腸道微生物與宿主膳食蛋白代謝的影響

■張璐璐 衛(wèi)旭彪 斯大勇 張日俊

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

不同的人對食物的攝取以及飲食的偏好性不同，所以人們對蛋白質(zhì)的消耗情況也各有不同[1]。研究證明高蛋白飲食方式可以增加飽腹感，改善脂質(zhì)代謝，進(jìn)而有助于減肥。盡管這種飲食方式有助于肥胖者減肥，但是對腎病患者是有害的[2]。

最近研究證明，影響蛋白質(zhì)代謝的主要因素除了宿主的生理狀態(tài)外，腸道微生物也具有重要的作用。由于腸道微生物可以利用宿主食物中的蛋白質(zhì)以及內(nèi)源性蛋白，甚至可以競爭性的利用宿主的蛋白質(zhì)，因此，宿主和腸道微生物的代謝關(guān)系是十分復(fù)雜的。腸道細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的氨基酸能影響宿主對蛋白質(zhì)或氨基酸的吸收（運(yùn)輸）和代謝，并能影響宿主細(xì)胞的生理狀態(tài)[3]。

本文綜述了不同飲食方式（如高脂和高蛋白）對宿主腸道微生物和它們在蛋白質(zhì)∕氨基酸代謝的影響，研究了宿主在不同生理和病理狀態(tài)下氨基酸代謝（尤其是腸道菌群的氨基酸代謝）與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系。

1 腸道菌群氨基酸代謝與宿主生理狀態(tài)的關(guān)系

宏基因組的迅速發(fā)展使我們對腸道微生物的氮代謝尤其是與氨基酸相關(guān)的代謝途徑有了更為詳細(xì)的研究[4]。研究顯示，腸道微生物有著豐富的與氨基酸代謝相關(guān)的基因，有較強(qiáng)的氨基酸代謝能力[4]。相較于人類基因組，腸道微生物含有大量與賴氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成相關(guān)的基因及途徑以補(bǔ)償機(jī)體對必需氨基酸的需求[5]。

宏基因組測序分析表明，代謝表型（如受試者的胖與瘦）和飲食方式（如高脂肪飲食、益生元攝入等）與哺乳動物腸道微生物的種類和功能有關(guān)。近期科學(xué)家研究了動物短期植食性飲食與肉食性飲食對機(jī)體腸道菌群及菌群相關(guān)代謝基因表達(dá)的影響，結(jié)果表明，肉食性飲食會導(dǎo)致動物機(jī)體中參與谷氨酸和谷氨酰胺分解的基因表達(dá)量增加，而植物性飲食會使動物機(jī)體參與氨基酸合成途徑的相關(guān)基因表達(dá)量增加[6]。David等[6]也發(fā)現(xiàn)動物性飼料會顯著提高蛋氨酸和亮氨酸的生物分解途徑基因表達(dá)量，而植物性日糧會提高組氨酸合成相關(guān)基因的表達(dá)量。

Turnbaugh等[7]對嚙齒動物的研究發(fā)現(xiàn)，與較瘦的小鼠相比，肥胖型小鼠盲腸微生物中參與賴氨酸生物合成途徑的相關(guān)基因顯著高于較瘦的小鼠，但是與谷氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、精氨酸和脯氨酸分解相關(guān)的基因表達(dá)量顯著低于較瘦的小鼠。此外，對雙胞胎糞便的研究發(fā)現(xiàn)，相較于雙胞胎中的瘦者，肥胖者的色氨酸代謝途徑相關(guān)基因表達(dá)量顯著低于瘦者[8]。

Zheng等[9]對抗生素處理期間以及處理后14 d的恢復(fù)期中宿主和腸道微生物代謝產(chǎn)物的研究發(fā)現(xiàn)，修復(fù)腸道微生物可以改變宿主對短鏈脂肪酸、色氨酸、酪氨酸以及褪黑素的代謝。

