支鏈氨基酸調(diào)控機體糖代謝的研究進展

尹玉林，孫澤威*

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林長春130118；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點實驗室，吉林長春130118）

支鏈氨基酸（Branched-chain Amino Acids，BCAAs）是畜禽體內(nèi)不能合成而必須從飼料中獲得的必需氨基酸。BCAAs 也屬于功能性氨基酸，能夠促進蛋白質(zhì)合成、提高機體免疫力和促進腸道發(fā)育等。在仔豬日糧中添加BCAAs 能夠提高其腸道氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達[1]，并促進腸上皮細胞表達防御素[2]。BCAAs 在機體的糖代謝過程中也發(fā)揮著重要作用。BCAAs 可以調(diào)節(jié)機體胰島素的分泌和胰島素敏感性，并調(diào)控組織中葡萄糖轉(zhuǎn)運載體的表達，進而增強骨骼肌對葡萄糖的吸收和全身葡萄糖的氧化[3-4]。機體的糖代謝與脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)代謝之間有著密切聯(lián)系，明晰BCAAs 如何參與體內(nèi)的糖代謝方式將給動物的營養(yǎng)調(diào)控提供重要的理論基礎(chǔ)。因此，本文就BCAAs 在機體的代謝途徑及其調(diào)控糖代謝的途徑進行綜述。

1 BCAAs 及其代謝

1.1 BCAAs 概述 亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）和纈氨酸（Val）因分子結(jié)構(gòu)上有1 個甲基側(cè)鏈而被稱之為BCAAs。Leu 是由Proust 在1819 年從奶酪 中 首次分離出來，之后由Braconnot 命名；Val 是由Group-Besanez 在1856 年從胰臟的浸提液中分離出來，而在1906 年由Fisher 命名；Ile 則是在1904 年由Ehrlich 從甜菜糖漿中分離出的[5]。BCAAs 是組織蛋白質(zhì)的重要組成部分，其占骨骼肌必需氨基酸總量的35%。研究表明，BCAAs 可以緩解運動疲勞，增強運動能力，能夠促進肌肉蛋白質(zhì)的合成并抑制其降解[6]；并且對女性乳房健康、乳質(zhì)以及胚胎發(fā)育也有著積極作用[7-8]。

1.2 BCAAs 的代謝 BCAAs 的氧化分解主要是在肌肉組織，肝臟是其初級分解產(chǎn)物支鏈α-酮酸的重要代謝器官。支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶（BCATm）和α-支鏈酮酸脫氫酶復(fù)合體（BCKD）是BCAAs 代謝的2 種重要的酶。BCATm 包括BCAT1（存在于細胞質(zhì)中）和BCAT2（存在于線粒體中），其主要在肌肉、腎臟和心臟中表達，在肝臟中幾乎不表達[9]。BCKD（存在于線粒體中）是BCAAs 代謝中的限速酶，包括α- 支鏈酮酸脫羧酶（E1）、二氫硫基轉(zhuǎn)移酶（E2）和二氫硫辛酰胺脫氫酶（E3）3 種酶，并且其在肝臟中高表達。α-支鏈酮酸脫氫酶激酶（BCKDK）和蛋白磷酸酶1K（PPM1K） 可使BCKD 磷酸化和去磷酸化，從而調(diào)節(jié)BCKD 的活性[10]。BCAAs 的代謝主要分為2 步，當(dāng)BCAAs 在Na+依賴性氨基酸轉(zhuǎn)運載體的轉(zhuǎn)運下進入細胞后，首先其在BCATm 催化下去除氨基轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的α- 酮酸；隨后由BCATm 催化產(chǎn)生的支鏈α- 酮酸在BCKD 作用下進行氧化脫羧反應(yīng)，生成相應(yīng)的支鏈酰輔酶A 酯，而此步為BCAAs 代謝過程中的限速步驟且不可逆。除肝臟外，大多數(shù)外周組織中BCAAs 代謝的第一步是由BCAT2 催化的[9]。最后，它們在各自脫氫酶的作用下形成乙酰-COA 和琥珀酰-COA，進入三羧酸循環(huán)。

2 BCAAs 調(diào)控糖代謝的方式

長久以來，人們發(fā)現(xiàn)相對于正常個體，肥胖患者血液中幾種必需氨基酸（包括BCAAs）含量升高[11]。直到2009 年，Newgard 等[12]利用綜合代謝分析工具比較了肥胖人群和正常人群之間的代謝譜，發(fā)現(xiàn)BCAAs的分解代謝增加與肥胖相關(guān)。這是第一個直接的報告證明了BCAAs 與肥胖個體血清中代謝特征之間的關(guān)系。Xiao 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，以單個BCAAs 剝奪的日糧飼喂小鼠，在葡萄糖耐受試驗中，被飼喂Leu 或Ile 缺乏日糧的小鼠禁食過夜后，其血漿葡萄糖水平顯著降低；而對小鼠連續(xù)飼喂Val 或Ile 缺乏的日糧7 d，小鼠表現(xiàn)出較低的空腹血糖水平。這些研究都表明BCAAs 與機體糖代謝有著密切聯(lián)系。

