動物的谷氨酰胺營養(yǎng)

朱習(xí)春

　　谷氨酰胺(Gln)是哺乳動物血漿中含量最豐富的一種游離氨基酸，是腎臟中氨合成和肝臟中尿素合成的氮的載體。在許多細(xì)胞中谷氨酰胺的濃度也相對較高，是細(xì)胞內(nèi)氨的清除劑和生物合成許多重要物質(zhì)如核酸、氨基糖和氨基酸氮的供體(張軍民，2000)。谷氨酸胺可為多種快速分裂細(xì)胞如腸粘膜上皮細(xì)胞和活化的淋巴細(xì)胞等提供能源，在促進(jìn)受損腸道的修復(fù)以及維持正常的局部免疫功能中發(fā)揮著其它氨基酸不可替代的重要作用(彭健等，2000)。
　　近年來，谷氨酰胺因其獨特且復(fù)雜的生理功能逐漸成為營養(yǎng)學(xué)、生理學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域?qū)ρ芯繜狳c。許多研究表明，動物處于應(yīng)激或病理狀態(tài)下，內(nèi)源合成的谷氨酰胺不能滿足需要，甚至?xí)l(fā)生體內(nèi)谷氨酰腔的耗竭，此時必須由外源補充。鑒于此，可認(rèn)為谷氨酰胺是一種條件性必需氨基酸(Conditionally Essential Amino Acid)，在某些條件下谷氨酰胺能阻止腸道萎縮(NRC，1998)。
　　L 谷氨酰胺的代謝
　　谷氨酰胺是一種中性氨基酸，分子式為 C5H10O3N2.，分子量146，它具有一個α一氨基和一個易水解的末端酰氨基。與其它氨基酸相比，谷氨酰胺遇熱不穩(wěn)，對酸性環(huán)境敏感。運用傳統(tǒng)_氨基酸分析方法檢測谷氨酰胺比較困難。
　　谷氨酰胺的代謝主要受谷氨酰胺合成酶和谷氨酰胺酶的調(diào)節(jié)。前者催化谷氨酸(鹽)和氨合成谷氨酰胺，主要存在于骨骼肌和腦組織;后者催化谷氨酸腹水解為谷氨酸和氨，主要存在于一些快速增殖、分化的細(xì)胞中，如粘膜細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等。
　　動物體內(nèi)谷氨酰胺的主要合成部位是骨骼肌，降解利用主要發(fā)生于小腸。肝臟既能合成又能降解谷氨酰胺，對血液系統(tǒng)中的谷氨酰膠起一種調(diào)節(jié)作用。此外，谷氨酰胺也能在腦、腎臟和一些免疫細(xì)胞進(jìn)行代謝，但量較小。
　　1.1 谷氨酰胺的合成
　　骨骼肌是谷氨酰胺合成及儲存的主要組織。在骨骼肌細(xì)胞內(nèi)，在谷氨酰胺合成酶的催化下，并有 ATP和 Mg2+參與，谷氨酸和氨結(jié)合生成谷氨酰胺。活體和離體試驗都已表明，骨骼肌在其代謝過程中釋放大量的谷氨酰胺，因而認(rèn)為谷氨酰胺在骨骼肌中主要進(jìn)行合成代謝。骨骼肌生成的谷氨酰胺主要來源于骨骼肌蛋白降解產(chǎn)生的天冬氨酸、天冬酰胺。谷氨酸、異亮氨酸和纈氨酸;亮氨酸和降解的核酸也能提供部分氨基。
　　谷氨酰胺是骨骼肌細(xì)胞自由氨基代謝池中最豐富的氨基酸，約占整個氨基酸總量的61%，濃度大約為血漿中谷氨酰胺濃度的30倍，此濃度梯度有利于谷氨酰胺由骨骼肌進(jìn)入血液循環(huán)，進(jìn)而被轉(zhuǎn)運至小腸和肝等器官進(jìn)行代謝。
　　在谷氨酰胺合成酶以及Mg2+或Mn2+的催化和ATP供能條件下，大腦線粒體中的氨與谷氨酸縮合成谷氨酰胺。谷氨酰胺的生成是腦內(nèi)解氨毒的主要途徑。
　　1.2 谷氨酰胺的降解
　　小腸是利用谷氨酰胺的主要器官。研究表明，谷氨酰胺通過高度親和的Na+依賴性載體系統(tǒng)進(jìn)入腸上皮細(xì)胞，正常生理條件下，這是谷氨酰胺轉(zhuǎn)運的主要途徑。在電解質(zhì)紊亂情況下，可能低親和性的非Na+依賴性載體系統(tǒng)也起作用。
