综述：猪肠道细菌的氨基酸代谢及其对肠道健康和环境的影响：当前知识与未来方向

《Journal of Animal Science and Biotechnology》：Amino acid metabolism by pig intestinal bacteria and consequences for intestinal health and environment: current knowledge and future directions

　　

摘要 猪小肠内可供细菌利用的氨基酸主要来源于日粮蛋白和内源性蛋白。这些氨基酸，连同肠道细菌自身合成的氨基酸，被用于不同的代谢途径。肠道细菌无法合成的氨基酸可被视为对其不可或缺的氨基酸，因此必须从周围肠腔液中获取。在猪的大肠中，细菌利用的氨基酸可能主要来源于在小肠中未被完全消化的蛋白质。在本叙述性综述中，研究人员介绍了关于猪肠道内细菌氨基酸代谢的现有知识，以及不同氨基酸来源的细菌代谢产物对肠道微生物代谢和生理的影响。随后，研究人员概述了其中一些化合物对肠道上皮细胞的有益或有害影响。接下来，描述了由氨基酸衍生的两种细菌代谢产物——氨和硫化氢——的排放对环境的不利影响。最后，提出了在控制肠道细菌氨基酸代谢以维持猪肠道健康以及减少污染物排放方面的未来研究方向。

猪肠道微生物群组成和整体代谢活性受多种参数影响

猪肠道管腔液中的细菌组成在发育过程中受多种参数影响，包括妊娠阶段、宫内生长状态、仔猪出生方式、早期日粮条件、动物年龄和断奶时间。微生物数量从猪的小肠到大肠逐渐增加，且肠道不同节段的微生物组成存在差异。小肠近端管腔液通过速度相对较快，不允许大量细菌生长。相比之下，细菌浓度在回肠远端大幅增加，并在猪的大肠中进一步升高。猪粪便样本中的肠道微生物群特征已被测定，结果揭示共有770万个非冗余基因，代表超过700个宏基因组物种。16S rRNA扩增子序列数据和宏基因组组装基因组的荟萃分析表明，乳杆菌属、链球菌属、梭菌属、脱硫弧菌属、肠球菌属和梭杆菌属是优势菌属。猪肠道中的部分细菌与黏膜相关，在抵御病原体生长方面发挥积极作用。然而，从数量上看，大肠管腔内容物中的大多数细菌随粪便排出，这意味着管腔液中细菌群体的持续活跃更新，这种微生物更新需要强烈的ATP依赖性合成代谢。

来自日粮和宿主内源性蛋白的氨基酸被肠道细菌利用

在猪的小肠中，日粮蛋白和内源性蛋白被来自外分泌胰腺的蛋白酶降解，释放出肽和氨基酸。谷氨酰胺、谷氨酸和精氨酸等几种从蛋白质释放的氨基酸在从管腔液转移到门脉循环的过程中，在猪肠细胞内被大量分解代谢。肠道管腔液中的内源性蛋白包括外分泌分泌物、脱落的上皮细胞和上皮释放的黏蛋白。小肠中一小部分氨基酸被认为被肠道细菌利用，而大部分从蛋白质释放的寡肽和氨基酸被肠细胞有效吸收并释放入门静脉，供宿主组织利用。在猪中，日粮和内源性宿主蛋白是远端回肠微生物蛋白合成的贡献者。然而，宿主与小肠微生物群之间的氨基酸交换可能是双向的。事实上，一些证据表明，小肠细菌合成的部分氨基酸被释放到管腔液中，然后通过肠细胞被吸收，供身体组织利用。例如，一项研究测定了口服¹⁵NH₄Cl中的¹⁵N掺入无菌大鼠和常规大鼠组织赖氨酸的情况。结果表明，宿主组织中测得的¹⁵N-赖氨酸来源于微生物群的代谢活动。虽然未获得无菌猪的等效数据，但已证明猪肠道微生物群产生的赖氨酸主要用于猪肠道和肝脏中的蛋白质合成。因此，猪小肠内某些细菌物种向宿主提供必需氨基酸的概念已被提出。然而，从数量角度看，小肠细菌合成的氨基酸（无论是微量还是显著）被吸收并可供猪组织利用的量仍有待确定，这种供应对猪生长的相对重要性仍有待证实。

在大肠中，情况则大不相同，因为可供细菌代谢的氨基酸主要来源于在小肠中未被完全消化的日粮和内源性蛋白。尽管猪小肠中的蛋白质消化是一个高效的过程，但仍有相当一部分未消化蛋白（特别是那些较难消化的蛋白质）通过回盲连接处从小肠进入大肠管腔内容物。蛋白质被大肠中的细菌群体降解为肽和氨基酸，然后氨基酸被细菌代谢。大肠管腔液中的氨基酸可能主要被微生物利用，因为这些分子不会被猪结肠上皮显著吸收。然而，据研究人员所知，尚无定量研究估算宿主向猪大肠内细菌提供的氨基酸量。基于已发表的数据，不能排除少量氨基酸通过猪大肠上皮被吸收的可能性。事实上，在猪盲肠输注¹⁵N标记细菌后，基于静脉血中¹⁵N标记氨基酸的出现，可以测量到微生物来源的氨基酸通过猪大肠上皮的吸收。此外，已证明猪结肠上皮在新生儿期表现出一定的氨基酸吸收能力，但这种能力似乎是短暂的，在该时期后几乎消失。

