动物的谷氨酰胺营养

朱习春

　　谷氨酰胺(Gln)是哺乳动物血浆中含量最丰富的一种游离氨基酸，是肾脏中氨合成和肝脏中尿素合成的氮的载体。在许多细胞中谷氨酰胺的浓度也相对较高，是细胞内氨的清除剂和生物合成许多重要物质如核酸、氨基糖和氨基酸氮的供体(张军民，2000)。谷氨酸胺可为多种快速分裂细胞如肠粘膜上皮细胞和活化的淋巴细胞等提供能源，在促进受损肠道的修复以及维持正常的局部免疫功能中发挥着其它氨基酸不可替代的重要作用(彭健等，2000)。
　　近年来，谷氨酰胺因其独特且复杂的生理功能逐渐成为营养学、生理学、免疫学等学科领域对研究热点。许多研究表明，动物处于应激或病理状态下，内源合成的谷氨酰胺不能满足需要，甚至会发生体内谷氨酰腔的耗竭，此时必须由外源补充。鉴于此，可认为谷氨酰胺是一种条件性必需氨基酸(Conditionally Essential Amino Acid)，在某些条件下谷氨酰胺能阻止肠道萎缩(NRC，1998)。
　　L 谷氨酰胺的代谢
　　谷氨酰胺是一种中性氨基酸，分子式为 C5H10O3N2.，分子量146，它具有一个α一氨基和一个易水解的末端酰氨基。与其它氨基酸相比，谷氨酰胺遇热不稳，对酸性环境敏感。运用传统_氨基酸分析方法检测谷氨酰胺比较困难。
　　谷氨酰胺的代谢主要受谷氨酰胺合成酶和谷氨酰胺酶的调节。前者催化谷氨酸(盐)和氨合成谷氨酰胺，主要存在于骨骼肌和脑组织;后者催化谷氨酸腹水解为谷氨酸和氨，主要存在于一些快速增殖、分化的细胞中，如粘膜细胞、淋巴细胞和内皮细胞等。
　　动物体内谷氨酰胺的主要合成部位是骨骼肌，降解利用主要发生于小肠。肝脏既能合成又能降解谷氨酰胺，对血液系统中的谷氨酰胶起一种调节作用。此外，谷氨酰胺也能在脑、肾脏和一些免疫细胞进行代谢，但量较小。
　　1.1 谷氨酰胺的合成
　　骨骼肌是谷氨酰胺合成及储存的主要组织。在骨骼肌细胞内，在谷氨酰胺合成酶的催化下，并有 ATP和 Mg2+参与，谷氨酸和氨结合生成谷氨酰胺。活体和离体试验都已表明，骨骼肌在其代谢过程中释放大量的谷氨酰胺，因而认为谷氨酰胺在骨骼肌中主要进行合成代谢。骨骼肌生成的谷氨酰胺主要来源于骨骼肌蛋白降解产生的天冬氨酸、天冬酰胺。谷氨酸、异亮氨酸和缬氨酸;亮氨酸和降解的核酸也能提供部分氨基。
　　谷氨酰胺是骨骼肌细胞自由氨基代谢池中最丰富的氨基酸，约占整个氨基酸总量的61%，浓度大约为血浆中谷氨酰胺浓度的30倍，此浓度梯度有利于谷氨酰胺由骨骼肌进入血液循环，进而被转运至小肠和肝等器官进行代谢。
　　在谷氨酰胺合成酶以及Mg2+或Mn2+的催化和ATP供能条件下，大脑线粒体中的氨与谷氨酸缩合成谷氨酰胺。谷氨酰胺的生成是脑内解氨毒的主要途径。
　　1.2 谷氨酰胺的降解
　　小肠是利用谷氨酰胺的主要器官。研究表明，谷氨酰胺通过高度亲和的Na+依赖性载体系统进入肠上皮细胞，正常生理条件下，这是谷氨酰胺转运的主要途径。在电解质紊乱情况下，可能低亲和性的非Na+依赖性载体系统也起作用。
