短链脂肪酸与肠道菌群

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维普资讯http://www.cqvip.com第24卷第1期江西科学Vo1．24No．12006年2月JIANGXISCIENCEFeb．2006文章编号：1001—3679(2006)O1—0038—04短链脂肪酸与肠道菌群陈燕，曹郁生，刘晓华(南昌大学中德联合研究院，江西南昌330047)摘要：根据近年来国外有关研究进展。综述了肠道短链脂肪酸(SCFAs)的产生、代谢及其重要生理功能。介绍了肠道茵群在SCFA产生代谢中的重要作用。关键词：短链脂肪酸；肠道茵群；生理功能中图分类号：Q547；Q939．121文献标识码：AShortChainFattyAcidsandIntestinalMicrofloraCHENYah，CAOYu—sheng，LIUXiao—hua(Sino—GermenJointResearchInstitute，NanchangUniversity，JiangxiNanehang330047PRC)Abstract：Theproduction，metabolismandimportantphysiologicalfunctionofintestinalmicroflorashortchainfattyacidswerereviewedinthispaper．Intestinalmicrofloraplayanimportantroleintheproductionandmetabolismofshortchainfattyacids．Keywords：Sh0rtchainfattyacids，Intestinalmicroflora，Physiologicalfunction短链脂肪酸(shortchainfattyacids，SCFA)，一些细菌的营养物质，由此产生的食物链交叉连也称作挥发性脂肪酸(volatilefattyacids，VFA)，接，互相影响，构成了肠道中蓬勃不息的代谢活是人结肠细菌发酵的主要产物。主要包括乙酸、动。丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸和已酸。结肠是SCFA主要产生的部位，右结肠和盲其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高，乙酸约为40一肠中SCFA的含量较高，这是因为结肠细菌首先100mmol，丙酸为l5—40mmol，丁酸为l0—30在此同小肠来的碳水化合物接触，发酵活性最强。mmol／kg内容物，是肠道中主要的SCFA。SCFA虽然左右结肠的SCFA浓度不同，但乙酸：丙酸：主要来自大肠内碳水化合物发酵和蛋白质降解，丁酸的比率相同。Weaver等研究了35个健康人肠道菌群通过产生SCFA，对人体多个器官和代谢结肠的内容物，发现乙酸：丙酸：丁酸的比率为产生较大的影响。6O．7：15．8：17．3。大肠中的细菌几乎都能都能分解糖类，并从1肠道SCFA的产生降解碳水化合物中获取能量和碳源，见表1。人和动物消化道中栖息着庞杂的菌群，除了进入结肠的碳水化合物，有些是尚未消化吸维持自己的代谢，它们也在人和动物的营养物质收的食物残渣，有些是粘蛋白及宿主的分泌物，其代谢中起着重要的作用。食物进入肠道后，各类数量和类型主要取决于食物被消化吸收的程度，细菌都参与了这一代谢过程。一些细菌参与复杂这些物质都可被微生物发酵。由于细菌连续的代大分子物质的降解，它们的代谢产物可能又是另谢活动，结肠内的氧化还原电位很低，只有极微量收稿日期：2005—06—03；修订日期：2005—12—08作者简介：陈燕(1983一)，女，南昌大学在读硕士研究生，现主要从事微生物方面的研究工作。 