γ-氨基丁酸的代謝及其在魚(yú)類養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

彭思博，陳秀梅，王桂芹

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118）

γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric Acid，GABA），又稱4-氨基丁酸，是一種具有生物活性的重要功能性四碳非蛋白質(zhì)氨基酸，于1949 年在馬鈴薯的塊莖中被首次發(fā)現(xiàn)，又于1950 年在哺乳動(dòng)物的中樞系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)，其廣泛存在于動(dòng)植物體及微生物體內(nèi)[1-2]。隨著研究深入，人們對(duì)GABA 的功能已越來(lái)越清晰。作為重要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的一種，GABA 具有降血壓[3]、抗驚厥[4]、鎮(zhèn)靜神經(jīng)[5]和改善肝腎[6]等多種功能，同時(shí)在促進(jìn)強(qiáng)化機(jī)體的抗氧化能力、運(yùn)動(dòng)耐受能力、免疫功能和繁殖能力等方面發(fā)揮重要作用。目前，GABA 已應(yīng)用到生物制藥食品保健甚至養(yǎng)殖生產(chǎn)中，是一種條件性的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本文綜述了GABA 的結(jié)構(gòu)和理化特性、來(lái)源分布以及代謝等，并概述了GABA 對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)、抗氧化以及免疫等方面的研究進(jìn)展，為GABA 在魚(yú)類養(yǎng)殖業(yè)中的科學(xué)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)為闡明發(fā)揮GABA的多種功能機(jī)制提供理論參考。

1 GABA 的代謝

1.1 GABA 的結(jié)構(gòu)和理化特性 GABA 的分子式為C4H9NO2，分子質(zhì)量為103.1[7]，結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。GABA 呈一種白色或近白色的結(jié)晶體粉末狀，對(duì)水有極強(qiáng)的溶解性，較易潮解，對(duì)熱的乙醇溶液微溶，對(duì)冷的乙醇、苯、乙醚等溶液不溶解，無(wú)旋光性[8]。25℃時(shí)GABA 的溶解度為130 g/100 mL，熔點(diǎn)為202℃，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)溫度以上時(shí)GABA 會(huì)分解并形成水和吡咯烷酮[9]。

1.2 GABA 的來(lái)源及分布 機(jī)體內(nèi)GABA 的來(lái)源有2條途徑，包括膳食中攝取以及自身合成。GABA 的主要來(lái)源是從膳食中獲取，正常人群每天從膳食中攝取約30～100 mg 的GABA 可起到保健作用[10]。GABA 幾乎存在于所有的生物體內(nèi)，包括大多數(shù)植物、微生物以及動(dòng)物。膳食中谷物類GABA 含量較為豐富，尤其是發(fā)芽糙米和粳米。中日合作培育的發(fā)芽糙米中的GABA含量是白米的5 倍，比普通糙米高出3 倍多[11]。Okada等[5]研究發(fā)現(xiàn)，每天攝入含有26.4 mg GABA 的粳米可以對(duì)阿茲海默癥起到明顯的緩解作用。此外，粟米、米胚芽、小麥麩皮也含有一定量的GABA[12]。中草藥及果仁食品中GABA 含量較少，其中蕨菜一類，如鮮蕨也含有一定量的GABA，但核桃仁和桑葉中GABA 含量高于其他果仁食品和中草藥[13]。張容等[11]研究發(fā)現(xiàn)，桑葉中含有大量GABA，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 260 mg/kg，常飲桑茶可起到降血壓的作用；每100 g 的核桃仁中含有2.339 g 谷氨酸，常食核桃仁給人體以外源性補(bǔ)充谷氨酸，可以促進(jìn)GABA 的合成，從而可降低血氨以及治療神經(jīng)精神疾病。同時(shí)，GABA 也可由布氏乳桿菌S37[14]、短乳桿菌NCL912[15]以及谷氨酸棒桿菌S9114[16]等微生物作用而產(chǎn)生。GABA 含量在動(dòng)物體內(nèi)最高，尤其是腦和骨髓中。通過(guò)免疫學(xué)研究指出，腦組織中總GABA 含量為0.1～0.6 mg/g，其中大腦中黑質(zhì)區(qū)其濃度最高[17]，約50%的中樞神經(jīng)突觸部位都通過(guò)GABA 為遞質(zhì)[18]。