　　小肠粘膜细胞具有相当高的谷氨酰胺酶活性，是谷氨酰胺代谢的主场所，但研究表明，谷氨酰胺在小肠粘膜细胞仅有很少比例被充分氧化。饲粮有动脉中的谷氨酰胺进入肠粘膜细胞后，在线粒体谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸和氨。生成的氨大部分进入门脉系统，后被肝摄取转化成尿素。生成的谷氨酸则通过以下途径进行代谢：①在脑液中经谷一丙转氨酶或谷氨酸脱氢酶作用后生成α-酮戊二酸，后者转变为草酸乙酸，继而转变为丙酮酸。由谷氨酰胺来源的丙酮酸很少经三羧酸循环(TCA)氧化。Newsholme认为这种现象是由于谷氨酰胺氧化产生的大量ATP反馈抑制了谷氨酰胺的利用率;②经Δ1一吡咯啉一5一羧酸生成脯氨酸、鸟氨酸和瓜氨酸。瓜氨酸可用于合成精氨酸，而鸟氨酸经一系列酶促反应生成一类具有重要生物学活性的多胺类物质。此两种代谢途径以前一种较为重要。
　　肝脏既含谷氨酰胺酶又含谷氨酰胺合成酶，两者的协调作用对维持血液中谷氨酰胺的浓度平衡具有重要作用。完整的肝腺泡中仅门脉周围的细胞发现有尿素合成酶和谷氨酰胺酶存在，而谷氨酰胺合成酶则位于静脉的周围细胞。这种细胞间的间隔有利于摄取门脉中的氟合成尿素，未合成尿素的氨在进入血液循环前被静脉周围的高亲和力的氨清除细胞所捕获，再被用于合成谷氨酰胺。
　　门脉中氨的水平可调节门脉外周谷氨酰胺酶的活性，成为肝中谷氨酰胺代谢的调节因素之一。研究发现，谷氨酰胺的转运也是肝中谷氨酰胺代谢的限制因子。当机体处于分解代谢时，肝脏的谷氨酰胺数量和流向发生改变，尿素合成受抑，谷氨酰胺合成酶活性增强，肝脏利用氟合成谷氨酰胺，最终有利于缓解骨骼肌蛋白质的降解程度。
　　肾脏和肠粘膜淋巴细胞也可利用部分谷氨酰胺。肾脏中谷氨酰胺的代谢主要是生成氨，对调节机体酸碱平衡具有重要作用，谷氨酰胺在肠粘膜淋巴细胞的代谢主要是作为其能量来源和核酸、蛋白质等合成的供体。
　　2 谷氨酰胺的营养
　　2.1 谷氨酰胺是条件性必需氨基酸
　　研究表明，谷氨酰胺在某些应缴或病理条件下，可能是一种条件性必需氨基酸。理由是谷氨酰胺支持肠道粘膜细胞的代谢需要，是嘧啶和嘌呤核苷酸以及氨基糖合成的前体物。许多研究证明，谷氨酰胺在健康状态下是非必需的，但在饥饿、化疗、辐射疗法等导致小肠粘膜受损或谷氨酰胺耗竭情况下，对肠道而言它是必需的。
　　在某些应激或疾病情况下，谷氨酰胺可以维持或恢复肠道功能和结构的完整性。谷氨酰胺缺乏会导致骨骼肌谷氨酰胺耗竭，血中含量下降，肠粘膜萎缩或功能紊乱。饲粮中补充谷氨酰胺，可以纠正谷氨酰胺的耗竭，增强细胞利用，同时改善和提高肠粘膜形态和功能。
　　2.2 肠道的谷氨酰胺营养
　　谷氨酰胺在维持小肠代谢、结构和功能上起重要的作用(张军民，1999)。谷氨酰胺既能作为肠粘膜细胞能量代谢的底物，又能为快速周转的蛋白质和核酸提供原料。谷氨酰胺利用率下降会降低细胞增殖率，只有小肠上皮细胞谷氨酸胺的利用率相当高时，才能确保细胞分化和粘膜细胞的更新。