　　小腸粘膜細(xì)胞具有相當(dāng)高的谷氨酰胺酶活性，是谷氨酰胺代謝的主場所，但研究表明，谷氨酰胺在小腸粘膜細(xì)胞僅有很少比例被充分氧化。飼糧有動脈中的谷氨酰胺進(jìn)入腸粘膜細(xì)胞后，在線粒體谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸和氨。生成的氨大部分進(jìn)入門脈系統(tǒng)，后被肝攝取轉(zhuǎn)化成尿素。生成的谷氨酸則通過以下途徑進(jìn)行代謝：①在腦液中經(jīng)谷一丙轉(zhuǎn)氨酶或谷氨酸脫氫酶作用后生成α-酮戊二酸，后者轉(zhuǎn)變?yōu)椴菟嵋宜?，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。由谷氨酰胺來源的丙酮酸很少?jīng)三羧酸循環(huán)(TCA)氧化。Newsholme認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于谷氨酰胺氧化產(chǎn)生的大量ATP反饋抑制了谷氨酰胺的利用率;②經(jīng)Δ1一吡咯啉一5一羧酸生成脯氨酸、鳥氨酸和瓜氨酸。瓜氨酸可用于合成精氨酸，而鳥氨酸經(jīng)一系列酶促反應(yīng)生成一類具有重要生物學(xué)活性的多胺類物質(zhì)。此兩種代謝途徑以前一種較為重要。
　　肝臟既含谷氨酰胺酶又含谷氨酰胺合成酶，兩者的協(xié)調(diào)作用對維持血液中谷氨酰胺的濃度平衡具有重要作用。完整的肝腺泡中僅門脈周圍的細(xì)胞發(fā)現(xiàn)有尿素合成酶和谷氨酰胺酶存在，而谷氨酰胺合成酶則位于靜脈的周圍細(xì)胞。這種細(xì)胞間的間隔有利于攝取門脈中的氟合成尿素，未合成尿素的氨在進(jìn)入血液循環(huán)前被靜脈周圍的高親和力的氨清除細(xì)胞所捕獲，再被用于合成谷氨酰胺。
　　門脈中氨的水平可調(diào)節(jié)門脈外周谷氨酰胺酶的活性，成為肝中谷氨酰胺代謝的調(diào)節(jié)因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運也是肝中谷氨酰胺代謝的限制因子。當(dāng)機體處于分解代謝時，肝臟的谷氨酰胺數(shù)量和流向發(fā)生改變，尿素合成受抑，谷氨酰胺合成酶活性增強，肝臟利用氟合成谷氨酰胺，最終有利于緩解骨骼肌蛋白質(zhì)的降解程度。
　　腎臟和腸粘膜淋巴細(xì)胞也可利用部分谷氨酰胺。腎臟中谷氨酰胺的代謝主要是生成氨，對調(diào)節(jié)機體酸堿平衡具有重要作用，谷氨酰胺在腸粘膜淋巴細(xì)胞的代謝主要是作為其能量來源和核酸、蛋白質(zhì)等合成的供體。
　　2 谷氨酰胺的營養(yǎng)
　　2.1 谷氨酰胺是條件性必需氨基酸
　　研究表明，谷氨酰胺在某些應(yīng)繳或病理條件下，可能是一種條件性必需氨基酸。理由是谷氨酰胺支持腸道粘膜細(xì)胞的代謝需要，是嘧啶和嘌呤核苷酸以及氨基糖合成的前體物。許多研究證明，谷氨酰胺在健康狀態(tài)下是非必需的，但在饑餓、化療、輻射療法等導(dǎo)致小腸粘膜受損或谷氨酰胺耗竭情況下，對腸道而言它是必需的。
　　在某些應(yīng)激或疾病情況下，谷氨酰胺可以維持或恢復(fù)腸道功能和結(jié)構(gòu)的完整性。谷氨酰胺缺乏會導(dǎo)致骨骼肌谷氨酰胺耗竭，血中含量下降，腸粘膜萎縮或功能紊亂。飼糧中補充谷氨酰胺，可以糾正谷氨酰胺的耗竭，增強細(xì)胞利用，同時改善和提高腸粘膜形態(tài)和功能。
　　2.2 腸道的谷氨酰胺營養(yǎng)
　　谷氨酰胺在維持小腸代謝、結(jié)構(gòu)和功能上起重要的作用(張軍民，1999)。谷氨酰胺既能作為腸粘膜細(xì)胞能量代謝的底物，又能為快速周轉(zhuǎn)的蛋白質(zhì)和核酸提供原料。谷氨酰胺利用率下降會降低細(xì)胞增殖率，只有小腸上皮細(xì)胞谷氨酸胺的利用率相當(dāng)高時，才能確保細(xì)胞分化和粘膜細(xì)胞的更新。
　　研究發(fā)現(xiàn)，注入外源谷氨酰胺酶，誘導(dǎo)血漿中谷氨酰胺耗竭，將會導(dǎo)致小腸粘膜的水腫，潰瘍和部分壞死。許多研究也表明，含有谷氨酰胺的全胃腸外營養(yǎng)(TPN)可提高腸粘膜細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺酶的活性，刺激腸道粘膜細(xì)胞對谷氨酰胺的利用，增加空腸粘膜重和 DNA含量，減少與常規(guī)靜脈灌注相聯(lián)系的絨毛萎縮，而且谷氨酰胺與表皮生長因子(EGF)具有協(xié)同作用。另有研究表明，含谷氨酰胺的TPN增加了腸道絨毛長度和氮含量。Salloum等證實，饑餓后基礎(chǔ)飼糧中添加谷氨酰胺可加快腸粘膜的細(xì)胞更新。
