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氢气是胃肠道菌群的核心代谢物质

来源:孙学军 编辑:James&Ani 时间:2018-12-27 08:47:09

氢气在胃肠道菌群能量代谢中具有能量转化核心地位,许多对人类营养、疾病和健康密切相关的细菌的代谢通路涉及到氢气,一些细菌可以通过制造氢气,另一些细菌利用氢气产生能量,维持生长和合成更复杂的生物分子。氢营养菌可以分为三类,分别是硫还原菌、甲烷菌和乙酸菌,它们可以把氢气变成硫化氢、甲烷和乙酸。虽然这些细菌利用氢气能量转化效率不同,但是所有这些细菌都共同生长在人类肠道内。影响这些细菌数量平衡的因子仍然不确定,越来越多的证据发现硫化氢和甲烷和肠道疾病如肠道激惹综合症有关,通过调控特定氢营养菌治疗这类疾病的策略也成为重要的研究方向。

氢气是胃肠道菌群的核心代谢物质

■100公斤人体最多只有15毫升左右氢气

关于肠道菌群和氢气的关系,存在一些误解。一是认为肠道细菌产生氢气的能力巨大,甚至有人说是每天超过12升,并根据这个数据反对饮用氢水对疾病效应,因为氢水中溶解的氢气微不足道,和肠道内氢气相比太少,不应该产生作用。这个数据是早期研究肠道代谢的学者根据进入肠道内的营养推算出可能产生氢气的量,这种推测的可靠性比较低,后来的研究也否定了这个说法。一方面,到达后消化道肠道的营养并不是全部被转化为氢气;另一方面,细菌产生的氢气大部分被另外一些氢营养菌利用和转化成其他物质,能被肠道黏膜吸收的氢气比例比较低。更直接的证据是需要对人体内氢气含量的测量数据,从健康人的呼吸气体中氢气的含量水平测试就可以间接说明这个问题。人的呼吸气体中的氢气浓度一般不超过10ppm,这个10ppm如果换成血液内氢气浓度,只有1%ppm。换算为全身都溶解这样的浓度,氢气的饱和度为18毫升/升,大约是1.6ppm,这样的氢气浓度只有0.8%的饱和度。100公斤人体最多只有15毫升左右。这是从高估计的水平,许多人体内氢气浓度远远少于这个量。

另一个误解就是认为氢气浓度过高会抑制肠道内细菌产生氢气的能力,简单来说,肠道内氢气水平增加一方面会给利用氢气的细菌提供更多食物,也可能对产生氢气的细菌产生抑制作用,这符合一般的反馈规律。但是通过饮用氢水或吸入氢气进入人体的氢气很难逆行进入肠道内,对肠道内细菌产生直接影响的可能性比较小。我个人也曾经提出,氢水饮用可能会对肠道菌群产生一定作用,这种推测主要是基于肠道菌群在机体疾病和健康的重要性,饮用氢水也可能会对菌群整体上产生调节作用,这种作用并不是简单抑制产生氢气的细菌,也会对利用氢气的细菌产生一些作用。更主要的是从氢水对消化道疾病影响角度来考虑这个问题。当然具体研究需要我们拿出确定证据和合理解释。

对肠道菌群的代谢研究中,比较重视的是碳水化合物发酵产生短链脂肪酸过程的机制和特点。其中研究不够充分是氢气在短链脂肪酸产生过程中的地位,氢气是细菌交换能量物质的重要媒介,涉及宿主营养和肠道菌群的关系。

■肠道菌群厚壁菌门是产生氢气主要力量

氢气是肠道细菌消化碳水化合物的常见代谢产物,细菌制造氢气是经过糖酵解途径,亦称埃姆登-迈耶霍夫-帕那斯途径(EmbdenMeyerhof Parnas ),是将葡萄糖转变为丙酮酸,经过乙酰辅酶A转变为乙酸。氢气在这些反应中作为电子穴产物,让还原能力固定下来,细菌代谢过程需要有电子穴,这样才能让物质代谢过程产生的电子被处理掉。与其他发酵代谢产物如乙醇、乳酸、琥珀酸相比,氢气是更有效的电子穴产物(比较容易理解的是,氢离子接受电子变为氢原子,两个氢原子结合为氢气分子)。肠道细菌氢气产量主要决定于每种肠道菌群组成,成年人肠道菌群中85%是厚壁菌门Firmicutes和拟杆菌门Bacteroidetes。这些细菌相对比例在不同个体和不同饮食存在很大差异。细菌培养研究表明,肠道菌群厚壁菌门是产生氢气主要力量。厚壁菌门被分为三个纲:厌氧的梭菌纲、兼性或者专性好氧的芽孢杆菌纲,和没有细胞壁的柔膜菌纲。

(肠道菌群和健康的关系是最近这些年研究的热门,例如美国华盛顿大学医学院的杰弗瑞-戈登等发现人类肠道内存在导致肥胖的细菌,这些细菌多属于厚壁菌门。这里我们强调一点,这种菌恰好是产生氢气的细菌,难道肥胖者体内产氢菌更丰富?戈登等收集并提取了12名肥胖志愿者粪便中的细菌,并用基因遗传序列鉴定不同的细菌种类,最后与5名瘦的志愿者粪便中的细菌进行比较。这两组志愿者的细菌大多数都可归为两类细菌,一大类是厚壁菌门,包括李斯特菌、葡萄球菌、链球菌等。另一大类是拟杆菌门。对比发现,肥胖者比瘦者多出约20%的厚壁菌,同时又比瘦者少了约90%的拟杆菌。也就是说肥胖者的厚壁菌多而拟杆菌极少。)

拟杆菌门和瘤胃球菌属菌株(厚壁菌)共同用纤维素培养时,虽然纤维素消耗量增加,但氢气产量比瘤胃球菌属菌株单独培养减少。两种细菌比例可保持稳定。最近基因组学对来自人类微生物组计划的343个序列组分析发现,70%的序列包含氢化酶序列,这些细菌主要是厚壁菌门和拟杆菌门。这说明氢气在这些细菌代谢过程中的重要性比想象的更大,但对这种循环对肠道内氢气产量的具体作用仍然不了解。氢气含量应该决定于能产生氢气和不能产生氢气之间的平衡。

反过来肠道内氢气含量对肠道菌群和宿主也能产生影响,高水平氢气含量不仅能破坏产氢代谢,对非产氢代谢也会产生干扰。氢气分压增加能抑制NADH 变成DAD+,这会导致分解代谢受抑制,阻断细菌生长。高分压氢气也能决定短链脂肪酸的产生,氢气能促进乙酸和丁酸产生,而对丙酸影响比较小。

Wolf PG, Biswas A, Morales SE, Greening C, Gaskins HR. H2 metabolism is widespreadand diverse among human colonic microbes. Gut Microbes. 2016;7(3):235–245.

Nick W. Smith, Paul R. Shorten, Eric H. Altermann, Nicole C. Roy & Warren C. McNabb (2018): Hydrogen cross-feeders of the human gastrointestinal tract, Gut Microbes.

标签:氢医学   原理  专家学者

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