　　研究发现，注入外源谷氨酰胺酶，诱导血浆中谷氨酰胺耗竭，将会导致小肠粘膜的水肿，溃疡和部分坏死。许多研究也表明，含有谷氨酰胺的全胃肠外营养(TPN)可提高肠粘膜细胞内谷氨酰胺酶的活性，刺激肠道粘膜细胞对谷氨酰胺的利用，增加空肠粘膜重和 DNA含量，减少与常规静脉灌注相联系的绒毛萎缩，而且谷氨酰胺与表皮生长因子(EGF)具有协同作用。另有研究表明，含谷氨酰胺的TPN增加了肠道绒毛长度和氮含量。Salloum等证实，饥饿后基础饲粮中添加谷氨酰胺可加快肠粘膜的细胞更新。
　　2.3 免疫组织的谷氨酰胺营养
　　研究证明，淋巴细胞中富含高活性的谷氨酰胺酶，受到免疫刺激时，酶的活性增加。在体外培养大鼠肠淋巴细胞，当培养基中缺乏谷氨酸胺，3H一胸腺嘧啶整合进入DNA的速率很低，培养基中补充一定曼谷氨酰胺可明显提高3H一胸腺嘧啶的整合进入速率，因而谷氨酰胺是淋巴细胞增殖所必需的。
　　Burke等证实，TPN加速大鼠肠道细菌易位，但当提供富含谷氨酰胺的TPN时，细胞易位下降。这与正常的IgA分泌水平以及细菌在肠细胞粘附下降相关联，表明供应谷氨酰胺增加了肠道免疫功能。当大鼠饲以富含谷氨酰胺的TPN时，免疫功能增强;反之，胆汁中分泌IgA浓度下降50%，细菌于直肠粘膜的附着增加(高杰英，1998)。口服供给谷氨酰胺优于静脉灌注。
　　另外，研究发现，谷氨酰胺在整个宿主防御机制中有重要作用，谷氨酰胺的耗竭将导致整个机体的免疫抑制。
　　2.4 胰脏的谷氨酸胺营养
　　研究证实，肠内供应谷氨酸胺也支持胰脏生长及其功能。发现谷氨酰胺能显著增加胰脏重、DNA含量和蛋白质含量，也可增加总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过量摄入碳水化合物导致的脂肪肝，认为添加谷氨酰胺可刺激胰高血糖素分泌，从而降低门脉胰岛素/胰高血糖素比例，增加肝脏脂类的输出。
　　2.5 谷氨酰胺的其它生理功能
　　谷氨酰胺可以作为一些生物活性物质如核苷酸、氨基糖等合成的前体物。研究发现，在鸟嘌呤核苷酸合成中，次黄嘌呤核苷酸到鸟嘌呤核苷酸的过程中，动物细胞必须以谷氨酰胺的酷氨基作为氨基供体。合成嘧啶的氨甲酰磷酸也需谷氨酰胺提供氨基，尿嘧啶苷核酸转变为胞嘧啶核苷酸的过程所需的氨基也来源于谷氨酰胺的酰氨基。因而，谷氨酰胺的耗竭将会使核苷酸的生物合成受阻，进而干扰动物的新陈代谢。此外，谷氨酰胺还可为机体的结构多糖(糖蛋白、糖脂等)提供氨基。
　　谷氨酰胺还可调节机体酸碱平衡，在保护机体、防止代谢性酸中毒中具重要作用。谷氨酰胺在肾小管上皮细胞中进行代谢，水解产生的氨进入管腔，并与H+结合生成NH4+，NH4+进而与管腔中的强酸盐的负离子(如 Cl-)结合成酸性铵盐随尿排入，在这一过程中伴随有一分子Na+的吸收，通过上述过程谷氨酰胺可达到调节机体酸碱平衡的作用。
　　3 谷氨酰胺在断奶仔猪营养中的作用
