哺乳动物草酸代谢研究进展

李 翔，陈新亮，龙 淼，＊

（1.沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺113112；2.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳110866）

草酸（oxalic acid）又名乙二酸，分子式C2H2O22H2O，分子质量为126.1u，是一种无色透明的结晶体。草酸有较强的酸性，并具有强烈的腐蚀性。在pH 大于5时能够完全溶解，并且表现出很强的钙配体性质。草酸根离子也可以与其他阳离子结合，如钠离子、钾离子和氨根离子，因此它在自然界中多数以草酸盐的形式存在［1］。草酸通过细菌、真菌和植物细胞的草酸乙酸盐代谢、乙醛盐代谢和L－抗坏血酸代谢等途径合成代谢副产物草酸盐［2］。而有机体通过各种催化剂来调控体内草酸的含量不超过一定的正常范围。草酸在哺乳动物机体内代谢是一个复杂的过程，往往其中的一些过程出现异常就会导致疾病的发生，如高草酸尿症和草酸钙结石。了解草酸在体内的代谢过程，可深入理解草酸代谢紊乱引起的疾病，以及对这些疾病的防控研究提供思路。

1 草酸的来源

哺乳动物的草酸摄取主要通过饮食来获得，植物中的草酸是草酸的最主要来源。作为一种最简单的二元羧酸，普遍存在漫长的生物进化过程并无淘汰的趋势，相反，大多数植物中的草酸含量可达到组织干重的6%～10%。草酸分为可溶性草酸与不溶性草酸两种，两种形式的草酸均由植物产生。不溶性草酸生成一些植物的针晶状物质来防止草食动物摄入。可溶性草酸可以作为一种食源性毒素易被肠壁吸收，在肾脏沉积为草酸钙结晶。另外，至少13种食物中的前体物如乙酸醛、抗坏血酸、羟脯氨酸、甘氨酸通过复杂的代谢途径产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的同时产生副产品草酸。对草酸盐在植物界分布情况的调查表明，在93个属中，除11个属不含草酸盐外，其余各属绝大多数的种都含有大量草酸盐。蓼科中的荞麦，藜科中的盐生草、藜、菠菜、甜菜，马齿苋科的马齿苋，苋科中的苋，醡浆草科中的醡浆草等含大量草酸，豆科中花生、苜蓿、大豆，胡椒科中的萎叶，禾本科中的水稻、高粱、美国狼尾草等含有较少草酸。葫芦藓科、罂粟科、杜仲科、白花丹科、葫芦科、水鳖科、灯心草科、莎草科、次鳞草科等不含草酸。草酸盐可存在与整个植株中，但不同部位含量不同，叶＞花＞果实＞种子＞根茎［3］。

2 草酸在哺乳动物体内的代谢路径

草酸直接通过饮食进入身体，最终由肝脏进行代谢。草酸可以由大量的日常食用的植物性食物如大黄、茶叶、巧克力、醡浆草、仙人掌、滨藜、酸生草和狼尾草等提供［4］。饮食中摄入的草酸超过50%通过尿液排出，内源性生产可能是尿草酸形成的最大因素［5］。尿中草酸的升高是肾结石的危险指标。肾结石患者的草酸代谢量为2mmol／d，而通过尿液和粪便排泄的总的草酸量为1.78mmol／d［6］。草酸的总排泄量包括内源性和饮食中的草酸在微生物降解后累积。草酸的转运大部分是通过与胃壁分泌的盐酸作用下变为阴离子并与跨细胞的转运蛋白结合来实现的。特别是一些主要分布在小肠和大肠，已确定来自于SLC26基因家族的转运蛋白［7］具有转运草酸作用。草酸盐也可以在胃里被动吸收，诱导大鼠的高草酸尿症时发现，结肠中存在的某种细菌可以诱导摄入的草酸进入结肠，然后进一步被结肠内细菌降解。大量的草酸盐不能直接通过机体中的粪便和尿液排出体外，只会在肾小管和骨盆沉积使肾脏形成草酸钙晶体从而导致肾脏结石，因此必须由微生物降解后才可以排泄。

2.1 草酸的微生物降解

哺乳动物能代谢草酸主要是由肠道中存在降解草酸的微生物。第一类典型的草酸降解微生物是产甲酸草酸杆菌（Oxalobacter formigenes）。它是一种定居在饲草类动物和部分哺乳动物肠道的微生物，以草酸作为唯一碳源，大约40%的人类肠道中能分离出此菌［7］。此外，其他18个菌株已被确定有降解草酸的作用，包括在乳杆菌属、肠球菌属和双岐菌属的细菌等［8］。一种粪肠球菌在营养环境不良时，可以利用草酸作为唯一的碳源和能源，但在其他底物时可以生长的更好。

