腸道菌群與宿主之間的共生關係賦予健康個體代謝、免疫和腸道保護功能。這種相互作用在很大程度上取決於營養狀況和生活習慣等因素。飲食是塑造腸道微生態系統的主要驅動力，它們為特定種類的細菌提供選擇性生長優勢。長期的飲食干預可以調節人體腸道菌群的組成和功能。腸道微生物代謝產生不同的代謝產物，包括對宿主有益的維生素和短鏈脂肪酸，也可能產生一些對宿主有害的毒素。因此，腸道微生物的代謝活性會對宿主健康產生重要影響，可能是有益的，也可能是有害的。
膳食纖維的代謝
腸道微生物產生的酶能夠將膳食纖維分解成簡單的小分子，使其易於被宿主和微生物利用。膳食纖維可以逃過宿主消化酶的消化，到達結腸，在那裡被一些特定的細菌所降解。複雜多糖，包括抗性澱粉和不可消化的植物細胞壁多糖，首先被細菌分泌的酶水解成較簡單的單糖。硬壁菌門的布氏瘤胃球菌是結腸中降解抗性澱粉的主要細菌，偏愛α-(1,4)連接的低聚糖。植物細胞壁多糖、纖維素和半纖維素也被特定的分解纖維素的細菌代謝，其中大多數屬於瘤胃球菌屬、梭菌屬、真桿菌屬和擬桿菌屬。膳食纖維代謝的最終產物是短鏈脂肪酸（主要是乙酸、丙酸和丁酸）以及氣體（比如二氧化碳、氫氣和甲烷）。腸道微生物代謝是在厭氧的微環境中進行的，而且與其它微生物交互作用，一種菌的代謝產物可能成為另一種菌的發酵底物。例如，青春雙歧桿菌可以利用澱粉產生乙酸、乳酸和甲酸，它們又可以被霍氏真桿菌（E. Hallii）再利用，這是一種利用乳酸的細菌，但是它不能直接利用澱粉。
短鏈脂肪酸代謝
膳食纖維在腸道內經過細菌厭氧發酵，產生丁酸、丙酸和乙酸等短鏈脂肪酸。可以發酵產生短鏈脂肪酸的膳食纖維包括低聚果糖、菊粉、發芽大麥食品、水解瓜爾膠、燕麥麩、玉米澱粉等。丁酸是腸道微生物發酵產生的最重要的短鏈脂肪酸，健康人結腸中兩大產丁酸的細菌是隸屬於硬壁菌門的普氏棲糞桿菌和直腸真桿菌。與擁有正常菌群的小鼠相比，無菌小鼠的結腸上皮細胞嚴重能量不足，而擁有正常菌群的小鼠未出現這種能量不足，可能是由於短鏈脂肪酸的產生增加。
除了作為能量來源外，短鏈脂肪酸還在各種信號通路的激活中發揮作用，涉及食慾控制、炎症、腸道運動以及通過增加脂肪酸氧化和適應性產熱作用來消耗能量。短鏈脂肪酸，尤其是丁酸，通過脂肪酸受體GPR41和GPR43傳遞其信號，參與調節食慾激素，包括肽YY和胰高血糖素樣肽-1，這表明腸道微生物產生的短鏈脂肪酸在控制飽腹感和食物攝入方面的作用。丁酸還通過調節多種轉錄因子的活性而顯示出抗腫瘤和抗炎症的作用。短鏈脂肪酸對氧化應激也具有保護作用，因為丁酸可以增強谷胱甘肽-S-轉移酶和過氧化氫酶的活性。
乙酸和丙酸是腸道微生物代謝產生的另外兩種主要的短鏈脂肪酸。產生的乙酸要麼轉化為乙醯輔酶A，然後進入三羧酸循環產生ATP，要麼作為膽固醇合成的底物。丙酸的產生主要與擬桿菌門和韋榮球菌科（硬壁菌門）的細菌有關，這些細菌利用己糖通過琥珀酸途徑或丙烯酸途徑生產丙酸和丙醇。在結腸中產生的乙酸和丙酸都被運輸到肝臟，在那裡它們被用作脂肪生成和糖異生的底物。擁有正常菌群的小鼠肝臟中存儲的甘油三酯水平更高，極低密度脂蛋白膽固醇也增加，它將甘油三酯從肝臟運輸到其它組織。
宿主來源的底物的代謝
