谷氨酰胺的研究进展

谷氨酰胺的研究进展 谷氨酰胺（Glutamine,GLN）是哺乳动物体内含量最丰富的氨基酸，正常人血浆浓度为0.6~0.9mmol/L。肌细胞内谷氨酰胺浓度为a20mmol/L，比血液中高30倍。谷氨酰胺量占人全身游离氨基酸一半以上，因此谷氨酰胺变化直接影响机体总氨基酸水平。谷氨酰胺受到广泛的关注，部份原因是其在重要疾病中显著的代谢变化，同时也因为一些研究表明其可能成为一种条件性必需氨基酸。Krebs（1935）首次发现哺乳动物肾脏合成和分解谷氨酰胺的能力后，人们才逐步了解谷氨酰胺的作用。Krebs（1935）强调了谷氨酰胺在氮代谢上的重要性：“绝大多数氨基酸都有多种功能，但谷氨酰胺是最丰富的”。20年后，EAGLE（1955）综述了培养哺乳动物细胞谷氨酰胺的营养需要，并强调谷氨酰胺是一种重要的营养素。在许多动物细胞中谷氨酰胺有相对高的浓度，其作为氨的清除剂和作为生物合成许多重要物质如核酸、氨基糖和氨酸氮的供体。谷氨酰胺是血液中最丰富的氨基酸，是肾脏中氨合成和肝脏中尿素合成的氮的载体。六十年代以后动静脉浓度差法在狗的研究中发现了PDV（Portal-Drain-Viseral）中有最大的谷氨酰胺净摄取，随后研究表明小肠粘膜在此现象中起着十分重要的作用。谷氨酰胺是猪乳中含量最丰富的游离氨基酸，并在维持早期断奶仔猪肠道结构和功能方面起着重要的作用（WU，1994；WU，1996）。近年来，谷氨酰胺引起了营养学家的广泛关注，许多研究都表明谷氨酰胺为条件性必需氨基酸。 一、 谷氨酰胺的生物学特性和生理学重要性 谷氨酰胺分子量146，有两个氨基，一个a-氨基和一个易水解的末端氨基。尽管谷氨酰 胺和谷氨酸在结构上仅有微小的区别，生理PH条件下谷氨酰胺是电中性的，谷氨酸则带负电荷（见图3-1），但这就导致了在细胞培养液中谷氨酸不能代替谷氨酰胺和两者运转载体不同。谷氨酰胺有许多重要的和独特的代谢功能：①GLN是一种中性氨基酸，其水解脱末端氨基后生成谷氨酸，其剩余a-氨基通过转氨途径在其它的各种代谢中丐重要作用；②GLN是嘧啶、嘌呤核苷酸、核酸、氨基糖合成的重要前体物。③GLN是肾脏产氨的最重要前体，对酸碱平衡调节起着十分重要的作用；④GLN是一种生糖氨基酸，是肝糖元异生的重要底物；⑤GLN是肝捕捉氨的主要载体和综末产物；⑥GLN是快速生长和分化细胞如血管内皮细胞、淋巴细胞、肠粘膜上皮细胞等的重要供能物质；⑦GLN是某些依赖性细胞如肠粘膜上皮细胞的重要供能物质，也是某些依赖葡萄糖合成ATP途径受损后的最重要的替代途径；⑧GLN是蛋白质代谢的重要调节因子，能促进细胞内蛋白质等生物大分子的合成，减少骨胳肌中的蛋白质的分解；GLN的主要代谢途径和功能如图3-2。这些都表明：谷氨酰胺在维持动物健康中起着重要作用，在重在疾病中血液和组织中谷氨酰胺含量显著下降，导致谷氨酰胺的耗竭。对脓毒症病人，其骨骼肌细胞中储存的谷氨酰胺可能下降75%，这种下降程度和存活率相关。 两种主要的酶调节细胞内谷氨酰胺的代谢：谷氨酰胺水解酶催化谷氨酰胺水解为谷氨酸，而谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨合成谷氨酰胺。复制的细胞，如粘膜细胞、淋巴细胞、内皮细胞和肿瘤细胞等趋向于消耗谷氨酰胺，含有更大量的水解酶。而骨骼肌和肺含有大量的谷氨酰胺合成酶，所以其能合成和释放谷氨酰胺进入血液。 图3—1 生理PH值条件下谷氨酰胺和谷氨酸的结构 Figue3—1structure of glutamine and glutamate at physiologic PH