维普资讯http://www.cqvip.com第1期陈燕等：短链脂肪酸与肠道菌群·39·表1人大肠中的主要解糖细菌短链脂肪酸也是蛋白质降解和氨基酸发酵的菌粪便中平均菌数主要产物。从表2可见，梭菌可利用多种氨基酸，属／，1．Oglo．g—干重主要发酵产物。g丁里相应生成多种有机酸。梭菌可通过丙烯酸途径由丙氨酸产生丁酸，也可在苏氨酸脱水酶和酮酸脱氢酶的参与下由苏氨酸产生丙酸。乙酸可通过Stickland反应从甘氨酸产生，也可从丝氨酸、谷氨酸、赖氨酸、鸟氨酸发酵产生。从表中可见谷氨酸是一种常见的发酵基质，乙酸和丁酸是其主要发酵产物，厌氧菌谷氨酸代谢有两个途径：甲基天冬氨酸途径，常见于梭菌；羟基谷氨酸途径，常见于梭杆菌、消化链球菌和氨的氧存在，是一个适合严格厌氧微生物繁衍的环基酸球菌。境。复杂的碳水化合物经过连续水解成为简单的SCFA的种类和数量受到发酵基质的数量、糖，受到菌群的进一步代谢，最终成为多种发酵产类型、降解速率、降解程度，以及肠道菌群和宿主物，如SCFA，其它有机酸、乙醇、氢和二氧化碳等生理状态等因素的影响。结肠细菌的种类或培养见图1。条件，对SCFA的类型数量有很大的影响，产气荚壁鲢塑糖害类劈、寡lI』l宿主分泌物、牯置膜杆菌在碳源限制培养时，主要产物为乙酸、丁白、细胞和渗出物。小肠消化和吸收、、／—不吸—收糖I酸、琥珀酸和乳酸。短双歧杆菌在碳水化合物限制的条件下主要产物是甲酸和乙酸，碳源过多时主要是乙酸和乳酸。卵形拟杆菌在碳源限制时主多聚物降解I*细a菌~llI『要产物为乙酸、琥珀酸和丙酸，碳源过多时主要为⋯解糖细菌I、I乙酸和琥珀酸。结肠内淀粉量增加时，粪便样品发酵中水解淀粉的细菌在厌氧菌总数中的比例增加，乳酸和琥珀酸解糖细菌产生的丁酸的浓度及其在SCFA中的比例也随之莉酪和鬲琥蓄珀～一LT_增加⋯。II、rI酸丁酸乙酸CO：I时2SCFA的生理功能}Lfl，SCFA对宿主有着重要的生理功能，如调节肠道菌群，维持体液和电解质的平衡，给宿主提供图1结肠细菌碳水化合物代谢的主要途径表2结肠中某些氨基酸发酵厌氧菌的基质和有机酸产物能量，给肠道上皮细胞提供营养等。尤其丁酸，对道细胞生长；(4)诱导细胞分化；(5)影响基因表结肠上皮细胞有很大的意义，其功能有：(1)能量达；(6)与细胞骨架构建改变有关；(7)增加组蛋来源；(2)细胞膜脂类合成的基质；(3)促进消化白乙酰化；(8)诱导细胞编程死亡等。 维普资讯http://www.cqvip.com·40·江西科学2006年第24卷结肠上皮细胞中SCFA的代谢活动，可能是丁酸对细胞的作用早在1976年就开始引起肠道细菌与宿主间相互作用最重要的体现。三种重视，后来的相关研究证明，除了作为结肠细胞的主要的SCFA如乙酸、丙酸和丁酸，对上皮细胞的重要能源，丁酸还在不同细胞中表现了多种多样代谢具有重要意义，其中丁酸是这些细胞的特别的特性。这些特性包括在消化道对细胞生长的阻重要的能量来源，在细胞分化和生长中起着非常抑，诱导分化，刺激细胞骨架形成及改变基因表达重要的作用。等。在多种细胞系中可见到丁酸对细胞生长的减2．1能量代谢缓或抑制作用，如鸡成纤维细胞、HeLa细胞、鼠成结肠上皮细胞能量的60％～70％来自细菌纤维细胞、肝癌细胞、结肠细胞、胰腺细胞、神经成发酵产物。通过对混合SCFA产生的CO的研纤维细胞、膀胱细胞、黑素瘤细胞、乳腺细胞等。究，发现细胞作用的顺序是丁酸第一，丙酸次之，丁酸对细胞分化的影响与控制基因表达有然后是乙酸。SCFA代谢生成CO和酮体，它们关，丁酸可改变多种基因的表达，如鼠红白血病细是粘膜脂类合成的前体。小鼠盲肠壁内有12％胞中的血红蛋白合成的诱导，肝细胞表皮生长因的丁酸转化为酮体，结肠不产生酮体，这与有些动子(EGF)，内皮细胞血纤蛋白溶酶原激活物的合物如兔、豚鼠中观察到的一样。利用“C—SCFA成，肝癌细胞的金属硫蛋白，乳腺组织细胞EGF所做的代谢实验证明，标记物可转化为兔盲肠壁等。