研究顯示，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)攝入量增加時(shí)，大腸中未被消化的蛋白質(zhì)積累量增加，同時(shí)細(xì)菌氨基酸分解代謝的底物也顯著增多[10]。Russell等[11]研究顯示，相較于正常飲食，高蛋白低等或中等碳水化合物飲食會使糞便中支鏈脂肪酸、苯乙酸和亞硝胺化合物數(shù)量增多。并且低碳水化合物高蛋白飲食，會使體內(nèi)丁酸和抗氧化酚的比例減少。研究證明，糞便代謝譜的這些變化與動物體內(nèi)丁酸菌、假丁酸弧菌∕真桿菌的比例的變化有關(guān)[11]。也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們攝入肉類食物時(shí)，其糞便中硫化氫、甲酚和苯酚濃度顯著升高，此外尿液中吲哚葡糖苷酸、谷氨酸和喹啉酸含量升高，由于這幾種物質(zhì)僅能由腸道微生物產(chǎn)生，因此表明高蛋白飲食能改變動物腸道菌群進(jìn)而改變動物體內(nèi)的氨基酸代謝[12]。與此同時(shí)，小鼠的研究模型表明高蛋白飲食可以改變其結(jié)腸中腸道菌群的組成及其多樣性，進(jìn)而改變結(jié)腸中短鏈脂肪酸、硫化氫、支鏈脂肪酸、乙醇和幾種有機(jī)酸的濃度[13]。

2 蛋白質(zhì)攝入水平對健康的影響

如上所述，高蛋白日糧對宿主的代謝和生理具有顯著影響，且這種影響可能與氨基酸的代謝產(chǎn)物有關(guān)。研究顯示，高蛋白攝入對人和動物健康有一定的影響，且這種影響機(jī)制可能與腸道菌群的代謝產(chǎn)物有關(guān)。

2.1 高蛋白飲食會引起飽腹感

臨床試驗(yàn)分析表明，相較于標(biāo)準(zhǔn)蛋白飲食，高蛋白飲食會使去脂體重保持不變的情況下適度降低機(jī)體體重、血壓、脂肪含量以及甘油三酯含量，這主要由于膳食蛋白可以增加機(jī)體的飽腹感[14-15]。在人體中，高蛋白飲食通過增加血漿中的YY肽的水平進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體的飽腹感，盡管這些作用的機(jī)制尚不清楚，但是腸道微生物以氨基酸為前體物質(zhì)合成的化合物——短鏈脂肪酸、吲哚和酪胺，是高蛋白飲食影響內(nèi)分泌細(xì)胞分泌與產(chǎn)生飽腹感相關(guān)激素的中介者[16]。

2.2 高蛋白飲食對腸黏膜的影響

對大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，相較于對照組（飼喂等熱量的標(biāo)準(zhǔn)蛋白∕高糖飲食的小鼠組），飼喂高蛋白飲食的小鼠會顯著降低小腸絨毛的高度[17]。這種變化會導(dǎo)致結(jié)腸上皮細(xì)胞中質(zhì)子的泄露，降低高蛋白小鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞的能量利用率、腸黏膜髓過氧化物酶活性以及黏膜T細(xì)胞因子表達(dá)量[17]。此外高蛋白飲食會導(dǎo)致細(xì)菌來源的基因毒性代謝產(chǎn)物——對甲酚含量增多，進(jìn)而引起結(jié)腸細(xì)胞中DNA損傷[18]。

在飼喂高蛋白飲食和低蛋白飲食的干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，對糞便中幾種代謝產(chǎn)物分析可推測出蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物對結(jié)腸上皮細(xì)胞具有細(xì)胞毒性和基因毒性[19]。腸道菌群的氨基酸代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸、硫化氫、對羥基甲苯以及氨會影響結(jié)腸上皮細(xì)胞的能量代謝效率和黏液素的分泌量，并影響腸黏膜的完整性。

2.2.1 高蛋白飲食對腸炎的影響

短鏈脂肪酸、硫化氫、吲哚化合物、5-羥色胺和組胺均為氨基酸源性細(xì)菌代謝產(chǎn)物，它們對刺激免疫應(yīng)答和維持腸上皮屏障的完整性具有重要作用，這表明這些化合物對于腸黏膜的炎癥反應(yīng)具有重要作用[20]。Joweet等[21]的研究顯示，肉食性飲食或高蛋白飲食會增加潰瘍性結(jié)腸炎復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，并增加腸炎性疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 高蛋白飲食對結(jié)腸癌的影響

研究表明，膳食蛋白的數(shù)量和質(zhì)量可影響腸道微生物對氨基酸的代謝，其代謝產(chǎn)物（對甲酚）具有一定細(xì)胞和基因毒性，進(jìn)而誘導(dǎo)機(jī)體結(jié)腸癌變[22]。研究表明，西方飲食的膳食蛋白數(shù)量高且種類復(fù)雜，會增加患結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)。最近的一項(xiàng)研究表明，機(jī)體消化食物來源或內(nèi)源性蛋白質(zhì)會釋放L-半胱氨酸，而腸道菌群分解代謝L-半胱氨酸時(shí)會產(chǎn)生硫化氫，產(chǎn)生的硫化氫可以誘導(dǎo)腸道分泌的黏液素發(fā)生變性，增加血紅素（細(xì)胞毒性和基因毒性物質(zhì)）進(jìn)入結(jié)腸上皮細(xì)胞的可能性[23]。