2.1 調(diào)控機體胰島素的分泌 胰島素是由胰島β 細胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)（如葡萄糖、胰高血糖素等）刺激時分泌的一種蛋白質(zhì)激素，并且是機體內(nèi)唯一降低血糖的激素。血漿葡萄糖濃度是影響胰島β 細胞分泌胰島素的最重要因素，當(dāng)血漿葡萄糖濃度過高時，高血糖會刺激胰島β 細胞分泌胰島素去促進組織細胞對葡萄糖的攝取和利用，并增加糖原的合成和抑制糖異生，從而降低血漿葡萄糖濃度[14]。有報道稱，膳食蛋白質(zhì)的缺乏會導(dǎo)致機體胰島素分泌受損，并且膳食蛋白質(zhì)的缺乏是通過減小胰島的大小和減弱胰島β 細胞的功能來減少胰島素分泌[15-16]。然而，Horiuchi 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，BCAAs的補充恢復(fù)了低蛋白日糧引起的小鼠胰島素分泌減少，但僅補充1 種BCAAs 并不能使胰島素分泌恢復(fù)到正常水平，而同時補充3 種BCAAs 可使低蛋白日糧小鼠的胰島素恢復(fù)到正常水平。這表明BCAAs 是機體胰島素釋放所必須的，并且3 種BCAAs 有著很強的協(xié)同作用。這3 種BCAAs 的促胰島素作用是通過迷走神經(jīng)依賴性機制發(fā)揮作用的[17-19]。飲食中剝奪BCAAs 將降低機體胰島素的分泌。小鼠食用Leu、Ile 和Val 剝奪的日糧2 h后，其胰島素分泌量顯著減少，而其他氨基酸剝奪對胰島素分泌無影響[17]。與此一致，Guo 等[20]研究表明，小鼠日糧Leu 的缺乏導(dǎo)致其血清胰島素水平下降3 倍。這些研究表明，BCAAs 對機體胰島素的正常分泌以及糖穩(wěn)態(tài)是必須的，而BCAAs 的剝奪將會影響機體胰島素正常分泌，進而使得機體的糖代謝受損。

2.2 調(diào)節(jié)機體胰島素敏感性 胰島素抵抗（IR）是指骨骼肌、脂肪組織以及肝臟等胰島素靶器官因某些病理性因素而出現(xiàn)的不能有效響應(yīng)胰島素作用的生理狀態(tài)，即機體對胰島素的敏感性降低。細胞表面的胰島素受體（IRS）是胰島素抵抗的核心部位，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少9 種IRS，其中IRS-1 和IRS-2 是與體內(nèi)胰島素信號通路有關(guān)的主要IRS。IRS 蛋白的異常降解、IRS 磷酸化異常及其在細胞內(nèi)的異常分布均可導(dǎo)致IR 發(fā)生[21]。IR 和胰島素異常分泌是二型糖尿?。═2DM）的2 個關(guān)鍵障礙，提高胰島素敏感性是治療T2DM 的關(guān)鍵步驟。體內(nèi)研究表明[22]，BCAAs 與機體糖代謝和胰島素敏感性密切相關(guān)，尤其是BCAAs 中的Leu。Zhang 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在維持高脂飲食的小鼠中，增加口服Leu 可以提高小鼠全身胰島素敏感性，降低血漿中胰高血糖素和生糖氨基酸的含量，并下調(diào)肝葡萄糖-6- 磷酸酶的表達。然而，提高飲食中Leu 對機體胰島素敏感性的影響是有爭議的。一些研究表明，血清中Leu 的提高對機體胰島素的敏感性沒有影響[24]；而其他研究則顯示，在肥胖患者和動物中，提高的血清Leu 水平將促進IR[12,25]。與此相反，飲食中BCAAs 的剝奪會增加機體胰島素的敏感性。Xiao 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂野生型小鼠Leu 缺乏的飲食7 d，其機體胰島素敏感性提高，并且Val 和Ile 剝奪對于改善胰島素敏感性和Leu相似。對于BCAAs 剝奪而提高機體胰島素敏感性的可能機制，目前認為可能是通過抑制mTOR/S6K1 和激活A(yù)MPK 信號通路而發(fā)揮作用的[26]。眾所周知，Leu是mTOR 通路的激活劑，而mTOR 的下游靶點S6K1激活會導(dǎo)致IRS-1 絲氨酸/ 蘇氨酸殘基的磷酸化，使得IRS-1 的活性降低而導(dǎo)致IR 發(fā)生，當(dāng)Leu 被剝奪時，mTOR 信號通路被抑制而改善了機體胰島素敏感性。但也有研究發(fā)現(xiàn)，補充Leu 后激活機體的mTOR 通路，但對機體的胰島素敏感性沒有影響[27]。而在Val 或Ile缺乏的小鼠肝臟中，mTOR 及下游靶標(biāo)（P70S6K）的磷酸化被抑制，并且在Leu、Val 或Ile 剝奪的小鼠肝臟中發(fā)現(xiàn)AMPK 磷酸化增加[28]。AMPK 是細胞內(nèi)重要的能量感受器，用于維持機體能量的穩(wěn)態(tài)。它能通過直接磷酸化IRS-1 或磷酸化[29]mTOR 的上游抑制劑TSC2 而去調(diào)節(jié)機體胰島素敏感性[30]，而BCAAs的剝奪可以激活A(yù)MPK 信號通路。然而，BCAAs 的剝奪是如何激活A(yù)MPK 的，目前還不清楚。當(dāng)體內(nèi)循環(huán)BCAAs 水平升高時會導(dǎo)致胰島素抵抗，在肥胖患者和肥胖動物模型中，BCAAs 代謝過程中的BCKD 酶（主要是肌肉和肝臟）活性降低，從而導(dǎo)致機體循環(huán)BCAAs 水平升高。而升高的循環(huán)BCAAs 會通過干擾骨骼肌中的脂質(zhì)氧化和激活mTOR 通路而導(dǎo)致胰島素抵抗[9,31]。

