單胃動物腸道細菌對氨基酸的代謝作用

張璐璐，衛(wèi)旭彪，李仲玄，胡慶勇，斯大勇，張日俊

（中國農業(yè)大學動物科學技術學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

蛋白質及其組成單位—氨基酸是生命過程的重要物質（細胞）、體內代謝活性物質（激素、酶、免疫抗體）的主要成分，是組織更新、修補的原料。單胃動物小腸對日糧蛋白質的消化以及氨基酸和多肽類物質的吸收是一個高效過程[1]，但仍有部分日糧氨基酸尤其是必需氨基酸不能被機體吸收利用，從而可能導致一定程度的氨基酸缺乏癥狀。氨基酸缺乏癥狀在氨基酸缺乏型日糧中表現的更加明顯，而動物腸道中（尤其是小腸）細菌的發(fā)酵作用可以有效緩解這種狀況[2]。單胃動物腸道中定植著大量的微生物，其中細菌的數量可達宿主機體細胞總數的10倍左右[3]。單胃動物腸道細菌可以發(fā)酵日糧中的含氮化合物，形成的氨可進入宿主機體再循環(huán)，被腸道微生物利用合成氨基酸，最終被宿主吸收利用。在日糧氨基酸缺乏的情況下，腸道微生物對宿主的氮素轉化和氨基酸循環(huán)利用更為有益[4]。因此，有必要深入了解腸道微生物合成氨基酸的生物途徑以及宿主動物對腸道微生物合成氨基酸的吸收和利用。

1 單胃動物腸道細菌氨基酸代謝的研究現狀

鑒于氨基酸對于單胃動物的重要作用，很多科學家開展了腸道微生物合成氨基酸的研究[5-6]。目前，關于細菌對于氨基酸代謝的研究主要集中在少數幾種細菌，如大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌以及枯草芽孢桿菌、谷氨酸棒狀桿菌等，因此當前發(fā)現的許多合成途徑及調控機制也主要局限在上述幾種菌種。雖然同種氨基酸的代謝途徑在許多單胃動物腸道細菌細胞內是保守的，但是在不同的菌種和菌株中仍然表現出一定的差異性。全基因分析顯示，常見的腸道細菌產氣莢膜梭菌缺乏谷氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、甲硫氨酸、絲氨酸、蘇氨酸及芳香族氨基酸等多種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，其他一些單胃動物腸道細菌，包括空腸彎曲桿菌、幽門螺桿菌和糞腸球菌也喪失了某些氨基酸的生物合成途徑，表明其依賴外源多肽/氨基酸[9]。目前，有關單胃動物腸道微生物氨基酸代謝途徑和調控機制的研究還停留在比較初級的階段，值得進一步深入和完善。

2 腸道細菌對不同氨基酸的生物合成

由于氨基酸從頭合成成本較高，所以腸道微生物合成氨基酸的碳骨架均來源于常見的代謝過程（如三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖途徑和糖酵解途徑）的中間體。根據氨基酸合成的初始產物及涉及的酶不同，可將其劃分為谷氨酸家族、絲氨酸家族、天冬氨酸家族、丙酮酸家族和芳香族氨基酸家族，以及幾種特殊途徑的氨基酸家族[4]。

2.1 谷氨酸家族（谷氨酸、谷氨酰胺） 谷氨酸和谷氨酰胺作為氨基酸合成過程中關鍵的氨基供體，是氨進入細菌代謝的主要切入點。對于一些將氨作為唯一氮源的腸道菌群（如擬桿菌屬），谷氨酸和谷氨酰胺的生物合成途徑十分重要[10]。此外，作為碳、氮聯系的關鍵點，谷氨酸是細菌代謝過程中的一個十分重要的中心代謝產物。

腸道菌群合成谷氨酸的途徑主要有2種：谷氨酸脫氫酶（GDH）途徑和谷氨酰胺轉移酶（GOGAT）途徑[7]。在腸道菌群中，優(yōu)先使用哪種途徑取決于細菌細胞內的能量狀態(tài)和氨濃度：當細胞內能量和碳源有限，但氨態(tài)氮、磷過量時，細菌優(yōu)先使用GDH合成途徑合成谷氨酸；當細胞內能量過量時則優(yōu)先使用GOGAT途徑[11]。

