴体蛋白中的赖氨酸有1%～20%来自肠道微生物[27-29]。

肠道微生物合成的氨基酸可以被不同的肠段吸收，主要在小肠被吸收。Torrallardona等[26]发现，小肠可以吸收至少75%以上的总微生物赖氨酸，而且宿主新合成氨基酸中示踪元素14C:15N的比例与回肠段微生物氨基酸的基本相同，这表明回肠可能是吸收微生物氨基酸的核心部位。另外，也有研究表明，当用15N标记猪大肠微生物氨基酸，可以在宿主机体盲肠和结肠处检测到15N标记的赖氨酸和其他氨基酸[30]。这说明单胃动物大肠也具有一定的摄取微生物氨基酸的功能，但这部分吸收的氨基酸对机体的营养作用尚不明确。关于肠道微生物合成氨基酸后与宿主之间的信息和物质传导的详细分子机制目前还没有完全解析，有待进一步深入研究。

4 展 望

单胃动物日粮蛋白质代谢是宿主消化吸收和肠道细菌发酵共同作用的结果。然而，肠道菌群对宿主蛋白代谢尤其是氨基酸合成作用的贡献仍然不是很明确。一直以来，对单胃动物肠道菌群氨基酸生物合成作用的研究主要集中在大肠杆菌和沙门氏菌，而对其他细菌的研究很少，并且这些细菌大多仅被单独测试（非生理条件下测试）。本文对目前的研究结果进行了综述，但鉴于单胃动物日粮蛋白质组成（不同的氨基酸种类及比例）和来源（不同的动物和植物）的复杂性，肠道微生物对氨基酸代谢方面的贡献还有待进一步挖掘，这将有助于更好地理解微生物与宿主代谢和生理机能之间的联系，从而更加科学地规划动物饮食。