许多生活在小肠和大肠中的细菌物种不具备合成蛋白质合成和其他代谢途径所需的20种常见氨基酸（以及2种罕见氨基酸硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸）的代谢能力。这些氨基酸已被确定为对相关细菌“不可或缺”，这意味着它们必须从肠道管腔液供应给肠道细菌，以满足其代谢和生理需求。然而，需要强调的是，大多数旨在阐明猪肠道细菌代谢和生理的研究都是在体外而非体内进行的。值得注意的是，小肠管腔液中的氨基酸主要来源于日粮蛋白和宿主内源性蛋白，但特定细菌物种向其他细菌物种提供氨基酸的情况，即使是微量的，也可以设想。事实上，一些肠道细菌如大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌可以将从头合成的氨基酸输出到细胞外培养基中。这既可以视为产生细菌控制氨基酸浓度的过程，也可以视为微生物群落中不同肠道细菌物种之间潜在代谢合作的过程。

简而言之，肠道细菌氨基酸合成代谢的研究历来集中在少数细菌物种和属上，如大肠杆菌、产肠毒素大肠杆菌、肠出血性大肠杆菌、沙门氏菌和枯草芽孢杆菌。产肠毒素大肠杆菌可在仔猪中引发严重腹泻，而肠出血性大肠杆菌以在猪大肠中引起严重感染而闻名。关于沙门氏菌属物种，它们是已知在猪中引起小肠结肠炎的病原体。细菌中22种氨基酸合成不同代谢途径的描述不在本综述范围内，但可以在最近关注此主题的书籍和综述中找到。简而言之，肠道细菌氨基酸合成代谢能力的多样性可以通过几个例子说明。例如，产气荚膜梭菌缺乏参与苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸、蛋氨酸以及芳香族和支链氨基酸合成的基因。关于约氏乳杆菌，这种猪肠道共生菌几乎无法合成所有氨基酸。其他常驻肠道细菌如空肠弯曲杆菌和粪肠球菌不具备合成所有氨基酸所需的完整生物合成途径。顺便提一下，必须牢记，仅凭给定细菌物种基因组中存在参与氨基酸合成的基因，不足以证明相应合成代谢途径的功能性。例如，乳酸乳球菌中已鉴定出所有常见氨基酸生物合成相关的基因，但仍有6种氨基酸，即谷氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、亮氨酸和组氨酸，需要从细胞外培养基中供应以支持细菌生长。另一个无法合成几种氨基酸的细菌例子是金黄色葡萄球菌，尽管存在负责这些氨基酸合成的不同代谢途径的基因，但该细菌对上述五种氨基酸表现出绝对需求。

氨基酸被肠道细菌用于大分子、ATP和生物活性代谢物的合成

氨基酸被肠道细菌用于大分子的合成。这些大分子不仅包括蛋白质，还包括RNA和DNA。

肠道细菌中的氨基酸与大分子合成

关于蛋白质，为了应对肠道管腔液内变化的环境，肠道细菌发展出协调的蛋白质稳态网络。这种网络包括调节蛋白质合成和降解的控制过程。这些调节过程已在大肠杆菌中得到深入研究。关于细胞内蛋白质稳态，细菌可以在起始、延伸和终止三个主要步骤精细调节翻译速率，从而即使在变化的环境中也能维持细菌内相对稳定的细胞内蛋白质浓度水平。关于RNA和DNA合成，三种特定氨基酸，即甘氨酸、谷氨酰胺和天冬氨酸，是核苷酸嘌呤环和嘧啶环合成的前体。猪大肠管腔液中细菌用于RNA和DNA合成的这三种氨基酸的比例可能相当可观，但据研究人员所知尚未量化。事实上，结肠液中的细菌数量估计为每克管腔内容物10^10</到10¹¹个细胞。从氨基酸合成嘧啶已在细菌中研究，如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和奇异变形杆菌，这些细菌都是猪肠道微生物群的成员。嘧啶的合成需要氨甲酰磷酸作为必需前体之一。氨甲酰磷酸由谷氨酰胺和碳酸氢盐合成。然后，氨甲酰磷酸和天冬氨酸是合成氨甲酰天冬氨酸的前体。氨甲酰天冬氨酸随后经过多个步骤用于合成三磷酸尿苷和三磷酸胞苷。细菌中细胞内核苷酸库是调节蛋白质合成的重要参数，从而表明在这些原核细胞中设定蛋白质合成速率存在复杂的代谢关系。

