非必需氨基酸甘氨酸的多重有益效應(yīng)（綜述）

韓浩月

摘要：甘氨酸是人、動(dòng)物和許多哺乳動(dòng)物營養(yǎng)上最重要且最簡單的非必需氨基酸。通常，甘氨酸由膽堿、絲氨酸、羥脯氨酸和蘇氨酸經(jīng)由器官內(nèi)的代謝合成，其主要的合成器官為腎臟和肝臟。通常在正常的飼養(yǎng)條件下，甘氨酸無法在人、動(dòng)物和家禽體內(nèi)充分合成。甘氨酸是幾種小分子（如肌酸、谷胱甘肽、血紅素、嘌呤和卟啉）的重要代謝產(chǎn)物的前體物質(zhì)。甘氨酸在改善動(dòng)物和人類的健康、促進(jìn)動(dòng)物的生長以及提高人和動(dòng)物的福利方面非常有效。甘氨酸在預(yù)防包括癌癥在內(nèi)的許多疾病和生理失調(diào)上的作用得到了許多研究的支持。人膳食中添加合適水平的甘氨酸可有效地治療代謝紊亂、心血管疾病、多種炎癥性疾病、肥胖癥、癌癥和糖尿病等。甘氨酸還具有提高睡眠質(zhì)量和神經(jīng)系統(tǒng)功能的作用。在本篇綜述中，我們將重點(diǎn)介紹甘氨酸在人類和動(dòng)物體內(nèi)的代謝，以及甘氨酸在不同疾病狀態(tài)下的有益效用和保護(hù)作用的最新發(fā)現(xiàn)和研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：甘氨酸;非必需氨基酸;哺乳動(dòng)物;禽類? ?中圖分類號(hào)：S816? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C

文章編號(hào)：1001-0769（2018）07-0100-04

1820年，法國化學(xué)家H.Braconnot率先從蛋白質(zhì)的酸解產(chǎn)物中分離出甘氨酸[1]。甘氨酸味甘，有類似于葡萄糖的甜味;正因?yàn)樗哂刑鹞兜奶匦?，其命名便來源于希臘詞匯“甘（glykys）”。甘氨酸可利用氫氧化鉀對肉和明膠進(jìn)行堿性水解制得。A.Cahours使用單氯乙酸和氨化學(xué)合成了甘氨酸，并構(gòu)建了甘氨酸的結(jié)構(gòu)[2]。甘氨酸是一種簡單的氨基酸，不分L型或D型化學(xué)構(gòu)型。細(xì)胞外部的結(jié)構(gòu)蛋白如彈性蛋白和膠原蛋白都由甘氨酸合成。對于哺乳動(dòng)物，如豬、鼠和人來說，甘氨酸屬于營養(yǎng)性非必需氨基酸。但一些報(bào)道指出，豬、鼠和人體內(nèi)的甘氨酸合成量不足以滿足其代謝活動(dòng)的需要[3]。甘氨酸的少量缺乏對健康無害，但嚴(yán)重缺乏會(huì)導(dǎo)致免疫應(yīng)答失敗、生長緩慢、營養(yǎng)代謝異常，并會(huì)對機(jī)體健康產(chǎn)生不良影響[4]。因此，甘氨酸被認(rèn)為是人類和其他哺乳動(dòng)物的條件性必需氨基酸，其可以促進(jìn)機(jī)體的良好生長。對于家禽而言，甘氨酸是新生雛禽和胎兒生長真正的必需需求，因?yàn)樾律r禽和胎兒無法合成足夠數(shù)量的甘氨酸來滿足其代謝活動(dòng)所需。

4 甘氨酸的生理功能

甘氨酸在許多哺乳動(dòng)物和人類的代謝和營養(yǎng)中起著非常重要的作用。甘氨酸占人體內(nèi)總氨基酸含量的11.5%，并且體內(nèi)蛋白質(zhì)中總氨基酸氮的20%來自于甘氨酸。通常情況下，對處于生長中的人類身體或其他哺乳動(dòng)物而言，全身80%的甘氨酸會(huì)用于蛋白質(zhì)合成。在膠原蛋白中，每三個(gè)位點(diǎn)便會(huì)連接一個(gè)甘氨酸;甘氨酸殘基將膠原蛋白的三螺旋結(jié)合在一起。酶中活性位點(diǎn)的靈活性取決于甘氨酸[5]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，甘氨酸作為神經(jīng)遞質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，從而控制食物的攝入、機(jī)體行為和完整的體內(nèi)平衡[6]。通過改變細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，甘氨酸可調(diào)節(jié)免疫功能，產(chǎn)生超氧化物，合成細(xì)胞因子[7]。在人類和豬體內(nèi)，甘氨酸還可促進(jìn)膽汁酸的共軛作用;因此，甘氨酸在脂溶性維生素和脂質(zhì)的吸收和消化上間接發(fā)揮著重要的作用。核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）、脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）、肌酸、絲氨酸和血紅素通過多種利用甘氨酸的途徑產(chǎn)生?？傮w而言，在人類和許多其他哺乳動(dòng)物體內(nèi)，甘氨酸在細(xì)胞保護(hù)、免疫應(yīng)答、生長、發(fā)育、代謝和存活方面具有重要功能。