的氨基酸，羧酸和糖。人结肠细胞也可代谢葡萄3SCFA的代谢糖和谷氨酰胺，在分离到的结肠细胞中，70％以上消耗的氧是因为丁酸氧化。由丁酸产生的CO人体内SCFA的代谢参看图2。在人的前后结肠相同，而后肠中产生的酮体较少，这意味着较多的丁酸在后肠进入三羧酸循环。反之，谷氨酰胺的代谢和葡萄糖氧化一样，主要在前肠进行。如前所述，结肠上皮细胞的健康主要依赖丁酸，丁酸是结肠上皮细胞的主要能源。丁酸还能抑制结肠癌细胞的生长。2．2粘膜生长大量研究证明膳食纤维可刺激小肠和大肠肠粘膜的生长和功能。上皮细胞的这种营养效应几乎肯定是通过SCFA介导的，Sakata通过回肠管图2人体内短链脂肪酸的代谢每日向小鼠结肠滴注混合SCFA，观察到隐窝细胞瘤胃动物中，乙酸是代谢必需的能量来源，因(cryptocel1)在两天内增殖速率增加。大肠或小为所有进入瘤胃的葡萄糖都被瘤胃微生物发酵。肠内SCFA的产量减少时，该部位上皮细胞的增乙酸对人类并不象瘤胃动物中那样重要。碳水化殖就受到抑制，这种现象也可在旁通管手术，低纤合物从小肠消化吸收后，即可作为能源利用，乙酸维饮食，以及无菌动物中看到。在后肠产生，是组织的次级能量来源。人静脉血SCFA对大肠粘膜的营养效应，使人们担心液中的乙酸主要来自消化道，水平稳定，一般为它们也许是有利于肿瘤发生的一个因素，Schep—50mmol／L，摄人可发酵碳水化合物后，可上升到pach等的研究证明这种想法是不正确的。用100—300mmol／L。乙酸只有几分钟的半衰期，能[’H]一胸腺嘧啶脱氧核苷和溴脱氧尿嘧啶标记迅速从血中清除，也可被骨骼肌、心肌和脑代谢。培养的隐窝细胞，计算整个隐窝细胞和5个相等在乙酸降低到最低水平，如饥饿时，肝脏可合成乙隐窝区室的标记指数(测定隐窝细胞生长速率)，酸。口服乙酸或乙醇(乙酸的前体)时，游离脂肪丁酸和丙酸均可增加细胞繁殖速度，而乙酸不能。酸水平下降。无论经口或静脉给予乙酸，对葡萄它们对细胞生长的刺激仅仅限于基部3个区室，糖的代谢几乎没有影响，也不刺激人胰岛素的释而不是那些接近表面出现早期肿瘤特征的区放。室C6,TI。(下转第69页)2．3细胞分化 维普资讯http://www.cqvip.com第1期陈协等：旋流布水搅拌传质作用·69·等许多优点外，还由于涡结构特点更有利于涡能初始涡旋的流态结构场，可以根据机身的空量的输送扩散和涡能量的有效利用。由于重力场间结构，将所有对应的场变量分离为平均值和残和离心力场的分层作用，人们往往首先关注到它差。由涡旋能量的传递规律，就知道计算出初始们的分离作用，更由于湍流场研究难度和多相流涡旋的平均值就抓住了传质和运行成本的本质。体研究难度的加大；而使得旋流搅拌和利用密度变化重力场的搅拌理论和应用研究相对迟后。因参考文献：为传质过程决定着物理化学和物理生化的众多反[1]褚良银，陈文梅．旋转流分离理论[M]．北京：冶金应领域的效率，因此旋流搅拌在连续过程作业领工业出版社，2002．域有广泛应用的潜力。由于搅拌作用的大小的实[2]XuJi—run，LuoXi．FluxFieldTheoryofhydrocyclone质是涡旋能量的大小；所以作为应用研究，可以避[M]．Beijing：SciencePress，1998．[3]E．R．G．埃克特，R．M．德雷克，航青，译．传热与开部分理论研究；着重探讨最大限度满足理化条传质分析[M]．北京：科学出版社，1983．件或生化条件情况下，初始涡旋的结构场；实现搅[4]刘代俊，钟本和，张允湘．颗粒与液相问的湍流涡旋拌和外界输入能量较好的配合，实现结构简单、设裂变传质模型[J]．化工学报，2004，55(1)：25—31，备成本低，传质的高效和运行成本的降低的有效[5]周国忠，施力田，王英琛．搅拌反应器内计算流体力结合。学模拟技术进展[J]．