肠道细菌中的氨基酸与ATP合成

氨基酸可被猪肠道中的细菌用于ATP合成。在生长猪中，只有近端小肠的管腔液以较高氧浓度为特征，与其他小肠和大肠部分测得的氧浓度相比。事实上，猪肠道的这些后段大部分是厌氧的。在这种厌氧条件下，或在缺乏合适电子受体的情况下，猪肠道中发现的严格或兼性厌氧菌，如梭菌和梭杆菌，可以利用氨基酸作为ATP合成的前体。与细菌在有氧条件下通常测得的产量相比，这允许以低产量合成ATP。在梭菌属物种中，包括艰难梭菌，典型的代谢途径被统称为Stickland反应，在ATP生产中显得尤为重要。Stickland反应的特征是偶联的氨基酸氧化和还原。一种氨基酸作为电子供体，而另一种氨基酸作为电子受体。电子供体包括丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸等氨基酸，而电子受体包括甘氨酸和脯氨酸等氨基酸。肠道细菌中的Stickland反应允许提供ATP以支持细菌生长，特别是在碳水化合物等其他能量底物供应不足的情况下。值得注意的是，猪肠道细菌中氨基酸用于ATP生产可能以优先方式运作。例如，斯氏梭菌被认为是优先利用丝氨酸、甘氨酸、精氨酸、苏氨酸和半胱氨酸等氨基酸进行ATP合成的典型细菌。

肠道细菌中氨基酸来源的生物活性代谢物合成

猪肠道管腔液中存在的共生菌和致病菌在氨基酸分解代谢过程中产生的众多中间产物和终产物已被证明不仅对产生细菌的代谢和生理有活性，而且对其他被视为对这些分子“感受态细菌”的细菌也有活性。此外，新兴数据表明，从特定氨基酸合成不同代谢物参与了一些肠道细菌与肠道真菌和寄生虫等其他微生物之间的通讯。本段给出了氨基酸来源的细菌代谢物对已知生活在猪肠道内的肠道微生物的生长、代谢和生理的个体影响的典型例子。

氨基酸来源的细菌代谢物与肠道细菌代谢和生长

细菌合成的主要多胺是腐胺、亚精胺、胍丁胺和尸胺，而许多次要多胺衍生物是从这些主要多胺合成的。对于几种多胺衍生物，其合成涉及的生化途径通常在真核细胞中不运作。多胺合成的氨基酸前体是精氨酸、蛋氨酸和赖氨酸，以及非蛋白氨基酸鸟氨酸。然而，值得注意的是，并非所有生活在猪肠道内的肠道细菌物种都配备了多胺合成所需的代谢机制，因此依赖从肠道管腔液输入多胺以获得供应和生理效应。这些多胺可能来源于饲料中存在的多胺和/或由猪肠道内其他有能力的细菌合成并释放到管腔液中的多胺。猪肠道细菌内多胺的内源性合成，连同多胺的输入和输出，以及分解代谢途径中的降解，是共同决定这些原核细胞中多胺浓度的参数。腐胺和亚精胺通常是细菌中浓度最高的多胺，其次是浓度较低的胍丁胺和尸胺，最后是在大多数研究过的细菌物种中很少检测到的精胺。细菌中部分多胺与RNA相关，这种关联与这些化合物对转录和翻译过程的重要影响有关。

多胺参与肠道细菌代谢。值得注意的是，这些化合物可以调节细菌毒素的产生和活性。例如，亚精胺增加了产生大肠杆菌素的大肠杆菌产生细菌毒素大肠杆菌素的产量。另一种多胺尸胺降低了产肠毒素肠道细菌志贺氏菌属的肠毒素活性。在多胺的生理效应中，这些化合物以对肠道细菌增殖普遍显示刺激作用而闻名，尽管这种效应因物种而异。例如，缺乏多胺合成的大肠杆菌仍可在无多胺培养基中生长，但与野生型相比，生长速率显著降低。这一结果表明，虽然多胺对该细菌的生长并非不可或缺，但却是其最佳生长所必需的。同样，在肠道细菌肠道沙门氏菌中，多胺耗竭减少但不消除细菌生长。相比之下，亚精胺对空肠弯曲杆菌的生长至关重要，因为在缺乏这种多胺的情况下，该细菌的生长几乎被抑制。

硫化氢可由半胱氨酸通过半胱氨酸脱硫基酶在猪肠道细菌如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌中合成。除了这种分解代谢途径外，H₂S还可以通过胱硫醚-γ-裂解酶和胱硫醚-β-合酶的催化作用从半胱氨酸在细菌中合成。顺便提一下，半胱氨酸不是肠道细菌中H₂S产生的唯一前体。事实上，在猪肠道中发现的几种被称为硫酸盐还原菌的细菌物种可以从硫酸盐产生H₂S。H₂S是肠道细菌合成含硫氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸的前体。H₂S抑制大肠杆菌呼吸链的末端氧化酶。然而，大肠杆菌配备了一种不被H₂S抑制的替代性bd型氧化酶。这种同工酶的存在使该细菌能够在富含H₂S的环境中呼吸和生长。一氧化氮由精氨酸通过一氧化氮合酶在众多细菌中产生，包括那些栖息在猪肠道中的细菌，如发酵乳杆菌。