草酸在胃肠道内的降解目前认为需要两步酶反应。两步酶反应很好的描述了胃肠道内草酸的微生物代谢反应。O 型甲酸草酸杆菌的膜相关转运蛋白草酸转运蛋白（OXLT）可以对草酸进行介导，同时转运草酸到细胞内和细胞外。一旦进入细胞内，草酸分别由草酰辅酶A 脱羧酶（OXC）和甲酰辅酶A 转移酶（FRC）进行微生物降解，2种酶分别由oxc和frc基因产生。oxc和frc基因已确定由一部分的降解草酸的肠道细菌产生，包括来自乳杆菌属、肠球菌属和双歧菌属的细菌等［9］。虽然这些菌属没有OXLT蛋白，但其他的蛋白可以介导草酸的转运，进入细菌的细胞膜内。草酸降解时，一分子草酸可以形成一分子二氧化碳和一分子甲酸。虽然许多草酸降解细菌在胃肠道中具有共同的草酸降解通路，但不同类群的草酸降解目的不同。草酸杆菌，产甲酸草酸杆菌需要草酸作为碳源和能源生长，粪球菌也可以使用草酸作为碳源和能源。然而，乳酸杆菌属，链球菌属和双岐菌属在高浓度的草酸下生长被抑制，但它们也能够降低草酸的浓度［9］。

2.2 肠道生态系统对草酸降解的影响

肠道生态系统影响草酸的降解作用。肠道细菌优势菌群不同，可影响草酸的降解，一些草酸降解微生物，如O型甲酸草酸杆菌和嗜酸乳杆菌可以大大降低草酸含量，而其他菌株，如干酪乳杆菌在同样的条件下仅能降解五分之一的草酸。同时，草酸降解微生物数目增加，降解草酸的能力也相应的增加。如白喉林（白喉林鼠）是一种草食动物，饮食中含有丰富的草酸。乳酸杆菌占白喉林前肠菌群的13%，因为白喉林体内的乳酸杆菌菌株具有显著降解草酸的作用，并具有oxc基因，该类菌属可能是哺乳动物体内降解草酸的优势菌属。

肠道内的pH 也是影响肠道内草酸降解的一个重要因素。当pH 从4.5增加到5.5时嗜酸杆菌降解草酸的oxc和frc的基因表达也相应增加，但是pH 6.8时则表达减少［10］。同样，在动物双歧杆菌属试验中，适中的pH 变化时也存在类似的降低oxc基因表达的情况［11］。但是，O 型甲酸草酸杆菌在pH6.4时可以优化草酸的降解。这种差异可能会导致整个肠道内形成一个独特的降解草酸的最佳pH 的位置。相应的白喉林的草酸降解菌就可以在肠道最佳pH的位置分离到。草酸在最合适的位置降解效率大大增加，白喉林可以达到降解90%的饮食中摄入的草酸。除了直接影响草酸降解外，pH 与草酸之间的相互作用还可能对肠道内的微生物降解草酸的菌群产生其他影响。嗜酸乳杆菌，暴露于pH6.8的含量为10mL／L的草酸中有315个基因下调，16个基因上调［10］。在这种条件下降解草酸的基因oxc和frc被抑制，可见，pH 对草酸降解非常重要。但研究报道，O型甲酸草酸杆菌能够产生环状脂肪酸，使其具有很强的耐酸性［11］，这也是O型甲酸草酸杆菌在不同pH 条件下，仍为草酸降解菌的原因之一。

不同的消化方式对草酸的微生物降解也产生重要影响。微生物降解草酸时，草酸为反应物，草酰辅酶A 脱羧酶和甲酰辅酶A 转移酶是该反应的关键酶。在间歇性消化的动物如兔的盲肠中，食糜离散分批的进入，随着时间的增加连续搅拌使食糜减少。这种消化方式使草酸与降解菌的酶最大程度的接触从而减少了反应时间。在连续搅拌槽消化方式，如反刍动物瘤胃中，食糜是连续的与反应物完全混合，保持恒定的浓度与反应速率［12］。在这种类型的肠胃中，食糜完全的均匀的通过以确保与反应物（微生物酶）均匀的接触。在活塞式流动消化方式如马或人的结肠中，食糜不断的少量的间断的与反应物混合。这种消化方式中反应物是随着进入食道的长度减少的。当食物在胃肠道内维持恒定浓度的均匀混合时，这种消化方式对胃肠道内的微生物菌群影响最大。

2.3 草酸与胃肠道内的微生物的生态相互作用

草酸对胃肠道内的微生物的生态相互作用很复杂，研究者确定了与草酸代谢相关的4个细菌组群，该4个细菌组群很好的阐述草酸与其相互作用。第1组包含的细菌类群，可以使用草酸作为生长的资源。这类细菌会迅速对肠道环境中的草酸相对或绝对增加做出反映。当向羊瘤胃中直接加入0.6mmol草酸时，O 型甲酸草酸杆菌在草酸的环境下，7d 内从0.2%增加到0.7%，对应于四倍的总DNA 的增加量［13］。第2组包含的细菌类群，被草酸抑制，但如果它们存在时会降低草酸的量。这种特殊的组群可能比第一组群更为常见，常见的菌属包括双歧杆菌、链球菌和乳酸杆菌。例如，嗜酸乳杆菌在10mmol／L的草酸环境中，3d内降解11.8%的草酸，同时自身增加5倍的菌群数，而在20mmol／L的草酸中，草酸也降解了3.4%，而菌群数只增加2倍［14］。第2组细菌可能通过降解草酸从而间接的利用降解草酸的资源，当在竞争中处于不利地位时，它可以利用草酸作为碳源和能量。草酸的降解可以给它们一个相对于那些不能抑制草酸并降解草酸的细菌一个竞争优势。在第3组中，细菌的生长受草酸的抑制，但它们可以间接的受益于其他细菌对草酸的降解。由于草酸降解菌的存在会让第3组细菌在一个不适的环境中成长，在高浓度草酸环境中它们依赖于第1组和第2组菌群。第4组包含那些不受草酸存在影响的细菌。总之，这4组细菌完全的表达了细菌在有草酸存在的环境时的生长效率。