2.2 絲氨酸家族（絲氨酸、甘氨酸、半胱氨酸） 絲氨酸是細菌中多種氨基酸（甘氨酸、半胱氨酸、色氨酸）的重要代謝產物和前體，也是鞘脂、葉酸、甲烷和丙酮酸等的代謝前體，絲氨酸還參與嘌呤和嘧啶的生物合成[12]。此外，L-絲氨酸還在維持肝臟血糖濃度穩(wěn)定方面起著關鍵作用[13]。

在細菌細胞內，絲氨酸是以糖酵解的中間產物3-磷酸甘油酸為起始物質通過3步反應合成。甘氨酸是絲氨酸通過絲氨酸羧甲基轉移酶合成。絲氨酸羧甲基轉移酶還可以催化絲氨酸和四氫葉酸轉化為甘氨酸和5，10-亞甲基四氫葉酸（嘌呤、胸腺嘧啶、膽堿、蛋氨酸和谷胱甘肽合成的關鍵性中間產物）[14]。

在大腸桿菌和枯草芽孢桿菌中，半胱氨酸的合成是一個兩步反應，這個反應主要包括2個底物——輔酶A和硫化氫[15]。由于雙歧桿菌中缺乏半胱氨酸合成過程中最后一步的基因，其可能利用其他腸道菌產生的琥珀酰絲氨酸和含硫化合物硫化氫或甲硫醇等作為替代物完成這一過程[16]。一些雙歧桿菌呈現出嚴重的半胱氨酸合成困難癥狀，所以只能依賴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、賴氨酸）天冬氨酸是許多氨基酸合成的重要前體，它是通過天冬氨酸轉氨酶將谷氨酸的氨基轉移至草酰乙酸而成。天冬酰胺是由細菌中2種不同的天冬酰胺合成酶合成，其中一種酶利用氨合成天冬酰胺，而另一種則利用谷氨酰胺至天冬氨酸的轉氨作用合成[18]。但有研究表明，腸道細菌中可能還存在著其他類型的天冬酰胺合成途徑，如長雙歧桿菌雖然缺乏以上2種天冬酰胺合成酶，但仍能合成天冬酰胺[16]，但其合成途徑有待于進一步探究。

細菌中賴氨酸的合成途徑主要有2種：二氨基庚二酰（DAP）途徑和氨基己二酸（AAA）途徑。大多數細菌和一些古生菌賴氨酸的合成途徑為DAP途徑，該途徑利用天冬氨酸、丙酮酸為起始原料，以內旋-2，6-二氨基庚二酸為中間原料合成賴氨酸[19]。在大腸桿菌中，DAP途徑的第一步采用3種不同的天冬氨酸激酶同工酶（ThrA、MetL和LysC），它們涉及3條不同的生化途徑，并分別受到賴氨酸、甲硫氨酸和蘇氨酸的調控[20]。迄今為止的所有研究均表明，沒有任何一種生物體同時具備DAP途徑和AAA途徑[20]。

2.4 丙酮酸家族（纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸） 支鏈氨基酸（纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸）的生物合成途徑相似，均來源于丙酮酸代謝的中間體。在不同的菌群中，纈氨酸合成途徑中所涉及的酶基本相同，合成途徑也極為相似。在大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌中，在此過程中涉及的3種不同的乙酰乳酸合酶均是由1個大亞基和1個小亞基組成，分別是由ilvⅠH、ilvBN和ilvGN編碼調控[21]。而異亮氨酸的生物合成是從蘇氨酸脫氫酶將蘇氨酸轉化為2-乙酰乙酸開始，接下來的合成途徑與纈氨酸合成途徑所涉及的酶相同[5]。亮氨酸的生物合成則是利用纈氨酸途徑中的中間體2-氧代異戊酸作為初始物質進行[22]。研究證明，脆弱擬桿菌和普氏菌的亮氨酸合成是通過短鏈脂肪酸異戊酸鹽羧化而成[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隨在莽草酸途徑后，在3-脫氧-D-阿拉伯庚糖酸7-磷酸（DAHP）酶的作用下，從糖酵解中的磷酸烯醇式丙酮酸和磷酸戊糖途徑中的中間產物4-磷酸-赤鮮糖的縮合開始[5]。在大腸桿菌中，縮合過程中涉及3種不同的同工酶（AroF、AroG、AroH），這3種酶均受其終產物酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸的負反饋調節(jié)[5]。在細菌中合成不同芳香族氨基酸的途徑不同，但是這些途徑有一定的共性，如苯丙氨酸和酪氨酸的第一步反應均是通過分支酸變位酶將分支酸轉化為預苯酸。芳香族氨基酸轉氨酶可以催化預苯酸，并進一步通過預苯酸脫水酶或預苯酸/環(huán)己二烯脫氫酶轉化為苯丙氨酸或酪氨酸[6]。研究證明，細菌合成苯丙氨酸通常是利用乙酸作為合成的前體物質而不是從頭合成[16]。