图3—2谷氨酰胺在哺乳动物细胞内的代谢途径和功能 Fig3—2mMetabolic pathways and functions of glutamine in mammalian cells 二、谷氨酰胺的代谢 1． 谷氨酰胺的转运系统 谷氨酰胺在不同组织细胞的转运方式不完全相同，可被各种中性氨基酸转运系统转运，即使是同一转运系统在不同组织细胞中对GLN亲和力和转运速率也不尽相同。总体上分为二大类即Na依赖GLN转运系统和非 依赖性转运系统。前者促进细胞内GLN的积累，后者则允许细胞内高GLN外流，以协调细胞内外GLN的平衡和代谢需求。虽然有关GLN跨组织细胞膜转运机理已有许多研究和报道，但GLN转运系统在不同组织细胞中的分布和功能仍不完全清楚（表3-1和表3-2）。 2． 谷氨酰胺在不同组织器官中的代谢 2.1小肠 胃肠道是利用的主要器官，肠道既不合成也不储存谷氨酰胺，必须依靠其它脏器合成或外源性谷氨酰胺。在正常生理条件下，肠上皮细胞生长需要消耗大量的谷氨酰胺；在病理状态下如创伤、应激、感染及各种危重症时，谷氨酰胺消耗增加，血液和组织中的谷氨酰胺水平降低。 表3—1 谷氨酰胺转运系统 Table3—1Transport system of glutamine

非Na+ Na+ Li+ ph 激素 竞争性底物 主要靶细胞 A系统 / 是 / 敏感 敏感 AIB、MeAIB及其 小肠、结肠细 它中性氨基酸 胞，肝细胞 NAB系统 是 / / / ？ 其它中性氨基酸 空肠、肾刷状缘膜 N系统 / 是 是 敏感 / 组氨酸、天门冬氨酸 肝细胞 Nm系统 / 是 / / 敏感 丝氨酸、天门冬氨酸 骨骼肌 ASC系统 / 是 / / 敏感 丙氨酸、丝氨酸、半 肝细胞、PAECs 胱氨酸

谷氨酰胺 GSN生物合成 氨生成（肾） 蛋白合成

氮和碳转运 氨基酸池

能量底物 葡萄糖/糖原合成（肝） 尿素合成（肝） 氨的清除 核酸的生物合成 L系统 是 / / / ？ 支链氨基酸、芳香族氨 ？ 基酸、BCH Lm系统 / 是 / / ？ 支链氨基酸、芳香族氨 小肠状缘膜 基酸 AIB：2-aminoisobutyric；MeAIB：2-methylaminoisobutyric；PAECs：pulmonary artery endothelial cells；BCH：2-aminobicyclo[2，2，1]hepatamedicarboxylic acid。

谷氨酰胺对保持和恢复肠道结构和功能尤为重要。Windmueller（1974）指出，肠道完全是从血浆中而不是从红细胞中摄取谷氨酰胺，因为循环通过小肠时红细胞谷氨酰胺浓度未发生变化。而小肠表皮细胞绒毛摄取了绝大多数谷氨酰胺，例如大鼠的小肠滤出25%的循环谷氨酰胺，狗和人相对少一些，但其比例仍相对高。肠道粘膜细胞含有相当高的谷氨酰胺酶活性，这与其高的摄取和代谢率相一致。此酶的活性易受、一些因子所调节（见表3-3）。刷状缘谷氨酰胺转运特征性最近被刷状缘膜转运载体所证实。空肠刷状缘谷氨酰胺的转运主要通过Na依赖性通道而实现，很少依赖非Na途径；基侧膜的谷氨酰胺的转运也是pH和Na依赖性的。 表3—2 谷氨酰胺在鼠肝细胞中的转运系统 Table 3—2Transport system of glutamine in rat liver N系统 A系统 ASC系统 特异性底物 组氨酸、天门冬氨酸 AIB、MeAIB 丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸 N端甲基化氨基酸 无 抑制 无 MeAIB摄取 非竞争性 竞争性 非竞争性 丝氨基酸竞争底物 无 无 有 离子依赖物 Na+ 强 强 强 Li+ 强 弱 中 Ph抑制作用 有 有 无 N端侧链氨基酸 唯一 无 无 NEM抑制性 弱 强 无 适应性调节 有 有 无 激素调节 有 有 无 NEM：N—ethylmaleimide 用离体大鼠小肠的灌注标本及自动灌注大鼠空肠的活体模型，Windmueller和Spaeth（1974）以示踪法研究了谷氨酰胺碳和氮的代谢终产物，发现将进三分之二的谷氨酰胺碳被氧化为二氧化碳，谷氨酰胺氮则以氨、丙氨酸、瓜氨酸和脯氨酸出现。谷氨酰胺代谢的终产物进入门脉循环，无论从粘膜刷状缘或从动脉血经基底侧膜进入粘膜细胞的谷氨酰胺代谢方式是相同的（见图3-3）。小肠细胞摄取的谷氨酰胺与葡萄糖的摄入率相同，而对小肠上皮细胞而言，谷氨酰胺作为能源比葡萄糖更为重要。肠道非常适于谷氨酰胺的代谢，因为产生的氨非常容易进入门脉，其在进入系统循环前被肝脏滤出，而肝脏利用门脉中的氨合成尿素和谷氨酰胺，肝脏利用丙氨酸进行糖异生，而产生于肠道谷氨酰胺的丙氨酸在总的肝脏丙氨酸的消耗是变化的。 常用的研究小肠谷氨酰胺代谢有以下几种模型：A：活体流量模型（动静脉差法）B：局部灌注模型；C：肠细胞培养；D：膜载体法。上述方法各有缺点。 表3—3 刷状缘谷氨酰胺转运和细胞内代谢的调节 TABLE3-3regulation of brush border glutamine in transport and instracellular metabolism 粘膜谷氨酰胺酶 刷状缘谷氨酰胺的转运 增加活性 降低活性 增加活性 降低活性 口服谷氨酰胺 讥饿 口服谷氨酰胺 脓毒症 糖皮质激素 内毒素 表皮生长因子 讥饿 胰高血糖素 恶性肿瘤 恶性肿瘤 糖皮质激素

