α—酮戊二酸及其生理作用

付瑩　王紅權(quán)　趙玉蓉

摘要；α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循環(huán)中重要的代謝中間產(chǎn)物，是連接細胞內(nèi)碳-氮代謝的關(guān)鍵節(jié)點。作為一種短鏈羧酸分子，α-酮戊二酸是谷氨酰胺、谷氨酸等多種重要的氨基酸的前體，不僅直接參與供能，還參與細胞內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)，具有多種生理作用。本文對α-酮戊二酸的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、生產(chǎn)方法、生理作用進行簡要綜述，為α-酮戊二酸進一步研究及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：α-酮戊二酸；能量代謝；生理作用

α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，在循環(huán)中的位置為異檸檬酸之后和琥珀酰輔酶A之前，連接細胞內(nèi)碳-氮代謝，不僅直接參與機體的氧化供能，還參與體內(nèi)多種物質(zhì)的化學(xué)合成，其對機體維持正常生理功能有重要作用。在近年研究中。人們不斷發(fā)現(xiàn)α-KG具有調(diào)節(jié)機體氮代謝、促進生長，調(diào)節(jié)機體能量代謝、維持腸道健康、提高機體免疫力和改善骨質(zhì)等多種生理作用。但相關(guān)研究多集中在表觀性能上。較少研究乏α-KG在體內(nèi)的代謝、轉(zhuǎn)運及具體調(diào)控機制等。本文就α-KG的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、生產(chǎn)、生理作用進行簡要綜述。為α-KG進一步研究及應(yīng)用提供參考。

1α-KG的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

α-KG。又稱2-氧代戊二酸或α-羰基戊二酸，是一種短鏈羧酸分子，分子式為C₅H₆O₅、相對分子質(zhì)量146.1，為白色或微黃色的結(jié)晶。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在溶液中表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性和溶解性，易溶于水、醇，極難溶于醚，易潮解。

2 α-KG的來源及生產(chǎn)

2.1 α-KG的體內(nèi)形成

1.丙酮酸脫氫酶；2.檸檬酸合成酶；3.順烏頭酸酶；4.異檸檬酸脫氫酶：5.α-酮戊二酸脫氫酶：6.琥珀酰CoA合成酶；7.琥珀酸脫氫酶；8.延胡索酸酶；9.蘋果酸脫氫酶；10.谷氨酸脫氫酶；11.谷氨酰胺合成酶；12.谷氨酸合成酶：13.丙酮酸羧化酶。

α-KG不僅是三羧酸循環(huán)中重要的代謝中間產(chǎn)物，還是生物體內(nèi)L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、L-脯氨酸、L-精氨酸等多種氨基酸、維生素和有機酸的生物合成前體。機體內(nèi)的碳源物質(zhì)轉(zhuǎn)運進入細胞內(nèi)后?？山?jīng)過糖酵解形成丙酮酸，而丙酮酸進入三羧酸循環(huán)后可形成α-KG，而生成的α-KG又可在α-酮戊二酸脫氫酶系的作用下進一步代謝成琥珀酰-CoA。進入碳代謝節(jié)點，在這一過程中伴隨著電子傳遞和能量產(chǎn)生，該過程能夠為動物體的生長繁殖提供大量碳源物質(zhì)和能量；此外，α-KG還可通過轉(zhuǎn)氨基作用形成L-谷氨酸，進入氮代謝。所以α-KG是機體內(nèi)連接碳代謝和氮代謝的重要中間產(chǎn)物（圖1）。

2.2 α-KG的工業(yè)生產(chǎn)

目前已有的α-KG的生產(chǎn)方法主要包括化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法，但目前應(yīng)用較廣的還是化學(xué)合成法。

2.2.1微生物發(fā)酵

1946年，Lockwood和Stodola首先對利用熒光假單胞菌pseudomonas fluorescens胞外積累α-KG進行了初步的研究，研發(fā)了利用葡萄糖發(fā)酵合成α-KG的新途徑。隨后Asai等人發(fā)現(xiàn)多種原核微生物菌種能在體內(nèi)大量積累α-酮戊二酸。其后，Tsugawa、Maldonado、IFChenko、Verseck和zhou等人對微生物發(fā)酵產(chǎn)生α-KG不斷進行改進，先后發(fā)現(xiàn)了解脂亞羅酵母及其最適底物和培養(yǎng)條件，培育了谷氨酸脫氫酶弱化菌株并篩選得到了一株能過量累積α-KG的菌株Y.lipolyticaWSH-Z06。

2.2.2化學(xué)合成

目前α-KG的化學(xué)合成法以琥珀酸和草酸二乙酯為原料，與濃鹽酸混合，靜置過夜后，再通過140℃蒸餾濃縮，剩余物冷卻結(jié)晶，得到α-KG，收率為75%，或者由?；杌锼獾玫溅?KG。但化學(xué)合成法存在大量缺點，如使用有毒化合物（如氰化物）、產(chǎn)生有毒廢物、需要含重金屬催化劑、產(chǎn)生副產(chǎn)物以及嚴(yán)重腐蝕設(shè)備等。