2 甘氨酸的合成

一些同位素試驗(yàn)和營養(yǎng)試驗(yàn)表明，甘氨酸可在豬、人和其他哺乳動(dòng)物的體內(nèi)合成。大鼠的生化研究證明，甘氨酸是由蘇氨酸（通過蘇氨酸脫氫酶途徑獲?。?、膽堿（通過肌氨酸合成途徑獲?。┖徒z氨酸[通過絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶（Serine Hydroxymethyltransferase， SHMT）途徑獲取]合成的。后來，其他研究也證明，豬、人和其他哺乳動(dòng)物中的甘氨酸同樣是通過上述三種途徑合成的[8]。最近的研究表明，羥脯氨酸和乙醛酸是人和哺乳動(dòng)物體內(nèi)甘氨酸合成的底物[9-10]。

2.1通過膽堿合成甘氨酸

哺乳動(dòng)物組織中的甲基是在膽堿降解為甘氨酸的過程中產(chǎn)生的。一般情況下，成年大鼠會(huì)將所攝入膽堿中的40%～45%轉(zhuǎn)化為甘氨酸，而當(dāng)膽堿的攝入量非常低時(shí)，這個(gè)值有時(shí)會(huì)提高到70%。利用甜菜堿醛脫氫酶和膽堿脫氫酶，膽堿可轉(zhuǎn)化為甜菜堿[11]，膽堿的三個(gè)甲基可供三種不同轉(zhuǎn)化途徑使用：（1）肌氨酸通過肌氨酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為甘氨酸;（2）利用甜菜堿一同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶中的甜菜堿作為甲基供體，并將同型半胱氨酸轉(zhuǎn)化成蛋氨酸;（3）二甲基甘氨酸通過二甲基甘氨酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為肌氨酸。肌氨酸脫氫酶和二甲基甘氨酸脫氫酶主要存在于胰腺、肺、肝臟、腎臟、輸卵管和胸腺，這兩種酶是線粒體黃素酶[12]。甘氨酸和肌氨酸可以通過甲基轉(zhuǎn)移而互相轉(zhuǎn)化。肌氨酸脫氫酶在甘氨酸一肌氨酸循環(huán)中具有非常重要的作用，因?yàn)樗刂浦鳶腺苷高半胱氨酸與S-腺苷甲硫氨酸的比例。甲基在細(xì)胞中轉(zhuǎn)移的反應(yīng)主要受S腺苷高半胱氨酸與S腺苷甲硫氨酸的影響。如果日糧中的膽堿含量非常低，那么哺乳動(dòng)物體內(nèi)合成的甘氨酸數(shù)量也很低。

2.2通過蘇氨酸合成甘氨酸

最近，多位研究人員報(bào)道，某些哺乳動(dòng)物肝臟中的SHMT顯示蘇氨酸醛縮酶的活性很低。SHMT和蘇氨酸醛縮酶具有獨(dú)一無二的免疫化學(xué)特性和生物化學(xué)特性。蘇氨酸脫氫酶是哺乳動(dòng)物（如豬、貓和大鼠）體內(nèi)的重要酶，可降解80%的蘇氨酸[13-15]。一些科學(xué)報(bào)告指出，在成人體內(nèi)，7%～11%的蘇氨酸是由蘇氨酸脫氫酶降解的[16]。在嬰兒體內(nèi)，蘇氨酸不會(huì)轉(zhuǎn)化為甘氨酸。豆粕型日糧和常規(guī)的玉米型日糧可為斷奶仔豬提供大量的海洛因，而在哺乳期仔豬的體內(nèi)，賴氨酸可由海洛因合成[17]。如果海洛因供應(yīng)不足，機(jī)體內(nèi)則沒有賴氨酸的主要來源[18]。

