丁酸代谢

丁酸代谢（英语：Butanoate metabolism）， 亦常称为丁酸盐代谢（Butyrate metabolism）， 是生物体内关于四碳短链脂肪酸——丁酸及其衍生物的合成、转化与降解的生化途径的总称。丁酸不仅是重要的能量物质，更是调控基因表达、细胞增殖与分化、免疫反应及肠道稳态的关键信号分子。该代谢在肠道微生物-宿主互作、能量平衡和疾病（如结肠癌、炎症性肠病）中扮演核心角色[1][2]。

主要代谢途径

丁酸代谢主要包括微生物合成、宿主吸收与氧化，以及相关的信号调控。

1. 丁酸的微生物合成（主要来源）

在人类结肠中，丁酸主要由肠道微生物通过膳食纤维（抗性淀粉、菊粉等）的厌氧发酵产生。主要有两条经典途径：

• 乙酰辅酶A途径（Acetyl-CoA pathway）： 是主要途径。两分子乙酰辅酶A缩合为乙酰乙酰辅酶A， 经还原、脱水等步骤，最终生成丁酰辅酶A， 再经丁酰辅酶A：乙酸辅酶A转移酶或丁酸激酶生成丁酸。

  • 关键菌属：Faecalibacterium prausnitzii（普拉梭菌）、Roseburia spp.、Eubacterium rectale 等。

• 谷氨酸途径（Glutamate pathway）： 部分细菌可利用谷氨酸经4-氨基丁酸途径生成丁酸。

2. 宿主的丁酸吸收与代谢

• 吸收：结肠上皮细胞通过单羧酸转运蛋白（MCT1， 由SLC16A1基因编码）和钠偶联单羧酸转运蛋白（SMCT1， 由SLC5A8基因编码）主动摄取肠腔中的丁酸。

• β-氧化：在上皮细胞线粒体内，丁酸被激活为丁酰辅酶A， 随后通过经典的β-氧化循环（经丁酰辅酶A脱氢酶等酶催化）逐步分解为两分子乙酰辅酶A， 进入三羧酸循环产生大量ATP（每分子丁酸净产约20-24分子ATP）。这是结肠上皮细胞（尤其是远端结肠）的主要能量来源，约占其能量需求的60-70%。

• 信号功能：部分丁酸未被氧化，而是进入细胞核，作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂发挥作用（见下文）。

丁酸作为信号分子的机制

这是丁酸代谢最关键的生理学意义之一。

1. 组蛋白去乙酰化酶抑制：

   • 丁酸是I类和IIa类组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的强效抑制剂。

   • 机制：丁酸进入细胞核，直接结合并抑制HDAC活性，导致组蛋白（特别是H3和H4）乙酰化水平升高，染色质结构变得松散，从而激活大量基因的转录。

   • 效应：促进肠上皮细胞分化、增强紧密连接功能、诱导细胞周期停滞和凋亡（对癌细胞）、调节免疫细胞功能（如促进调节性T细胞分化）[3]。

2. G蛋白偶联受体激活：

   • 丁酸是游离脂肪酸受体2/3（FFAR2/3， 又名GPR41/43）的天然配体。

   • 机制：丁酸与位于肠内分泌细胞、免疫细胞等表面的FFAR2/3结合，激活下游信号，促进胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和肽YY等肠道激素分泌，调节食欲、胰岛素敏感性和免疫反应。

生物学功能与生理意义

1. 维持肠道屏障完整性：

   • 为结肠上皮提供能量，促进黏液分泌和紧密连接蛋白表达，是维护肠道屏障功能、防止肠道菌群及内毒素易位的关键因素。

2. 抗炎与免疫调节：

   • 抑制HDAC和激活FFAR2， 可下调促炎因子（如IL-6， IL-12， TNF-α）， 上调抗炎因子（如IL-10）， 并促进调节性T细胞分化，维持肠道免疫稳态。

3. 抗癌作用（尤指结直肠癌）：

   • 在结肠上皮细胞中，丁酸通过HDAC抑制诱导细胞分化、细胞周期阻滞（上调p21等）和凋亡（如通过死亡受体途径）， 同时对正常细胞有促增殖作用（能量供应）， 这种“双重效应”使其成为重要的化学预防剂。但在低纤维饮食下，丁酸浓度下降，其保护作用减弱[4]。

4. 全身代谢调节：

   • 通过肠道激素GLP-1等调节全身葡萄糖稳态和能量摄入。

   • 可能影响肝脏脂质代谢和全身性炎症。

临床与营养学意义

1. 炎症性肠病（IBD， 如克罗恩病、溃疡性结肠炎）：

   • 患者肠道内产丁酸菌（如普拉梭菌）丰度常显著降低，结肠丁酸水平不足。补充丁酸盐或高纤维饮食（益生元）在部分患者中显示出治疗潜力。

2. 结直肠癌：

   • 高纤维饮食与较低的结直肠癌风险相关，部分归因于丁酸的增加。丁酸类似物（如苯丁酸钠）曾被研究作为抗癌药物。

3. 代谢综合征与肥胖：

   • 丁酸可能通过改善胰岛素敏感性、增加能量消耗和减少炎症，对肥胖和2型糖尿病产生有益影响。

4. 神经系统疾病：

   • 通过“肠-脑轴”， 丁酸可能影响神经发育、应激反应和行为，与自闭症、抑郁症等疾病相关。

检测与研究

• 检测：可通过气相色谱/质谱联用技术测定粪便或血液中的丁酸水平。

• 干预：通过补充益生元（如低聚果糖、菊粉）、益生菌（产丁酸菌）或直接补充丁酸盐（如丁酸钠）来调节体内丁酸水平。

参考文献

1. Louis, P., Hold, G. L., & Flint, H. J. (2014). The gut microbiota, bacterial metabolites and colorectal cancer. Nature Reviews Microbiology, *12*(10), 661-672. （肠道菌群、细菌代谢物与结直肠癌，重点论述丁酸）

2. Donohoe, D. R., Garge, N., Zhang, X., Sun, W., O’Connell, T. M., Bunger, M. K., & Bultman, S. J. (2011). The microbiome and butyrate regulate energy metabolism and autophagy in the mammalian colon. Cell Metabolism, *13*(5), 517-526. （丁酸调节结肠能量代谢与自噬的机制研究）

3. Hinnebusch, B. F., Meng, S., Wu, J. T., Archer, S. Y., & Hodin, R. A. (2002). The effects of short-chain fatty acids on human colon cancer cell phenotype are associated with histone hyperacetylation. The Journal of Nutrition, *132*(5), 1012-1017. （丁酸通过组蛋白超乙酰化影响结肠癌细胞表型的经典论文）

4. Bultman, S. J. (2017). Interplay between diet, gut microbiota, epigenetic events, and colorectal cancer. Molecular Nutrition & Food Research, *61*(1), 1500902. （饮食、菌群、表观遗传与结直肠癌的交互作用）

5. Canani, R. B., Costanzo, M. D., Leone, L., Pedata, M., Meli, R., & Calignano, A. (2011). Potential beneficial effects of butyrate in intestinal and extraintestinal diseases. World Journal of Gastroenterology, *17*(12), 1519-1528. （丁酸在肠道及肠外疾病中潜在益处的综述）