色氨酸的生物合成需要5步反應，其中起始氨基供體為谷氨酸或氨，而在最后一步反應過程中色氨酸合成酶的氨基供體為絲氨酸。研究證明，雖然不同細菌中色氨酸合成所涉及的分離和融合酶不同，但是其色氨酸合成途徑還是相對比較保守[16]。

2.6 組氨酸 組氨酸的生物合成是一個由8個不同基因編碼的復雜的酶促反應，其中3個基因（HisD、HisB、HisL）編碼雙功能酶。全基因組研究證明，腸道菌群（如乳酸球菌）中含有組氨酸合成所需的全部基因，而不同菌群的組氨酸生物合成途徑差異很大[23]。

3 宿主對腸道細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謝穩(wěn)衡方面起著舉足輕重的作用。近年來，為了更加準確、高效研究腸道微生物對宿主動物氨基酸代謝的作用，科學家開始嘗試利用非特定15N（如尿素、NH4Cl等形式）標記微生物氨基酸?；?5N標記技術，Metges等[24-25]對成年人研究發(fā)現，腸道微生物來源的氨基酸（賴氨酸、組氨酸、組氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸）對宿主血漿氨基酸池有顯著的貢獻作用，其中，微生物合成賴氨酸和蘇氨酸對宿主的貢獻率分別達到21%和17%。在豬模型上的研究發(fā)現，腸道菌群對宿主機體氨基酸穩(wěn)衡有明顯促進作用[26-29]。 通過估算，平均每天每頭豬生成的纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸分別有1.8、0.8、2.0、0.3、0.9 g來自于腸道微生物合成[26]。另外，在仔豬、大白鼠等動物上的類似研究顯示，宿主循環(huán)血漿和胴體蛋白中的賴氨酸有1%～20%來自腸道微生物[27-29]。

腸道微生物合成的氨基酸可以被不同的腸段吸收，主要在小腸被吸收。Torrallardona等[26]發(fā)現，小腸可以吸收至少75%以上的總微生物賴氨酸，而且宿主新合成氨基酸中示蹤元素14C:15N的比例與回腸段微生物氨基酸的基本相同，這表明回腸可能是吸收微生物氨基酸的核心部位。另外，也有研究表明，當用15N標記豬大腸微生物氨基酸，可以在宿主機體盲腸和結腸處檢測到15N標記的賴氨酸和其他氨基酸[30]。這說明單胃動物大腸也具有一定的攝取微生物氨基酸的功能，但這部分吸收的氨基酸對機體的營養(yǎng)作用尚不明確。關于腸道微生物合成氨基酸后與宿主之間的信息和物質傳導的詳細分子機制目前還沒有完全解析，有待進一步深入研究。

4 展 望

單胃動物日糧蛋白質代謝是宿主消化吸收和腸道細菌發(fā)酵共同作用的結果。然而，腸道菌群對宿主蛋白代謝尤其是氨基酸合成作用的貢獻仍然不是很明確。一直以來，對單胃動物腸道菌群氨基酸生物合成作用的研究主要集中在大腸桿菌和沙門氏菌，而對其他細菌的研究很少，并且這些細菌大多僅被單獨測試（非生理條件下測試）。本文對目前的研究結果進行了綜述，但鑒于單胃動物日糧蛋白質組成（不同的氨基酸種類及比例）和來源（不同的動物和植物）的復雜性，腸道微生物對氨基酸代謝方面的貢獻還有待進一步挖掘，這將有助于更好地理解微生物與宿主代謝和生理機能之間的聯系，從而更加科學地規(guī)劃動物飲食。