2.3通過絲氨酸合成甘氨酸

通常，日糧中提供的絲氨酸可在SHMT的催化下合成賴氨酸。SHMT還可催化谷氨酸或葡萄糖內(nèi)源合成賴氨酸。SHMT存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的線粒體（Mitochondrial SHMT，mSHMT）和細(xì)胞質(zhì)（Cytosolic SHMT，cSHMT）中。在大多數(shù)細(xì)胞中，mSHMT負(fù)責(zé)合成大量的賴氨酸。另外，SHMT在線粒體中似乎到處存在。cSHMT僅存在于腎臟和肝臟的細(xì)胞中。當(dāng)與mSHMT相比時(shí)，cSHMT在催化絲氨酸向甘氨酸的轉(zhuǎn)化上活性較低。cSHMT和mSHMT均由特定的基因進(jìn)行編碼[19-21]。MacFarlane等（2008）表明，mSHMT與cSHMT不同，它是肝細(xì)胞中激活四氫葉酸的CI單元的主要來源[22]。Stover等（1997）證明，SHMT可催化絲氨酸C-3位點(diǎn)的CI單元轉(zhuǎn)移至四氫葉酸，生成N5NIO亞甲基四氫葉酸[20]。Mudd等（2001）指出，N5NIO亞甲基四氫葉酸是少數(shù)幾個(gè)甲基化反應(yīng)中甲基的主要來源[22]。N5NIO亞甲基四氫葉酸可用于不同的反應(yīng)：（1）生成2-脫氧胸苷酸的胸苷酸合酶;（2）生成N5甲基四氫葉酸的N5NIO亞甲基四氫葉酸還原酶;（3）生成N5NIO亞甲基四氫葉酸的N5N10亞甲基四氫葉酸脫氫酶用于[10-23]。上述所有反應(yīng)都會(huì)重新生成四氫葉酸，以確?？捎媒z氨酸合成甘氨酸。在不同的動(dòng)物物種、組織和發(fā)育階段中，SHMT的表達(dá)有差異[4]。圖1闡明了動(dòng)物利用葡萄糖、絲氨酸、谷氨酸、膽堿和蘇氨酸合成甘氨酸的路徑[1]。

4 甘氨酸的降解

在幼齡豬中，日糧提供的甘氨酸有近30%在小腸內(nèi)被分解。腸腔中的各種菌株負(fù)責(zé)降解甘氨酸[24-26]。甘氨酸在人和動(dòng)物體內(nèi)的降解有三種途徑：（1）D-氨基酸氧化酶將甘氨酸轉(zhuǎn)化為乙醛酸;（2） SHMT將甘氨酸轉(zhuǎn)化為絲氨酸;（3）甘氨酸切割酶系統(tǒng)對甘氨酸進(jìn)行脫氨基和脫羧基[27]。SHMT能夠催化N5-N10-亞甲基四氫葉酸產(chǎn)生一個(gè)碳單位和由甘氨酸轉(zhuǎn)化為絲氨酸的可逆過程。在由甘氨酸裂解酶系統(tǒng)形成的N5N10亞甲基四氫葉酸中，約50%的N5N10-亞甲基四氫葉酸被用于由甘氨酸合成絲氨酸的反應(yīng)中。在妊娠中期胎兒肝細(xì)胞和綿羊胎兒肝細(xì)胞的原代培養(yǎng)物中，將近30%～ 50%的細(xì)胞外甘氨酸被用于絲氨酸的生物合成[28-29]。不同的因素（如酶動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)物和基質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)濃度）會(huì)誘發(fā)甘氨酸裂解酶系統(tǒng)裂解甘氨酸，而不是利用二氧化碳和氨氣合成甘氨酸。線粒體甘氨酸裂解系統(tǒng)（Mitochondrial glycine CleavageSvstem，GCS）廣泛存在于許多哺乳動(dòng)物和人的體內(nèi);它是這些生物體體內(nèi)甘氨酸降解所需的主要酶[30]。但是，神經(jīng)元中缺乏這種酶。GCS能夠催化甘氨酸與絲氨酸的相互轉(zhuǎn)化，且其需要N5NIO亞甲基四氫葉酸或四氫葉酸[31-32]。

GCS在降解甘氨酸上的生理重要性以人體缺乏為特征，這會(huì)引發(fā)甘氨酸腦病和血漿含有極高水平的甘氨酸。甘氨酸腦病是繼苯丙酮尿癥后最常見的氨基酸先天性代謝疾病[33]。代謝性酸中毒、高蛋白日糧和胰高血糖素均會(huì)提高不同哺乳動(dòng)物體內(nèi)甘氨酸的降解和肝甘氨酸裂解酶的活性。但是，對于人類來說，血漿含高水平的脂肪酸會(huì)抑制甘氨酸的生成，且似乎不會(huì)影響甘氨酸的氧化[34]。動(dòng)物細(xì)胞中GCS中酶的順序反應(yīng)見圖2。

（待續(xù)）