豬小腸黏膜上皮細胞對不同能源物質(zhì)的利用和需求特點研究進展

劉玉婷，趙 寶，韓 蕊，秦貴信

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，動物生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量安全教育部重點實驗室，吉林省動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點實驗室，吉林長春 130118）

腸黏膜上皮細胞在營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收及腸道功能正常發(fā)揮過程中具有至關(guān)重要的作用。小腸黏膜上皮細胞與其他組織細胞不同，除維持自身結(jié)構(gòu)的完整和自我更新外，還承擔(dān)著營養(yǎng)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)運等生理功能。而且小腸上皮細胞更新最為旺盛，皮膚細胞代謝周期為28～35 d，肝細胞在160 d以上，小腸上皮細胞平均每3～5 d就更新一次。由此可見，能量供給對于小腸黏膜上皮細胞尤為重要。一旦能源物質(zhì)的數(shù)量和類別滿足不了細胞增殖和代謝的需求，則會引起小腸上皮損傷和功能紊亂，影響腸道健康。

葡萄糖、氨基酸和脂肪酸均可作為細胞的能源供給物質(zhì)。然而，不同功能的細胞對能源物質(zhì)的利用存在差異和選擇性。如腦神經(jīng)細胞所需能量的85%～95%來源于葡萄糖的氧化，而腸黏膜上皮細胞更傾向于利用氨基酸而非葡萄糖。有學(xué)者認為，能源物質(zhì)間可以相互轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化過程會出現(xiàn)能量損失的現(xiàn)象。因此，為細胞提供最適的能源底物才能既滿足其需求且能提高其利用效率。本文綜述了豬腸小腸黏膜上皮細胞對不同能源物質(zhì)的代謝、利用和需求特點，為更加深入全面地了解腸黏膜上皮細胞對能源物質(zhì)的需求特點及優(yōu)化豬的能量營養(yǎng)配給提供更多的參考依據(jù)。

1 腸黏膜上皮細胞的構(gòu)成和生物學(xué)功能

小腸是由單層柱狀上皮細胞覆蓋的腸絨毛和隱窩組成，腸絨毛是小腸的功能單位，腸黏膜上皮細胞又是位于腸絨毛頂部最主要的功能型細胞。腸黏膜上皮細胞起源于隱窩細胞，隱窩底部的細胞不斷進行有絲分裂，完成分裂后在其他細胞的推動下逐漸移動到小腸絨毛的頂部，直至脫落，這樣就完成了一次更新過程。腸黏膜上皮細胞主要由吸收細胞、杯狀細胞、少量內(nèi)分泌細胞和潘氏細胞組成，其中吸收細胞在腸絨毛上皮細胞中占95%，并發(fā)揮著主要作用。腸黏膜上皮細胞有多種生物學(xué)功能，它能夠直接參與腸道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收過程，又能阻止外來抗原的侵入，發(fā)揮屏障功能，也可以在腸黏膜免疫中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。腸黏膜上皮細胞在維持其高度有序的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能發(fā)揮的過程中，均需要營養(yǎng)物質(zhì)和能量的供給。

2 腸黏膜上皮細胞對葡萄糖的利用和需求特點

葡萄糖是哺乳動物生長、繁殖及大量生命活動的主要能源物質(zhì)。日糧中的碳水化合物經(jīng)過胃腸道的消化分解形成葡萄糖，再通過耗能的主動轉(zhuǎn)運被小腸黏膜上皮細胞吸收。研究表明，單糖和二糖在小腸內(nèi)的消化率幾乎為100%，但其中95%的葡萄糖會進入肝門靜脈，一部分（10%～15%）會被肝臟吸收用來合成糖原和有限的代謝；另一部分（85%～90%）會進入全身血液用于肝外組織（如心臟、大腦、骨骼肌和淋巴結(jié)）的代謝。未入肝門靜脈余下的5%葡萄糖會直接被小腸代謝，這部分葡萄糖可為小腸提供所需能量的5%～10%，同時葡萄糖代謝也為小腸細胞內(nèi)氨基酸和脂肪酸的合成提供了所需的還原型輔酶II（NADPH），對于維持細胞的生命活動具有重要意義。