人類腸道中的大多數細菌物種都是從膳食成分的新陳代謝中獲取能量，但也有少數特殊的細菌物種能夠利用內源性底物，比如宿主酶、脫落的腸細胞和黏蛋白來獲取能量。黏蛋白是腸上皮的保護屏障，由富含絲氨酸和蘇氨酸殘基的多肽核心組成，通過O-或N-糖苷鍵與低聚糖相連。其中，低聚糖由四種初級糖組成，包括N-乙醯葡萄糖胺、N-乙醯半乳糖胺、半乳糖和岩藻糖，末端是唾液酸或硫酸基。黏蛋白層是腸道細菌潛在的生長和能量底物。人類腸道中降解黏蛋白的特定細菌是嗜黏蛋白阿克曼氏菌，隸屬於疣微菌門。多形擬桿菌在碳水化合物充足的時候會利用食物中的碳水化合物，在碳水化合物缺乏的情況下也能消化宿主的黏液層。此外，擬桿菌屬細菌物種也參與利用多種宿主來源的多糖。腸道微生物和黏蛋白層之間的相互作用也可以通過在腸道內較長時間的保留食物成分，來改變腸道運動和食物通過整個腸道所需要的時間。硬壁菌門的細菌物種，包括腸道羅斯氏菌（Roseburia intestinalis）、溶纖維丁酸弧菌（B. Fibrisolvens）、R. champanellensis、生黃瘤胃球菌（R. flavefaciens）和白色瘤胃球菌（R. albus），可以編碼多種酶，比如糖苷水解酶、轉移酶、裂解酶和碳水化合物酯酶，這些酶可以降解多種宿主來源的複雜多糖。細菌細胞利用內源性底物作為能量來源的能力使它們在飲食攝入減少期間具有競爭優勢，而微生物代謝為宿主提供各種有用的代謝物。
氫的代謝
氫是大多數纖維分解菌的主要代謝終產物之一，氫的積累會抑制細菌細胞內氧化還原過程中輔酶的再氧化，最終抑制纖維降解，因此必須進行氫的清除。氫可以被腸道中的一些耗氫微生物所利用，人類腸道中三種主要的耗氫微生物是產甲烷菌、產乙酸菌和硫酸鹽還原菌。產甲烷細菌利用氫和二氧化碳或甲酸來產生甲烷。據報道，甲烷的作用類似於神經肌肉遞質，可以減少腸道蠕動和轉運時間。產乙酸細菌利用氫氣和二氧化碳以及碳水化合物產生乙酸。硫酸鹽還原菌會產生硫化氫。一項對來自25名健康個體的結腸活檢樣本的分析表明，所有人都攜帶了所有三種耗氫微生物，其中產甲烷菌約占50%。耗氫微生物在腸道內的分布並不均勻，硫酸鹽還原菌主要分布在右半結腸，而產乙酸菌主要分布在左半結腸和直腸。
維生素的合成
腸道微生物能夠合成許多人體必需的代謝物，包括維生素，比如葉酸、核黃素和維生素K，這些都是人體最佳功能所必需的。雙歧桿菌屬細菌物種，比如短雙歧桿菌、長雙歧桿菌和青春雙歧桿菌以及一些乳酸桿菌，比如植物桿菌，是人體腸道中葉酸的主要產生菌。葉酸是一種B族維生素，由6-羥甲基-7,8-二氫喋呤焦磷酸（DHPPP）和對氨基苯甲酸（pABA）從頭合成的。雙歧桿菌基因組的研究表明，它們能夠產生分支酸，這是合成葉酸的前體。這些細菌也表達合成DHPPP和pABA所需要的基因。枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的細菌細胞可以利用鳥苷三磷酸（GTP）和D-核酮糖-5-磷酸為前體合成核黃素（維生素B2）。除了B族維生素以外，腸道微生物在合成維生素K方面也起著非常重要的作用。據估計，每日所需維生素K的一半是由腸道細菌產生的。脆弱擬桿菌、遲緩真桿菌（E. Lentum）、丙酸桿菌屬、韋榮球菌屬和腸球菌屬細菌是參與合成維生素K的主要腸道細菌。
胺基酸代謝