GABA 的內(nèi)源合成是谷氨酸被谷氨酸脫羧酶（GAD）和維生素B6所催化，通過(guò)GABA 支路（GABA shunt）途徑而產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)程把谷氨酸這種能夠引起興奮的神經(jīng)傳遞物質(zhì)轉(zhuǎn)換成神經(jīng)抑制物質(zhì)GABA[19]。由圖2 可知，以谷氨酸為底物，經(jīng)過(guò)GAD 作用后生成GABA。GABA 合成所需的維生素B6在機(jī)體內(nèi)分布廣泛，而GAD 主要含于腦部灰質(zhì)中具有較多突觸體的部分。而GAD 小部分是以結(jié)合的形式存在于線粒體中，絕大部分都是以游離形式存在于軸突末梢的胞質(zhì)內(nèi)，因此GABA 僅能在腦以及少數(shù)的組織中得到合成[20]。關(guān)于魚(yú)類的GABA 內(nèi)源合成影響因素的研究相對(duì)較少，上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物是否能夠適用，仍然需要進(jìn)一步研究。

1.3 GABA 的受體 GABA 通過(guò)與GABA 受體結(jié)合來(lái)介導(dǎo)它的神經(jīng)生理學(xué)作用。GABAA 受體、GABAB 受體和GABAC 受體是在機(jī)體內(nèi)可被GABA 識(shí)別結(jié)合的3 類受體（圖3）。

GABAA 受體是一種離子型受體，而且是一類配體門(mén)控型離子通道，此通道的內(nèi)源性配體是一種被稱為GABA 的神經(jīng)遞質(zhì)。GABAA 受體的GABA 結(jié)合位點(diǎn)直接負(fù)責(zé)Cl-通道的開(kāi)啟[21]，當(dāng)二者結(jié)合后，細(xì)胞膜上Cl-通道便開(kāi)啟。多數(shù)情況下，因?yàn)榘麅?nèi)的離子濃度比胞外低，故Cl-便順著濃度差進(jìn)入胞內(nèi)，使得胞內(nèi)膜電位增加進(jìn)而產(chǎn)生超極化，可抑制神經(jīng)元興奮，即GABAA 受體與GABA 的結(jié)合能夠介導(dǎo)快速的抑制性突觸后電位（IPSP）[22]。而在胞內(nèi)高濃度Cl-的情況下，保持Cl-濃度梯度能力低的未成熟神經(jīng)元為了增加Cl-通透性，胞內(nèi)Cl-便順著濃度差又流向至胞外，導(dǎo)致膜電位產(chǎn)生去極化。此去極化作用的發(fā)生可能會(huì)點(diǎn)燃細(xì)胞，激活某些電壓門(mén)控離子通道，進(jìn)而去調(diào)節(jié)其他細(xì)胞活動(dòng)。與此同時(shí)，通透性并不穩(wěn)定的一些GABAA 受體的亞型重碳酸鹽也參與了去極化，對(duì)于一些正在發(fā)育中的神經(jīng)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，該類GABAA 受體的去極化作用也是一種重要的神經(jīng)興奮系統(tǒng)[23]。

GABAB 受體也稱γ-氨基丁酸B 型受體，是一類與G 蛋白偶聯(lián)的跨膜蛋白，它們與Ca2+和K+的離子通道有關(guān)。突觸前膜的GABAB 受體能夠作為自身和異源2 種受體來(lái)關(guān)閉Ca2+通道以達(dá)到減少GABA 及谷氨酸釋放的作用，進(jìn)而對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生解除抑制效應(yīng)和抑制效應(yīng)這2 種相反的效應(yīng)。K+通道的開(kāi)放是由突觸后膜的GABAB 受體被激活后導(dǎo)致，使得神經(jīng)元產(chǎn)生超極化反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生抑制效應(yīng)[24]。

GABAC 受體屬于配體門(mén)控離子通道，與GABAA受體相似。GABAC 受體與GABAA 受體同樣為五聚體復(fù)合物，但GABAC 受體較為簡(jiǎn)單，中心是Cl-通道[25]。GABAC 受體的抑制涉及快速的Cl-傳導(dǎo)，基于其與GABAA 受體在結(jié)構(gòu)與功能上的相似性，國(guó)際藥理學(xué)聯(lián)盟命名委員會(huì)便將其歸為GABAA 受體亞型，而不再稱作GABAC 受體[26]。

1.4 GABA 的代謝途徑 GABA 的代謝途徑是由三羧酸循環(huán)（TCA 循環(huán)）衍生出的一個(gè)支路，這個(gè)代謝途徑由谷氨酸脫羧酶（GAD）直接并不可逆地對(duì)谷氨酸脫羧開(kāi)始，生成GABA 最后轉(zhuǎn)化為琥珀酸的過(guò)程[27]。