葡萄糖能否高效利用的關(guān)鍵限速步驟是葡萄糖的轉(zhuǎn)運，葡萄糖不能直接穿透細胞膜，需要借助質(zhì)膜中特定的轉(zhuǎn)運載體進入細胞。腸道內(nèi)葡萄糖的轉(zhuǎn)運載體主要包括位于小腸黏膜刷狀緣上的Na依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運載體（SGLT）和葡萄糖易化轉(zhuǎn)運載體（GLUT）兩大類。其中SGLT1和GLUT2在腸黏膜上皮細胞吸收葡萄糖的過程中起著重要的作用。SGLT-1是位于小腸黏膜細胞頂端且吸收葡萄糖和半乳糖的主要轉(zhuǎn)運載體；GLUT-2是一種位于腸黏膜上皮細胞基底外側(cè)膜且具有高承載量的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體，可以通過它完成小腸上皮細胞向固有層轉(zhuǎn)運大量葡萄糖的過程。研究顯示，不同濃度葡萄糖處理IPEC-J2，可在短時間內(nèi)影響SGLT1的mRNA表達量，當葡萄糖濃度為75 mmol/L處理細胞40 min時，SGLT1的mRNA表達量最高，且可促進細胞增殖。這說明轉(zhuǎn)運載體在葡萄糖吸收利用的過程中起重要作用，通過上調(diào)自身蛋白表達量協(xié)助營養(yǎng)物質(zhì)高效進入細胞。由于不同組織細胞對葡萄糖代謝需求不同，同類轉(zhuǎn)運載體以其不同的類型發(fā)揮不同的功能。大腦中葡萄糖異化轉(zhuǎn)運載體主要以GLUT1和GLUT3發(fā)揮功能，GLUT1能夠介導(dǎo)葡萄糖跨血腦屏障，從而被大量利用，即使在血糖濃度很低（正常值下限）時也可以輕松把葡萄糖轉(zhuǎn)運到大腦。而肌肉中SGLT3和GLUT4為主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體，肌肉收縮可通過不同機制調(diào)節(jié)GLUT4的表達，從而促進葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運?？梢姡D(zhuǎn)運載體的特定作用對維持小腸黏膜上皮細胞的正常糖代謝起重要作用。葡萄糖轉(zhuǎn)運至腸黏膜上皮細胞后，通過氧化磷酸化和糖酵解途徑為細胞提供能量。當氧氣充足時，葡萄糖糖酵解的中間代謝產(chǎn)物——丙酮酸會轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，進入三羧酸循環(huán)后，徹底氧化產(chǎn)生32分子三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP），氧氣不足時，會通過糖酵解產(chǎn)能，但每分子僅產(chǎn)生2分子ATP，氧化磷酸化是正常狀態(tài)下腸上皮細胞中葡萄糖的主要供能方式。

綜上所述，小腸黏膜上皮細胞對葡萄糖的吸收和轉(zhuǎn)運過程中，兩類特異性且相互配合的載體起重要作用，SGLT1在細胞的游離面協(xié)助葡萄糖進入細胞，而GLUT2在細胞的基底面介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運至血液中。腸上皮細胞是葡萄糖的“轉(zhuǎn)運站”，而不是葡萄糖的“焚燒場”，消化道中的葡萄糖必須經(jīng)過腸上皮細胞進入體內(nèi)，而僅有很少一部分被腸上皮細胞利用，為腸上皮細胞的生長和發(fā)揮其生物學(xué)功能提供所需物質(zhì)和能量。

3 腸黏膜上皮細胞對氨基酸的利用和需求特點

在仔豬腸道發(fā)育過程中，氨基酸起著重要的作用。研究結(jié)果證明，日糧中的谷氨酰胺（Gln）、谷氨酸鹽和天冬氨酸鹽可共同為豬小腸黏膜提供80%以上的能量，是小腸黏膜的主要代謝燃料，而非葡萄糖。尤其是在促進腸黏膜更新和保持腸道結(jié)構(gòu)等方面具有重要作用。Stoll等研究表明，幾乎100%的日糧中Gln在通過生長豬小腸時都被消耗。Fleming等在空腸上皮細胞培養(yǎng)基中分別加入Gln、葡萄糖、丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽，發(fā)現(xiàn)腸黏膜上皮細胞對Gln氧化速度最快，且在Gln足量的情況下可節(jié)省葡萄糖的氧化。Gln和谷氨酸（Glu）在豬腸上皮細胞中氧化生成二氧化碳（CO）的量高于葡萄糖。以上研究均表明Gln和Glu在腸上皮細胞內(nèi)優(yōu)先且大量氧化。