腸道細菌在維持宿主胺基酸穩態方面也起著重要作用。在胃腸道中，宿主和細菌蛋白酶將內源性蛋白質和飲食中的蛋白質水解成多肽和胺基酸。釋放的多肽和胺基酸又被腸道細菌和宿主進一步利用。腸道中胺基酸代謝最重要的作用是產生短鏈脂肪酸。乙酸由甘氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、賴氨酸、鳥氨酸和天冬氨酸產生；丁酸由蘇氨酸、谷氨酸和賴氨酸產生，而丙酸主要由蘇氨酸產生。支鏈胺基酸（比如亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸）會產生支鏈脂肪酸，比如戊酸、異丁酸和異戊酸。細菌代謝也會產生生物胺，比如屍胺和胍丁胺，它們分別是賴氨酸和精氨酸的脫羧產物。胍丁胺可導致組織cAMP水平升高，可以複製熱量限制對體重減輕的影響。腸道細菌也參與胺基酸的從頭合成。牛鏈球菌（Streptococcus bovis）、反芻月形單胞菌（Selenomonas ruminantium）和布氏普雷沃氏菌（Prevotella bryantii）等細菌可以在人類腸道內合成胺基酸。因此，調節宿主的飲食蛋白模式可能會改變腸道微生物的組成及其代謝途徑，從而可能影響宿主的代謝。
脂肪酸代謝的調節
腸道細菌代謝在調節宿主體內脂肪酸代謝方面起著非常重要的作用。腸道細菌發酵產生的短鏈脂肪酸可以調節脂肪酸合成、脂肪酸氧化和脂肪分解之間的平衡。結腸細菌產生的乙酸被運送到肝臟，在那裡它被用作能量來源，也被用作合成膽固醇和長鏈脂肪酸的底物。短鏈脂肪酸與游離脂肪酸受體FFAR2和FFAR3結合，控制參與脂肪酸代謝的各種生理過程。短鏈脂肪酸與FFAR2受體結合導致G(i/o)蛋白活化，通過抑制腺苷酸環化酶降低蛋白激酶A的活性，進而導致激素敏感性脂肪酶的去磷酸化和失活，這會抑制脂肪組織中甘油三酯的分解。短鏈脂肪酸還在調節白色脂肪組織中脂肪的存儲方面發揮作用。丁酸和丙酸對FFAR2的激活通過抑制Akt的磷酸化來抑制胰島素信號通路，進而抑制脂肪組織中的脂肪存儲。短鏈脂肪酸，尤其是乙酸和丙酸，也會增加褐色脂肪組織中UCP-1的水平，導致脂肪酸氧化和產熱作用進一步增加。肝臟甘油三酯的減少以及脂肪酸氧化相關基因水平的增加，導致總能量消耗的增加。除了FFAR2和FFAR3受體外，AMP活化蛋白激酶（AMPK）也在脂肪酸代謝調控中發揮重要作用。乙酸介導的AMPK激活可以觸發過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）的表達，從而控制一些參與調節脂肪酸代謝的轉錄因子的轉錄激活，比如過氧化物酶體增殖物激活受體PPAR-α、PPAR-β、PPAR-γ、肝X受體和法尼酯X受體。因此，腸道細菌代謝產生的短鏈脂肪酸不僅會增加脂肪酸氧化，還會抑制脂肪酸合成和脂肪分解。
膽汁酸代謝對膽固醇穩態的調節