GABA 支路的第一步是由質(zhì)體中GAD 所介導(dǎo)，GAD 催化谷氨酸上的α-羧基進(jìn)行脫羧反應(yīng)，生成GABA 并同時(shí)放出CO2。GABA 被一種運(yùn)轉(zhuǎn)體（VGAT）包裹進(jìn)突觸前小泡，之后突觸前膜與含有GABA 的小泡融合，從而將GABA 釋放至突觸間隙。在突觸中，GABA 作用是否終止取決于GABA 自細(xì)胞外空間的移除。神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)都通過(guò)特殊的GABA 運(yùn)轉(zhuǎn)體（GATs）攝取GABA。GAT-1、GAT-2、GAT-3 和GAT-4 4 種GABA 運(yùn)轉(zhuǎn)體都已經(jīng)被證實(shí)每一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中皆具有其特征性的分布[28]。

第二個(gè)參與GABA 支路的酶是在線粒體中分布廣泛的GABA 轉(zhuǎn)氨酶（GABA transaminaze，GABA-T），它以γ-氨基丁酸-丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶和γ-氨基丁酸-α-酮戊二酸轉(zhuǎn)氨酶2 種形式存在。通過(guò)利用丙酮酸或者α-酮戊二酸來(lái)作為氨基受體可逆催化GABA 使其生成琥珀酸半醛，有對(duì)機(jī)體外的GABA-T 研究表明，α-酮戊二酸轉(zhuǎn)氨酶的活性比丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶的活性要低[29]。

GABA 支路的最后一步就是通過(guò)琥珀酸半醛脫氫酶（Succinic Semialdehyde Dehydrogenase，SSADH）對(duì)琥珀酸半醛進(jìn)行不可逆催化使其生成琥珀酸最后進(jìn)入TCA 循環(huán)達(dá)到該支路途徑的完成。這樣從GAD 經(jīng)過(guò)谷氨酸、GABA、GABA-T、丙酮酸、α-酮戊二酸和琥珀酸半醛生成琥珀酸的代謝過(guò)程構(gòu)成了TCA 循環(huán)的一條支路，即GABA 支路（圖4）[29]。

2 GABA 對(duì)魚(yú)類機(jī)體的影響

2.1 GABA 對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)的影響 目前，大多數(shù)研究表明，飼料中添加GABA 能夠提高飼料效率并對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用（表1）[30-44]。同種魚(yú)類在飼養(yǎng)周期相近的情況下，處于不同的生長(zhǎng)階段所需要的GABA 最適添加量也不同；大規(guī)格的魚(yú)需要添加GABA 較多，小規(guī)格的魚(yú)則需要添加的GABA 相對(duì)較少。陳秀梅[30]在40.55 g 的建鯉飼料中添加90 mg/kg GABA，發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)其生長(zhǎng)，但添加60 mg/kg 的GABA 對(duì)建鯉生長(zhǎng)無(wú)影響，可能原因是由于飼料中添加GABA 的量不足而導(dǎo)致促生長(zhǎng)作用未能表現(xiàn)。GABA 對(duì)不同魚(yú)類生長(zhǎng)效果的影響具有一定的差異性，可能與魚(yú)的自身種類、機(jī)體體質(zhì)和其飼料組成以及其生存環(huán)境等各種方面都具有一定關(guān)系；魚(yú)的體質(zhì)以及其生存環(huán)境不同會(huì)導(dǎo)致魚(yú)體對(duì)需求GABA 的量產(chǎn)生一定差異[30]；不同飼料原料配比對(duì)內(nèi)源GABA 的合成會(huì)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致魚(yú)對(duì)飼料中GABA 的需求量也發(fā)生相應(yīng)改變[34]。