　　2.3 免疫組織的谷氨酰胺營養(yǎng)
　　研究證明，淋巴細(xì)胞中富含高活性的谷氨酰胺酶，受到免疫刺激時，酶的活性增加。在體外培養(yǎng)大鼠腸淋巴細(xì)胞，當(dāng)培養(yǎng)基中缺乏谷氨酸胺，3H一胸腺嘧啶整合進(jìn)入DNA的速率很低，培養(yǎng)基中補充一定曼谷氨酰胺可明顯提高3H一胸腺嘧啶的整合進(jìn)入速率，因而谷氨酰胺是淋巴細(xì)胞增殖所必需的。
　　Burke等證實，TPN加速大鼠腸道細(xì)菌易位，但當(dāng)提供富含谷氨酰胺的TPN時，細(xì)胞易位下降。這與正常的IgA分泌水平以及細(xì)菌在腸細(xì)胞粘附下降相關(guān)聯(lián)，表明供應(yīng)谷氨酰胺增加了腸道免疫功能。當(dāng)大鼠飼以富含谷氨酰胺的TPN時，免疫功能增強;反之，膽汁中分泌IgA濃度下降50%，細(xì)菌于直腸粘膜的附著增加(高杰英，1998)?？诜┙o谷氨酰胺優(yōu)于靜脈灌注。
　　另外，研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺在整個宿主防御機制中有重要作用，谷氨酰胺的耗竭將導(dǎo)致整個機體的免疫抑制。
　　2.4 胰臟的谷氨酸胺營養(yǎng)
　　研究證實，腸內(nèi)供應(yīng)谷氨酸胺也支持胰臟生長及其功能。發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺能顯著增加胰臟重、DNA含量和蛋白質(zhì)含量，也可增加總的胰蛋白酶原和脂酶含量，谷氨酰胺可促使胰腺泡增生。Li等研究表明，谷氨酰胺可以防止由于過量攝入碳水化合物導(dǎo)致的脂肪肝，認(rèn)為添加谷氨酰胺可刺激胰高血糖素分泌，從而降低門脈胰島素/胰高血糖素比例，增加肝臟脂類的輸出。
　　2.5 谷氨酰胺的其它生理功能
　　谷氨酰胺可以作為一些生物活性物質(zhì)如核苷酸、氨基糖等合成的前體物。研究發(fā)現(xiàn)，在鳥嘌呤核苷酸合成中，次黃嘌呤核苷酸到鳥嘌呤核苷酸的過程中，動物細(xì)胞必須以谷氨酰胺的酷氨基作為氨基供體。合成嘧啶的氨甲酰磷酸也需谷氨酰胺提供氨基，尿嘧啶苷核酸轉(zhuǎn)變?yōu)榘奏ず塑账岬倪^程所需的氨基也來源于谷氨酰胺的酰氨基。因而，谷氨酰胺的耗竭將會使核苷酸的生物合成受阻，進(jìn)而干擾動物的新陳代謝。此外，谷氨酰胺還可為機體的結(jié)構(gòu)多糖(糖蛋白、糖脂等)提供氨基。
　　谷氨酰胺還可調(diào)節(jié)機體酸堿平衡，在保護(hù)機體、防止代謝性酸中毒中具重要作用。谷氨酰胺在腎小管上皮細(xì)胞中進(jìn)行代謝，水解產(chǎn)生的氨進(jìn)入管腔，并與H+結(jié)合生成NH4+，NH4+進(jìn)而與管腔中的強酸鹽的負(fù)離子(如 Cl-)結(jié)合成酸性銨鹽隨尿排入，在這一過程中伴隨有一分子Na+的吸收，通過上述過程谷氨酰胺可達(dá)到調(diào)節(jié)機體酸堿平衡的作用。
　　3 谷氨酰胺在斷奶仔豬營養(yǎng)中的作用
　　谷氨酰胺是母豬乳汁中一種含量非常豐富的游離氨基酸。初生至斷奶前仔豬可以從母乳中吸收包括谷氨酰胺在內(nèi)的多種營養(yǎng)活性物質(zhì)以及免疫球蛋白等。斷乳后，仔豬失去這些活性物質(zhì)來源，且必須適應(yīng)由母乳轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://ffers.com.cn/feed" target="_blank" class="relatedlink">飼料這一過程，這對仔豬是一個很大的應(yīng)激。由于斷乳仔豬不能吮食母乳和短期內(nèi)的低采食量，可能會引起谷氨酰胺的缺乏，小腸粘膜細(xì)胞不能獲得各項生理活動所需的能量，從而導(dǎo)致小腸粘膜形態(tài)、結(jié)構(gòu)的異常，絨毛長度變短且隱窩變深，導(dǎo)致生產(chǎn)性能下降(Wu等，1995)。