2.3 調(diào)控葡萄糖轉(zhuǎn)運載體的表達和易位 葡萄糖是生命活動的主要能源物質(zhì)，對機體糖代謝和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)有著極其重要的作用。葡萄糖不能直接進入細胞，必須通過相應(yīng)的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體進行轉(zhuǎn)運。葡萄糖轉(zhuǎn)運載體可以分為2 類，一類是易化性葡萄糖轉(zhuǎn)運載體（Na+非依賴性單糖轉(zhuǎn)運載體，GLUTs），另一類是Na+依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運載體（SGLTs）[32]。有報道指出，肥胖引起的T2DM，骨骼肌中GLUT1 和GLUT4 的表達下降[33-34]。因此，葡萄糖轉(zhuǎn)運載體在維持體內(nèi)糖穩(wěn)態(tài)和人類代謝疾病中有著重要作用。

有研究證實BCAAs 能夠強烈增強葡萄糖的消耗和利用，并且也證實BCAAs 通過激活或上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白來增強葡萄糖的攝取。Nishitani 等[35]研究指出，Leu 通過上調(diào)大鼠肌肉中GLUT1 和GLUT4 的易位來增加葡萄糖攝取。同樣，另一項研究報道，Leu 增強了C2C12 肌管細胞中GLUT4 的表達和2- 脫氧葡萄糖的攝取。張世海[36]也發(fā)現(xiàn)，Leu 可增強C2C12 肌管細胞中GLUT1 的表達和2- 脫氧葡萄糖的攝取。對于Leu 調(diào)節(jié)肌肉中葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的機制，科學(xué)家提出了以下2 種假設(shè)[26]：①Leu 通過上調(diào)胰島素的水平增強GLUT1 和GLUT4 的易 位；②Leu 通過PI3K 和PKC信號通路來調(diào)控骨骼肌對葡萄糖的吸收，而這2 種通路都與GLUT4 的易位有關(guān)。與Leu 相比，Ile 的作用機制研究相對較少。Zhang 等[37]研究表明，對斷奶仔豬喂食Ile 缺乏的飼糧會下調(diào)紅肌中GLUT1 以及紅肌、白肌和中間肌中GLUT4 的表達。Ile 缺乏的飼糧還會抑制十二指腸、空腸和回腸中葡萄糖轉(zhuǎn)運載體SGLT-1以及十二指腸和空腸中GLUT2 的表達[37]。并且在C2C12 肌管細胞實驗中也證實了Ile 在增強葡萄糖攝取和肌肉葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白表達（GLUT1 和GLUT4）的功能[38]。

3 小 結(jié)

綜上所述，BCAAs 與機體糖代謝之間有著密切的聯(lián)系。然而，不同種類的BCAAs 參與調(diào)控機體糖代謝的途徑不同。目前，對于Ile 的研究相對較少，并且Ile調(diào)控糖代謝的機制還不清楚。充分了解不同種BCAAs調(diào)控機體糖代謝的途徑以及它們之間的協(xié)同作用，將對治療肥胖、T2DM 以及動物的營養(yǎng)調(diào)控有重大意義。