表1 GABA 在魚(yú)類機(jī)體中的應(yīng)用

2.2 GABA 對(duì)魚(yú)類抗氧化能力的影響 魚(yú)類在養(yǎng)殖過(guò)程中極易受到水環(huán)境變化、飼料改變及飼養(yǎng)管理不善等方面的影響而產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，而任何應(yīng)激均伴有氧化應(yīng)激的發(fā)生[45]。魚(yú)類在處于長(zhǎng)期不良脅迫的條件下其機(jī)體內(nèi)原有的氧化還原平衡狀態(tài)極易受到破壞，致使機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激，從而影響各組織器官功能的正常行使，最終使得機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、免疫能力下降、發(fā)病率升高以及飼料轉(zhuǎn)化率低等[43]。由應(yīng)激造成的生長(zhǎng)抑制和健康受損問(wèn)題一直困擾著養(yǎng)殖業(yè)，是集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的瓶頸問(wèn)題之一[46]。因此，GABA 的抗氧化功能自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)受到越來(lái)越多研究學(xué)者的重視。徐賀[31]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飼料中添加54～90 mg/kg GABA 時(shí)，建鯉血清和肝胰臟超氧化物歧化酶（SOD）水平顯著提高，從而提高機(jī)體抗氧化能力。吳凡[32]研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼料中GABA 含量增加，肝臟谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）、SOD、總抗氧化能力（T-AOC）活性顯著增加，在100 mg/kg 的添加劑量時(shí)最高；而丙二醛（MDA）則是先降低后增加，在100 mg/kg 的添加劑量時(shí)最高，保護(hù)機(jī)體免受自由基的侵害；但飼料中GABA 含量超過(guò)100 mg/kg 后，肝腦GPx、SOD、T-AOC 活性下降，而MDA 含量增加，表明表明飼料中添加適量的GABA能提高草魚(yú)幼魚(yú)的抗氧化性能，過(guò)量則會(huì)使抗氧化能力降低。

同樣，缺氧也屬于氧化應(yīng)激的一種常見(jiàn)應(yīng)激，魚(yú)類缺氧的常見(jiàn)原因是由于組織器官供氧的減少和組織利用氧時(shí)發(fā)生了障礙[48]。魏智清等[37]通過(guò)在水中添加0.3%的GABA 使泥鰍的抗氧化應(yīng)激能力明顯提升；談?dòng)榔嫉萚38]通過(guò)在水中添加0.15%的GABA 來(lái)增強(qiáng)高體鳑鲏的抗缺氧能力。研究證明，當(dāng)機(jī)體處于缺氧缺血狀態(tài)下，胞外抑制性氨基酸GABA 是增加的[49]。

2.3 GABA 對(duì)魚(yú)類免疫力的影響 魚(yú)類免疫機(jī)能低下會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生較大危害，導(dǎo)致機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、繁殖能力下降以及發(fā)病率增高和死亡率上升等后果[50]。因此，如何增強(qiáng)魚(yú)類免疫能力對(duì)現(xiàn)代魚(yú)類的健康養(yǎng)殖具有重要意義。閆峰賓等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在水中添加50 mg/L GABA 可以有效緩解鯽的一些應(yīng)激敏感指標(biāo)（如葡萄糖、皮質(zhì)醇以及電解質(zhì)等）含量變化，從而減緩應(yīng)激對(duì)魚(yú)類機(jī)體的損傷，令機(jī)體具有一定的抗運(yùn)輸應(yīng)激作用；但添加100 mg/L GABA 對(duì)皮質(zhì)醇的降低程度并不明顯，這表明適量的GABA 就已經(jīng)可以抑制運(yùn)輸應(yīng)激所導(dǎo)致的血清皮質(zhì)醇上升程度，但GABA 添加過(guò)量則會(huì)通過(guò)負(fù)反饋進(jìn)而起到相反作用。徐賀[31]研究發(fā)現(xiàn)，建鯉的脾臟和頭腎中溶菌酶（LZM）活性和NO 含量均隨著GABA 添加量增加而呈上升趨勢(shì)，當(dāng)GABA 的添加范圍在36～108 mg/kg，LZM 活性顯著高于對(duì)照組，添加54～108 mg/kg GABA 時(shí)，NO水平都高于對(duì)照組，表明GABA 可以增加建鯉頭腎和脾臟LZM 活性和NO 含量，提高建鯉的免疫力。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

作為一種新型的綠色飼料添加劑，GABA 在促進(jìn)魚(yú)類機(jī)體生長(zhǎng)、增強(qiáng)其抗氧化能力以及提高其免疫力等方面具有顯著作用。雖然目前眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)GABA的結(jié)構(gòu)、理化特性、來(lái)源、分布和代謝等方面已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，但關(guān)于GABA 在魚(yú)類機(jī)體中的應(yīng)用方面尚為淺顯，在魚(yú)類機(jī)體生長(zhǎng)、抗氧化能力和免疫力方面相關(guān)研究所得到的結(jié)果因其試驗(yàn)中品種、生長(zhǎng)階段以及飼養(yǎng)環(huán)境等條件不同而存在著較大差異，使用效果并不穩(wěn)定。同時(shí)，關(guān)于GABA 毒性方面的相關(guān)研究較少，若控制不好外源性添加劑量，超出機(jī)體耐受力可能會(huì)引起機(jī)體休克或是死亡。因此，如何對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使GABA 能夠穩(wěn)定高效地發(fā)揮作用對(duì)于合理開(kāi)發(fā)利用GABA 以及其在魚(yú)類健康養(yǎng)殖中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。