彭健等(1999)認(rèn)為，在仔豬21～28日齡時，母乳中的谷氨酰胺分泌量已達(dá)到高峰，若在此時斷奶，加上斷奶后短期內(nèi)仔豬采食量很少，飼料利用率低，極易造成外源性谷氨酰胺匱乏，當(dāng)內(nèi)源性的谷氨酰胺也不能滿足需要時，就會導(dǎo)致斷奶后短期內(nèi)腸絨毛縮短，隱窩加深，腸道結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，造成生產(chǎn)性能低下。
　　試驗表明，外源性的谷氨酸腔在胃酸環(huán)境中不會被分解，而完整的進(jìn)入腸道，腸中谷氨酰胺的存在會明顯減少腸粘膜細(xì)胞對血液中谷氨酰胺的攝取。而且，富含谷氨酰胺的飼糧可以明顯增加腸道對谷氨酰胺的攝取，激活谷氨酰胺轉(zhuǎn)運載體，刺激腸粘膜細(xì)胞谷氨酰胺酶的活力。因而通過在飼糧中外源補充谷氨酰胺在理論上是可行的。
　　許多研究證實，飼糧中補充谷氨酰胺可以明顯改善由于斷奶應(yīng)激所造成的損害，防止腸絨毛的萎縮，維持腸道正常的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，從而提高小腸的吸收能力，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，改善仔豬的生產(chǎn)性能。Wu等(1996)在21日齡斷乳仔豬的玉米一豆粕型飼糧中分別添加 0、 0.2%、 0.6%和1.0%的游離谷氨酰胺，結(jié)果證明，添加 1.0%的谷氨酰胺在斷奶后第一周可防止空腸絨毛萎縮，第二周可提高飼料利用率。彭健等(2000)研究結(jié)果也充分表明，在斷乳仔豬飼糧中添加 1%谷氨酰胺，可防止斷乳后7天內(nèi)空腸的萎縮，維持小腸粘膜的正常結(jié)構(gòu)和功能。另外，Pluske(1996)報道，連續(xù)5d飼喂羊奶的斷乳仔豬其隱窩深度隨谷氨酰胺的采食量線性降低，上皮細(xì)胞谷氨酸胺的代謝增加。
　　4 結(jié) 語
　　隨著研究的不斷深入，對谷氨酰胺的研究已超出了傳統(tǒng)意義上的動物營養(yǎng)學(xué)范疇。大量研究結(jié)果均已證明，在某些特定條件下，谷氨酰胺是一種必需氨基酸，是多種快速分裂細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，在促進(jìn)受損腸道的修復(fù)以及維持正常的局部免疫功能中發(fā)揮著重要作用。但谷氨酰胺對胰臟內(nèi)分泌功能的調(diào)節(jié)顯然超出了營養(yǎng)學(xué)范疇。
　　健康的新生仔豬，小腸經(jīng)常受到病原微生物的侵害。形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能均發(fā)生變化，在此情況下，腸上皮細(xì)胞及腸淋巴細(xì)胞對谷氨酰胺的需要可能增加，這有待進(jìn)一步研究。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)的需要，隔離早期斷奶(SEW)將應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)實踐，斷奶日齡越來越早，這意味著仔豬所受的斷奶應(yīng)做也越來越大，因此，充分了解谷氨酰胺在仔豬營養(yǎng)中的作用，對養(yǎng)豬生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。但谷氨酰胺的復(fù)雜生理功能以及適宜添加量和添加形式等諸多問題尚需進(jìn)一步研究和探索。目前谷氨酰胺的價格本身也是限制谷氨酰胺在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用的一個因素。

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