图3—3 小肠上批细胞的谷氨酰胺代谢途径 FIG3—3pathway of glutamine metabolism in the small instestinal epithelial cell 2.2胰脏 胰腺的内外分泌都需要谷氨酰胺作为重要能量底物，在培养细胞和离体灌注的胰腺，谷氨酰胺比其他任何氨基酸利用程度都高。静脉灌注标记的谷氨酰胺很快被从循环中清除，测定发现胰脏的外分泌腺含谷氨酰胺的代谢产物比其他组织都高，在离体的胰岛细胞中，谷氨酰胺占代谢底物的约1/3，这些研究表明谷氨酰胺可能是胰腺重量几DNA、蛋白质含量，胰液的总胰蛋白酶原和胰脂肪酶原含量也增加。谷氨酰胺也可调节胰岛激素的释放，Opara等（1990）用离体灌注胰岛研究了谷氨酰胺对胰岛素和胰高血糖素释放的影响，发现在基础血糖水平下，谷氨酰胺抑制胰岛素产生，但刺激胰高血糖素的释放。 2.3淋巴细胞和巨噬细胞 GLN是肠道及肠道相关淋巴细胞及其它各种免疫细胞中核酸、蛋白质等生物分子合成的主要供氮体和氧化供能物质。Ardawi和Newshole（1983）证实了淋巴细胞和巨噬细胞具有高的磷酸依赖性的谷氨酰胺酶活性，能利用大量的谷氨酰胺。Newshole(1983)和ParryBillings等（1990）研究表明在抗原刺激下谷氨酰胺可能对淋巴细胞的增殖是必需的，及既可为核酸生物合成的前体又可作为主要的能源。Brand等（1986）表明增殖的淋巴细胞对谷氨酰胺的消耗显著增加。现已证明淋巴细胞和巨噬细胞对谷氨酰胺的利用与对葡萄糖利用程度相等。当培养介质缺乏谷氨酰胺时，淋巴细胞对丝裂原刺激的应答能力明显降低。血中和局部组织中GLN浓度的下降会直接引起小肠乃至整个机体免疫防御功能的下降。 2.4肝脏 肝脏在器官内谷氨酰胺的代谢中起中枢作用，有证据表明肝脏既能消耗又能释放谷氨酰胺，肝脏可根据机体的需要来调节谷氨酰胺的净摄入和释放。在完整的肝腺泡中仅门脉周围的肝细胞发现有尿素合成和谷氨酰胺，而谷氨酰胺合成酶位于静脉周围的细胞。正如Haussinger（1990）所描述的，这是细胞间的间隔作用，其表现为门静脉周的肝细胞具有低亲和力、高的尿素合成能力系统和静脉周的肝细胞具有高亲合力的氨脱毒系统（作用于逃离尿素合成的氨），这种基本调节的优点之一是在任何过量氨情况下都对此结构和功能组织无有害的影响，因为可通过可变的尿素循流来解决。静脉周的细胞谷氨酰胺酶的活性，允许这种酶作为线粒体内氨的放大器，其成的尿素循 的一种重要的决定因子。 除了氨外，在肝细胞调 谷氨酰胺代 的重要位点是血浆膜的转运，血浆膜运输谷氨酰胺经钠