化学工程，2004，32(3)：28—本实例中EIC技术，所采用的Ic技术，虽然32．使用了密度变化重力场，但其大幅度提高传质效[6]陈协，等．中国专利[P]．ZL03227936．1，2004；果的实质仍然是纵向湍流，和类似旋流的纵向大CN1562495A，ZL200420023281．4，2005．循环、进行能量传递到高浓度区域纵向搅拌。(上接第4O页)对瘤胃动物的丙酸代谢进行了较深入的研qucnccsofbacterialfermentationinthehumancolon究，对其在人体内的作用了解较少。丙酸可能有[J]．JApplBacteriol，1991，70(6)：443—459．[3]McNeilNI．Thecontributionofthelargeintestineto着类似丁酸的某些功能，但明显不如丁酸那样重energysuppliesinman[J]．AmJClinNutr，1984，39要，门静脉血液中可发现丙酸。添加丙酸的食物(2)：338—342．可降低大鼠和猪的血清胆固醇水平，但对人的作[4]ArcherSY，MengS，a1．p21(WAF1)isrequiredfor用不大清楚。在双盲实验中，1O个女性实验者每butyrate—mediatedgrowthinhibitionofhumancolon天服用7．5g丙酸钠，对照组用安慰剂，连续7cancercells[J]．ProcNatlAcad．Sci．USA，1998，95周，血清的胆固醇没有变化，HDL胆固醇增加，血(12)：6791—6796．糖水平下降。在另外一组实验中，9个健康的男[5]TanakaY，BushK，eta1．Effectsof1，25一dihydroxyvi．性实验者每天服用丙酸盐5．4g，连续15d，胆固taminD3anditsanalogsonbutyratc—-induceddiffer·醇由最初的5．5mmol／L以上，降到5．28±0．23entiationofHT一29humancoloniccarcinomacellsmmol／L，LDL胆固醇也有下降，而乙酸服用后没andonthereversalofthediferentiatedphenotype[J]．ArchBiochemBiophys，1990，276：415．有影响。为了排除121服丙酸和肠道发酵产生的丙f6]SeheppaehW，BartramHP，ela1．Roleofshort—chain酸的差异，通过直肠或结肠灌注丙酸，也没有发现fattyacidsinthepreventionofcolorcctalcancer[J]．明显的影响。EurJCancer．I995。31A：1077—1080．[7]ScheppachW，FabianC，a1．Theeffectofstarchrea1．参考文献：absorptiononfecalshort—chainfattyacidexcretionin[1]WolinMJ，MillerTL，ela1．Changesoffermentationman[J]．ScandJGastroenterol，1988，23：755—759．pathwaysoffeealmicrobialcommunitiesassociated[8]GibsonGR。MacfarlaneGT．Humancolonicbaeteriawithadrugtreatmentthatincreasesdietarystarchinroleinnutrition[M]．physiologyandpathology，1995。thehumancolon[J]．hpplEnvironMicrobio，1999．65CRCPrCSS．(7)：2807—2812．[2]CummingsJH，MacfalaneGT．Thecon"olandeonse．