Gln在腸道內(nèi)的大量氧化與其功能有關(guān)，它既是許多重要物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、嘌呤、嘧啶和核苷酸等）合成所需的前體，也是腸上皮細胞增殖的重要能源物質(zhì)。Gln的結(jié)構(gòu)決定了它能為其他氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸的合成提供氮源，Gln在谷氨酰胺酶的作用下生成Glu，然后在轉(zhuǎn)氨酶的作用下為生成丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、鳥氨酸等提供底物；在嘌呤和嘧啶的合成過程中，Gln的分解產(chǎn)物作為前體物質(zhì)參與細胞合成DNA和RNA。整個過程中，Gln的分解作用占主要地位，而在肌肉、肝臟、大腦、肺和脂肪細胞中則相反，Gln的合成反應(yīng)占明顯優(yōu)勢。Gln的另一個重要作用則是能夠為細胞生命活動提供能量，Gln的結(jié)構(gòu)也決定它可以像葡萄糖一樣提供碳鏈，經(jīng)過氧化后釋放能量。在腸黏膜細胞中1 mol Gln 氧化后可生成2分子CO和9 mol ATP，不生成CO的其他3個碳參與了其他能量代謝。Gln為腸黏膜上皮細胞提供能量，主要是通過高度親和的Na依賴性載體系統(tǒng)進入腸上皮細胞，正常生理條件下，這是Gln轉(zhuǎn)運的主要途徑。特殊情況下，低親和性的非Na依賴性載體系統(tǒng)也起作用。Gln進入腸黏膜細胞后，在線粒體中水解生成谷氨酸，經(jīng)三羧酸循環(huán)轉(zhuǎn)化為-酮戊二酸，氧化生成ATP，從而滿足腸內(nèi)ATP依賴的代謝途徑所需要的能量，包括營養(yǎng)物質(zhì)的主動運輸、細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及上皮細胞的增殖和遷移。Gln代謝過程中，谷氨酰胺代謝酶（谷氨酰胺分解酶和谷氨酰胺合成酶）起重要作用，這兩類酶扮演著特異性的角色，在腸黏膜上皮細胞內(nèi)的谷氨酰胺分解酶數(shù)量高于其他組織，而合成酶含量則非常低，這也支撐了Gln在腸道內(nèi)以分解代謝為主。

Glu和天冬氨酸（Asp）也是腸黏膜上皮細胞的重要能源物質(zhì)，同時Glu和Asp在腸道中主要通過轉(zhuǎn)氨基作用轉(zhuǎn)化為其他基底物質(zhì)，如谷胱甘肽、精氨酸和瓜氨酸等。Glu少量在胃內(nèi)被吸收，大部分（約95%）在腸道中被分解，而在其他組織中Glu的分解代謝較弱，如在肌肉組織中僅有15%被氧化分解，在肝臟中Glu表現(xiàn)為凈合成。在腸道中，Glu是通過高親和力的谷氨酸轉(zhuǎn)運載體和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進入腸上皮細胞再轉(zhuǎn)運到血液循環(huán)系統(tǒng)中，幾乎所有的Glu都是通過腸黏膜上的興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運子3（EAAT 3）轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)。Asp在腸道內(nèi)和-酮戊二酸通過轉(zhuǎn)氨作用形成Glu和草酰乙酸，草酰乙酸在O充足時參與TCA循環(huán)，為組織細胞提供能量。與Gln相同，Glu和Asp均可作為合成嘌呤或嘧啶的前體物質(zhì)，也是主要通過氧化方式為細胞提供能量。