2.3 高蛋白飲食對腎功能的影響

硫酸吲哚酚和硫酸對甲酚會促進(jìn)活性氧的生成，進(jìn)而對腎臟具有一定的毒性作用[24]。有研究表明血液中對甲酚的含量是衡量慢性腎臟疾?。–KD）嚴(yán)重程度的一個(gè)重要指標(biāo)[25]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物分解代謝對甲酚和吲哚時(shí)會產(chǎn)生硫酸對甲酚或葡萄糖甘酸及硫酸吲哚酸，而CKD患者血清中的硫酸對甲酚及硫酸吲哚酚的含量顯著高于正常機(jī)體，進(jìn)而推測出CKD會改變患者腸道微生物組成以及其對氮的利用能力[26]。此外，CKD患者體內(nèi)尿素含量升高會引起尿素向腸腔擴(kuò)散，而細(xì)菌中的尿素酶會將尿素分解產(chǎn)生過量的氨進(jìn)而損害腸黏膜屏障的完整性，誘發(fā)腸炎的發(fā)生[27]。CKD患者一般伴有纖維攝入量低、食物在體內(nèi)滯留時(shí)間長、蛋白質(zhì)吸收能力弱等癥狀，而這些癥狀均有利于腸道微生物對蛋白質(zhì)的發(fā)酵，導(dǎo)致細(xì)胞毒性物質(zhì)過度積累，誘發(fā)腸炎性疾病[28]。

2.4 控制蛋白質(zhì)發(fā)酵不利影響的策略

增加可發(fā)酵的碳水化合物的攝入量是控制蛋白質(zhì)發(fā)酵所產(chǎn)生的不利影響的一種重要的營養(yǎng)策略[29]。干預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明食用抗性淀粉可以降低蛋白質(zhì)發(fā)酵所產(chǎn)生的氨和酚類對身體的傷害[30]。素食者由于纖維攝入量高、蛋白攝入量低，所以體內(nèi)硫酸對甲酚和硫酸吲哚酚的含量顯著低于雜食者。在大鼠試驗(yàn)中表明，補(bǔ)充抗性淀粉可以降低微生物對高蛋白飲食發(fā)酵產(chǎn)生的過量的對甲酚對結(jié)腸細(xì)胞DNA的損傷[31]。補(bǔ)充抗性碳水化合物也可以通過減少微生物對氨基酸衍生物的合成減輕其對腎臟的損傷[32]。對于CKD患者，補(bǔ)充抗性碳水化合物可以明顯降低微生物氨基酸發(fā)酵所產(chǎn)生的硫酸對甲酚等CKD標(biāo)志性物質(zhì)的含量[33]。

此外，食用特定的益生菌（如乳酸菌和雙歧桿菌）也可以降低尿液中對甲酚的含量，但是對尿液中氨的含量無明顯作用[34]。研究證明，對于CKD患者，益生菌可以減少腸源性內(nèi)毒素的形成[35]。

研究指出，補(bǔ)充基本的營養(yǎng)元素（如游離氨基酸）或結(jié)合氨基酸有害發(fā)酵產(chǎn)物的物質(zhì)（如利用鋅結(jié)合硫化氫）也可以降低蛋白質(zhì)發(fā)酵所產(chǎn)生的不利影響[36]。

3 結(jié)論與展望

膳食蛋白的代謝是宿主和腸道菌群代謝途徑相互作用的結(jié)果。理論上說，腸道微生物來源的氨基酸代謝產(chǎn)物對宿主既有有利作用也有有害作用，但是其影響只在體外驗(yàn)證過。由于人們的飲食中蛋白來源（植物性蛋白和動物性蛋白）復(fù)雜，而不同蛋白的特性（氨基酸組成、消化率等）也各不相同，這些差異導(dǎo)致其對宿主的健康影響也各不相同。因此，有必要研究膳食蛋白與腸道宿主健康之間的相互作用以及腸道菌群氨基酸與宿主健康的作用，從而能更好的規(guī)劃飲食。