　　谷氨酰胺是母猪乳汁中一种含量非常丰富的游离氨基酸。初生至断奶前仔猪可以从母乳中吸收包括谷氨酰胺在内的多种营养活性物质以及免疫球蛋白等。断乳后，仔猪失去这些活性物质来源，且必须适应由母乳转变为饲料这一过程，这对仔猪是一个很大的应激。由于断乳仔猪不能吮食母乳和短期内的低采食量，可能会引起谷氨酰胺的缺乏，小肠粘膜细胞不能获得各项生理活动所需的能量，从而导致小肠粘膜形态、结构的异常，绒毛长度变短且隐窝变深，导致生产性能下降(Wu等，1995)。彭健等(1999)认为，在仔猪21～28日龄时，母乳中的谷氨酰胺分泌量已达到高峰，若在此时断奶，加上断奶后短期内仔猪采食量很少，饲料利用率低，极易造成外源性谷氨酰胺匮乏，当内源性的谷氨酰胺也不能满足需要时，就会导致断奶后短期内肠绒毛缩短，隐窝加深，肠道结构和功能遭到破坏，造成生产性能低下。
　　试验表明，外源性的谷氨酸腔在胃酸环境中不会被分解，而完整的进入肠道，肠中谷氨酰胺的存在会明显减少肠粘膜细胞对血液中谷氨酰胺的摄取。而且，富含谷氨酰胺的饲粮可以明显增加肠道对谷氨酰胺的摄取，激活谷氨酰胺转运载体，刺激肠粘膜细胞谷氨酰胺酶的活力。因而通过在饲粮中外源补充谷氨酰胺在理论上是可行的。
　　许多研究证实，饲粮中补充谷氨酰胺可以明显改善由于断奶应激所造成的损害，防止肠绒毛的萎缩，维持肠道正常的形态和结构，从而提高小肠的吸收能力，促进营养物质的吸收利用，改善仔猪的生产性能。Wu等(1996)在21日龄断乳仔猪的玉米一豆粕型饲粮中分别添加 0、 0.2%、 0.6%和1.0%的游离谷氨酰胺，结果证明，添加 1.0%的谷氨酰胺在断奶后第一周可防止空肠绒毛萎缩，第二周可提高饲料利用率。彭健等(2000)研究结果也充分表明，在断乳仔猪饲粮中添加 1%谷氨酰胺，可防止断乳后7天内空肠的萎缩，维持小肠粘膜的正常结构和功能。另外，Pluske(1996)报道，连续5d饲喂羊奶的断乳仔猪其隐窝深度随谷氨酰胺的采食量线性降低，上皮细胞谷氨酸胺的代谢增加。
　　4 结 语
　　随着研究的不断深入，对谷氨酰胺的研究已超出了传统意义上的动物营养学范畴。大量研究结果均已证明，在某些特定条件下，谷氨酰胺是一种必需氨基酸，是多种快速分裂细胞的主要能源物质，在促进受损肠道的修复以及维持正常的局部免疫功能中发挥着重要作用。但谷氨酰胺对胰脏内分泌功能的调节显然超出了营养学范畴。
　　健康的新生仔猪，小肠经常受到病原微生物的侵害。形态、结构和功能均发生变化，在此情况下，肠上皮细胞及肠淋巴细胞对谷氨酰胺的需要可能增加，这有待进一步研究。此外，随着技术的发展和生产的需要，隔离早期断奶(SEW)将应用于畜牧生产实践，断奶日龄越来越早，这意味着仔猪所受的断奶应做也越来越大，因此，充分了解谷氨酰胺在仔猪营养中的作用，对养猪生产具有重要的指导意义。但谷氨酰胺的复杂生理功能以及适宜添加量和添加形式等诸多问题尚需进一步研究和探索。目前谷氨酰胺的价格本身也是限制谷氨酰胺在生产实践中应用的一个因素。

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