以上研究結(jié)果證明，氨基酸（Gln、Glu和Asp）在腸道內(nèi)的代謝量高于其他組織，它們既是合成嘌呤、嘧啶和核甘酸的前體物質(zhì)和必需底物，也是體內(nèi)循環(huán)代謝的中間物。由此判斷，氨基酸既是腸黏膜上皮細胞生命活動優(yōu)先選擇的能量供體，也是主要的氮源和碳骨架，也就是說氨基酸既是小腸黏膜上皮細胞的結(jié)構(gòu)性需求物質(zhì)，也是重要的消耗性能源物質(zhì)。

4 腸黏膜上皮細胞對脂肪酸的利用和需求特點

脂肪酸也可作為腸上皮細胞的能源物質(zhì)，同時也能構(gòu)成細胞膜的脂質(zhì)部分，還是細胞內(nèi)部多種信號分子的組成物質(zhì)。脂肪酸進入腸道細胞后，在胞漿中被活化，形成脂酰CoA后進入線粒體中發(fā)生-氧化，也可為腸黏膜上皮細胞的增殖和分化提供部分營養(yǎng)和能量。在腸上皮細胞中，中鏈脂肪酸（MCFA）可以直接快速供能，但大部分MCFA會直接經(jīng)門靜脈血輸送至肝臟，為機體提供能量。短鏈脂肪酸與中鏈脂肪酸功能類似，但基本都是作為結(jié)腸上皮細胞的主要燃料，提供結(jié)腸上皮細胞所需能量的60%～70%，對維持結(jié)腸黏膜的正常代謝、調(diào)節(jié)結(jié)腸細胞的生長和增殖必不可少。近年來也有研究發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸在空腸中也發(fā)揮一定作用，能夠促進空腸上皮細胞的增殖和生長。長鏈脂肪酸也可被吸收進入小腸上皮細胞，但需要脂肪酸結(jié)合蛋白（FABP）把大部分長鏈脂肪酸從細胞膜轉(zhuǎn)運到氧化的部位。小腸黏膜上皮細胞的代謝需要脂肪酸參與，但楊袁研究發(fā)現(xiàn)，低濃度不同鏈長脂肪酸處理IPEC-J2 細胞后，會促進腸黏膜上皮細胞的分化，隨著濃度和處理時間的增加，不同鏈長脂肪酸會抑制細胞增殖，甚至誘導(dǎo)細胞凋亡。而在不同的組織細胞中，脂肪酸的需求量存在較大差異，心肌60%～70%的供能來自脂肪，脂肪能夠為其供給更長期穩(wěn)定的能源。小腸黏膜上皮細胞的生命活動雖然離不開脂肪酸，但對脂肪酸的需求量較低，適當?shù)墓┙o量，可能會使腸黏膜上皮細胞的功能得到有效發(fā)揮。

5 小 結(jié)

綜上所述，豬小腸黏膜上皮細胞功能的正常發(fā)揮，離不開葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，這些物質(zhì)為腸上皮細胞的各種生命活動提供了營養(yǎng)和能量，但在需求量和利用方式上與其他組織細胞相比存在較大差異。豬小腸黏膜上皮細胞對氨基酸利用的最多，尤其是Gln、Glu和Asp。研究已證明氨基酸既是小腸黏膜上皮細胞的結(jié)構(gòu)性需求物質(zhì)，也是細胞的能量供體物質(zhì)，而葡萄糖不能儲存于細胞中，只能為細胞代謝過程提供瞬時且高效的能量；脂肪酸的需求較少，過高會對細胞產(chǎn)生負面影響。據(jù)此，需要按細胞的能量需求和生物合成需求考慮其對營養(yǎng)物質(zhì)需求的差異性，同時結(jié)合細胞能量代謝和生物結(jié)構(gòu)合成過程中的需求，保障腸黏膜上皮細胞生命活動的營養(yǎng)供給平衡，避免能源物質(zhì)結(jié)構(gòu)性失衡影響細胞生物學(xué)功能的發(fā)揮。探討小腸黏膜上皮細胞代謝過程中能源物質(zhì)的需求，可為仔豬腸道健康發(fā)育和精準營養(yǎng)的日糧配制提供參考依據(jù)。