腸道菌群通過膽汁酸的從頭合成和腸肝循環改變膽汁酸的代謝，在膽固醇穩態中發揮重要作用。肝細胞以膽固醇為原料直接合成膽汁酸，包括膽酸和鵝脫氧膽酸，它們與甘氨酸或牛磺酸結合形成結合型膽汁酸，這些是初級膽汁酸。膽汁酸可以分泌到小腸中，以幫助消化和吸收脂肪。大部分膽汁酸（90-95%）在迴腸末端被重新吸收，通過門靜脈重新返回肝臟完成肝腸循環。未參與腸肝循環的膽汁酸可以被腸道細菌轉化為次級膽汁酸，包括脫氧膽酸和石膽酸，它們可以逃過腸道的重新吸收，並排出體外。膽汁酸的合成增加可以降低血清膽固醇的水平。此外，腸道細菌產生的次級膽汁酸從腸道被吸收進入血液循環。它們結合到細胞受體，比如法尼酯X受體、G蛋白偶聯受體，參與維持葡萄糖穩態。次級膽汁酸激活褐色脂肪組織和肌肉中的Takeda G蛋白偶聯受體5可以增加能量消耗，防止飲食誘導的肥胖。腸道中雙歧桿菌科的細菌也可以通過維持高密度脂蛋白膽固醇水平來調節膽固醇穩態。一些研究證實了雙歧桿菌和乳酸桿菌的降膽固醇作用。飲食干預可以調節腸道細菌與宿主代謝的相互作用，進而可能改善膽固醇的穩態。
異源物質的代謝
腸道微生物參與釋放和轉化一系列藥物和飲食來源的異源物質。異源物質代謝主要發生在肝臟，肝臟酶通過氧化、還原和/或水解來改變異源物質。然後，另一種叫做UDP-葡萄糖醛酸轉移酶的酶將它們與葡萄糖醛酸等帶電荷的物質結合，產生一種很容易隨膽汁或尿液排出的極性分子。腸道細菌，比如雙歧桿菌、乳酸桿菌和大腸桿菌，也能夠代謝結腸內的異源物質。腸道細菌可以將一些無活性的治療藥物（也就是藥物前體）和食物來源的化合物轉化為它們的活性形式。例如，柳氮磺吡啶是水楊酸和磺胺吡啶的偶氮化合物，具有抗菌、抗風濕和免疫抑制作用，這一藥物被腸道細菌分解釋放出活性的5-氨基水楊酸。蔬菜、穀物、咖啡和許多其它植物都含有抗氧化劑和抗炎化合物等生物活性物質，它們需要通過腸道微生物的生物轉化而激活。阿魏酸是一種有效的抗氧化劑，存在於穀物麩皮中，可以在腸道細菌的作用下轉化為活性的4-羥基苯基丙酸。腸道微生物的代謝也可以將體內的異源物質解毒。地高辛是一種強心苷類藥物，具有毒性，腸道中的緩慢愛格士菌（Eggerthella lenta）編碼的強心苷還原酶可以使地高辛失活，產生一種藥理上無活性的代謝物二氫地高辛，它不能與目標心臟受體結合。然而，腸道細菌對異源物質的代謝也可能對宿主產生有害的影響。肝臟產生的葡糖苷酸在結腸細菌β-葡糖苷酸酶的作用下會釋放出毒性部分，從而導致疾病病理髮生。大腸癌藥物伊立替康在體內轉化為活性的代謝產物SN-38發揮作用，SN-38可在肝臟中轉化為SN-38-G而解毒，然而腸道細菌產生的β-葡糖苷酸酶又將其轉化回SN-38而誘導細胞毒性，導致胃腸道副作用。腸道微生物的另一種潛在的重要作用方式是直接與異源物質結合。在帕金森病患者中的研究發現，幽門螺旋桿菌可直接與藥物左旋多巴結合，這不僅降低了藥物的生物利用率和吸收，而且導致藥物失活。
人類宿主與其共生微生物共同組成一個「超級生物體」。人體的新陳代謝是由宿主自身基因組以及微生物基因組調節的代謝過程共同完成的。腸道菌群是人體內最複雜和種群數量最高的共生微生物生態系統，無論是在健康狀態下還是在疾病狀態下，人體生理代謝過程都不可避免地受到腸道菌群結構變化的影響。「彼之砒霜、吾之蜜糖」，我們攝入同樣的食物，可能因為腸道菌群的差異而發生不同的代謝過程，產生不同的代謝產物，或有益健康，或導致疾病。因此，深入了解腸道菌群與宿主代謝之間的相互作用，對於預防和治療一些代謝相關疾病以及提高宿主健康水平具有重要意義。
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