3 α-KG的生理作用

3.1調(diào)節(jié)機體氮代謝，促進動物生長

α-KG既能運輸?shù)Ｒ材軆Υ娴?，其作為谷氨酰胺的前體物質(zhì)，能夠在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺。谷氨酰胺作為一種中性無毒物質(zhì)，不僅可以用于其他氨基酸和含氮化合物。如蛋白質(zhì)、嘌呤、嘧啶等的合成，也是氨的主要運輸形式。當(dāng)其運送至肝、腎系統(tǒng)時，可分別用于合成尿素和銨鹽，從而將機體內(nèi)多余的氨排出。在動物體內(nèi)，氨主要來源于蛋白質(zhì)的分解代謝，具有神經(jīng)毒性，還會抑制機體呼吸機能、降低機體免疫力，甚至引起死亡。目前。由于集約化養(yǎng)殖和水體污染，水體常常氨氮含量過高，研究表明，α-KG的添加能夠有效緩解魚類氨氮脅迫，促進機體蛋白質(zhì)的沉積，改善魚體氮代謝。此外，在其他動物上，大量研究發(fā)現(xiàn)：日糧添加α-KG能夠激活細胞內(nèi)mTOR信號通路和提高飼料代謝能，促進機體蛋白質(zhì)合成，從而提高動物的生長性能。

4.2調(diào)節(jié)機體能量代謝

在應(yīng)激狀態(tài)下，動物易出現(xiàn)能量代謝障礙。α-KG作為三羧酸循環(huán)的中間體，一方面直接參與機體的氧化供能，其可脫氫生成琥珀酰CoA和NADH，同時伴有大量能量的釋放：另一方面還能促進脂肪酸的分解代謝，為機體供能。Junghan等以仔豬為動物模型發(fā)現(xiàn)：經(jīng)腸給予α-KG能節(jié)約其他營養(yǎng)素的消耗供能。正常生理狀態(tài)下，游離脂肪酸是機體供能的營養(yǎng)物質(zhì)，長鏈脂肪酸β-氧化能產(chǎn)生大量的ATP。肉堿作為長鏈脂肪酸β-氧化過程中的重要載體，其合成進程中需要酮戊二酸雙加氧酶的參與，而α-KG則是該酶合成的輔助因子。間接調(diào)控肉堿的合成。Li等研究發(fā)現(xiàn)，利用H₂O₂誘導(dǎo)大鼠精子產(chǎn)生氧化應(yīng)激時，α-KG能夠作為能量來源。為精子存活提供ATP，從而提高精子的抗氧化能力。在仔豬脂多糖應(yīng)激的情況下，日糧補充α-KG能緩解脂多糖應(yīng)激造成的肌肉能量損耗和腸黏膜能量代謝障礙。

3.3維持腸道健康，提高機體免疫力

腸道是動物體吸收營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所。其能通過腸道屏障抵抗外源有害物質(zhì)，對動物的生長、存活和健康至關(guān)重要。在斷奶、炎癥、感染等情況下，動物極易出現(xiàn)腸粘膜損傷和功能紊亂，引發(fā)腹瀉和生長遲緩，甚至導(dǎo)致個體死亡。在腸道內(nèi)，谷氨酸和谷氨酰胺是腸粘膜細胞的主要能量來源，而α-KG作為這兩種氨基酸的前體物質(zhì)，能夠在腸道內(nèi)轉(zhuǎn)化為谷氨酸和谷氨酰胺，為腸道提供能量。

腸道的絨毛高度和隱窩深度能夠反映腸道的功能，兩者的比值（V/C）下降表示消化吸收功能下降，極易出現(xiàn)腹瀉等情況，上升則代表消化吸收功能增強，機體不易遭受疾病。研究表明，日糧中添加α-KG能有效提高絨毛高度和隱窩深度的比值，改善小腸粘膜形態(tài)，增強小腸粘膜吸收和屏障功能。此外。日糧添加α-KG還能降低機體MDA含量，升高SOD活性。提高機體抗氧化能力。將α-KG與中草藥合用時，α-KG表現(xiàn)出對斷奶大鼠淋巴組織生長發(fā)育的促進作用，提高和改善了斷奶大鼠消化道功能，從而增強腸道免疫和系統(tǒng)免疫功能，且比單純添加中草藥的效果明顯和迅速。

4.4改善骨質(zhì)

在脊椎動物中，骨骼主要起支撐軀體和維持運動、保護中央神經(jīng)系統(tǒng)和骨髓、儲存鈣、磷離子的作用，其中骨基質(zhì)的主要成分是膠原，約占95%。在骨骼發(fā)育過程中，脯氨酸、羥脯氨酸、甘氨酸是骨膠原生物合成的底物，而α-KG作為谷氨酸、谷氨酰胺的前體，能夠為體內(nèi)脯氨酸的合成提供底物，促進脯氨酸羥化形成羥脯氨酸，間接促進機體骨膠原的合成。Kowalik等研究表明，腸內(nèi)提供α-KG能夠提高仔豬大腿的股骨骨密度和血漿中雌激素的含量，而雌激素缺乏與骨質(zhì)疏松有著密不可分的聯(lián)系。在火雞上的研究也表明，日糧α-KG能顯著提高火雞橈骨、肱骨斷層面積、骨骼壁的厚度、最大彈性強度及皮質(zhì)骨密度，對骨骼礦化和提高機械性能具有良好效果。

5小結(jié)

α-KG作為連接碳氮代謝的節(jié)點，具有調(diào)節(jié)機體氮代謝、能量代謝、維持腸道健康和改善骨質(zhì)的生理作用，其與具有相似生理作用的谷氨酰胺相比，具有穩(wěn)定、無毒、價格低等多種優(yōu)勢。目前，關(guān)于α-KG的研究報道較多。但深入探究α-KG在體內(nèi)的代謝、轉(zhuǎn)運及具體調(diào)控機制的研究相對較少。且不夠深入，值得我們今后研究和關(guān)注。endprint