在整个细菌菌群中，个别菌群的数量变化可以用来跟踪草酸的降解情况，这需要对饮食进行试验控制，同时利用同位素跟踪的方法。例如，老鼠接受O型甲酸草酸杆菌后恒定的表现出草酸水平明显降低。在大鼠缺乏草酸降解菌时并提供15g／kg的草酸饮食，6d内在尿中草酸的排泄量增加［15］。随着时间的推移，草酸排泄量的增加指示着饮食中草酸的摄入量的增加或微生物对草酸的适应不良。另外哺乳动物肠道中的草酸降解微生物也相应的随着草酸的饮食量与时间的增加而增加，草酸的降解率也增加。而在另外不摄入草酸的动物中，草酸的降解率保持不变。增加的草酸降解率可能是由于草酸降解菌快速反应的结果，如O型甲酸草酸杆菌等微生物增加的结果。

3 草酸降解的益生菌

某些抗生素的反复使用会导致天然的草酸降解细菌的损失。哺乳动物的肠道内的草酸降解细菌可以进行人为的筛选来实现更有效的草酸降解和疾病预防。Hatch M 等［16］试验表明，大鼠2周内每天给予O型甲酸草酸杆菌减少39%～80%尿草酸排泄。同样的，Hoppe B等［17］试验结果表明，人类给予O 型甲酸草酸杆菌4周表现出22%～92%的尿草酸排泄的减少。草酸降解的活性和O 型甲酸草酸杆菌的定植通常得持续的连续接种，或者维持丰富的草酸饮食。在大鼠和人类中，细菌的活性和定植能力会在低草酸饮食后5d内迅速失去［16］。任志华［18］从犬粪便中分离出47株犬源草酸耐受乳酸菌，包括22株乳杆菌、6株乳球菌、4株肠膜明串珠菌和15株肠球菌。24／47（51.63%）株乳酸菌具有降解草酸的能力，饲喂试验证明，8株分离菌能显著降低犬尿液草酸浓度。为预防犬尿结石提供了新的思路。Lieske J C等［19］研究表明，使用混合益生菌称为“oxadrop”（VSL制药），其中含有嗜酸乳杆菌，短乳杆菌，嗜热链球菌，和婴儿双歧杆菌。虽然服用oxadrop采取正常饮食，同时可以减少草酸排泄量，但当用低草酸盐饮食时，oxadrop失去效果。Palgi N 等［20］用草酸降解菌的微生态制剂治疗高草酸尿症时，表现出额外的微生物与微生物之间代谢性的相互作用可能间接支持草酸降解。相比之下，接种益生菌的个体，即使在在低草酸饮食之后，自然种群的草酸降解菌仍存留于肠道。因此，接种益生菌有助于草酸的降解［21］。

4 草酸降解基因工程菌

脊椎动物体内并不存在天然的草酸降解酶，因此，需要通过外源获得补充人体需要的草酸降解酶［22］。如何让脊椎动物获得外源酶，最好的办法是构建基因工程菌。赖德军等［23］将甲酸草酸杆菌草酸代谢基因Frc转化大肠埃希菌BL21后稳定表达代谢草酸相关性酶－甲酰辅酶A 转移酶（FCAT）对草酸具有降解效能。Chen Z 等［24］将食草酸杆菌中草酸降解基因frc及oxc克隆，成功构建了真核表达载体并转染至小鼠肠干细胞，使肠表皮细胞获得草酸降解能力。Figueiredo M C［25］将F.velutipes 和B.subtilis 中 的oxc基因克隆，成功构建真核表达载体并转染至猫肾细胞，后者获得显著的草酸降解能力。这些研究为预防和治疗高草酸尿症和草酸钙结石提供了新的思路。

5 展望

草酸降解益生菌的开发以及筛选对其他一些营养代谢类疾病的治疗以及防控打开一个新的方向。但由于微生物的移植成功的机制尚未阐明。微生物移植到其他动物比先前原有的这些微生物的动物体内复杂得多。因此，整个菌群的移植的疗效，必须在所得的移植微生物群的组成和所转移的微生物的持久性等几个方面进行评估。而草酸降解基因工程菌的构建虽然为预防和治疗高草酸尿症和草酸钙结石提供了新的思路，但其表达量及酶的活性还需要进一步提高。

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