腸道中谷氨酸的功能及其吸收轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控

陳明霞，劉賢旭，梁常杰

(廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院動(dòng)物科技學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引言

研究表明，谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體SLC1A1(EAAT3)功能缺失性突變是二羧基氨基酸尿癥的原因[1]。谷氨酸可以減緩腸道誘發(fā)性細(xì)胞旁路滲透性過高，有利于保護(hù)腸道的完整性[2]，顯示出谷氨酸及其轉(zhuǎn)運(yùn)載體對(duì)人體和動(dòng)物健康的重要性。

本文圍繞腸道中谷氨酸發(fā)揮上皮細(xì)胞能源物質(zhì)、生物活性分子前體物質(zhì)和腸道神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)遞質(zhì)的功能，以及腸上皮細(xì)胞主要的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體及其表達(dá)和轉(zhuǎn)運(yùn)活性調(diào)控進(jìn)行綜述，為谷氨酸營養(yǎng)在動(dòng)物，尤其是幼齡動(dòng)物腸道發(fā)育和健康方面的應(yīng)用提供參考。

1 腸道中谷氨酸的功能

1.1 能源物質(zhì)

肝臟是氨基酸分解代謝和氧化的主要場(chǎng)所，而對(duì)小腸而言，其不僅是營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要組織，在日糧氨基酸的代謝中也扮演著重要的角色。腸道是谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸等非必需氨基酸分解代謝的主要場(chǎng)所之一[5]。

氨基酸是小腸黏膜的主要能源物質(zhì)，日糧中大部分谷氨酰胺、幾乎所有的谷氨酸和天冬氨酸沒有進(jìn)入門脈循環(huán)流到小腸以外的組織，大部分谷氨酸在跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞的過程中就被代謝，使得首過代謝(first-pass)成為研究腸道中谷氨酸代謝不可忽視的問題。腸道中谷氨酸代謝主要在腸上皮細(xì)胞中進(jìn)行，氧化代謝是其主要代謝形式。腸道中谷氨酸代謝非常迅速，98%以上的谷氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸，然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)途徑并產(chǎn)生ATP[6]。腸上皮細(xì)胞中ATP的生產(chǎn)和利用非?；钴S，上皮細(xì)胞每幾天就更新一次，對(duì)能量的需求比較大，盡管胃腸道只占體重的約5%，但氧消耗卻占到整個(gè)機(jī)體20%左右。在星形細(xì)胞中，谷氨酸被吸收進(jìn)來后在谷氨酰胺合成酶的作用下酰胺化為谷氨酰胺。谷氨酸和谷氨酰胺對(duì)腸上皮細(xì)胞氧化供能有促進(jìn)作用。然而，小腸中谷氨酰胺和谷氨酸的代謝是高度區(qū)分的。當(dāng)谷氨酸和谷氨酰胺同時(shí)出現(xiàn)在腸上皮細(xì)胞時(shí)，谷氨酸可以抑制谷氨酰胺的利用和氧化[7]。

1.2 前體物質(zhì)

腸黏膜中的谷氨酸不但可以用于合成蛋白質(zhì)，同時(shí)可以作為生成天冬氨酸、丙氨酸、脯氨酸、鳥氨酸和瓜氨酸的前體物質(zhì)。在腸上皮細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)和線粒體中，谷氨酸在天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、支鏈氨基酸氨基轉(zhuǎn)移酶和谷氨酸脫氫酶的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)氨代謝[23]。大鼠腸道原位灌注以及仔豬和人的在體研究表明，大部分谷氨酰胺(55%～70%)、谷氨酸(52%～64%)和天冬氨酸(52%)氧化成為CO2，剩余的氨基酸將轉(zhuǎn)化為乳酸、丙氨酸、脯氨酸、瓜氨酸和精氨酸，然后進(jìn)入門靜脈循環(huán)。

谷氨酸與半胱氨酸、甘氨酸是腸上皮細(xì)胞質(zhì)合成谷胱甘肽的前體物質(zhì)，具有抗氧化作用的谷胱甘肽的合成主要受半胱氨酸和谷氨酸的限制。仔豬腸黏膜谷胱甘肽主要由谷氨酸直接代謝衍生而來，仔豬哺乳后小腸中的谷氨酸脫氫酶活性增加了將近3倍[8]。因此，谷氨酸對(duì)提高腸道的抗氧化作用也起到一定的作用[9]。

腸上皮細(xì)胞中的谷氨酸還可以參加其他一些代謝通路，例如N-乙酰谷氨酸的合成。N-乙酰谷氨酸由乙酰輔酶A和谷氨酸在N-乙酰谷氨酸合成酶的作用下合成。N-乙酰谷氨酸是氨基甲酰合成酶的別構(gòu)激動(dòng)劑，因此，谷氨酸衍生N-乙酰谷氨酸代謝過程可能對(duì)腸上皮細(xì)胞生成瓜氨酸發(fā)揮一定的作用。

1.3 神經(jīng)遞質(zhì)

谷氨酸是主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在腦中含量非常豐富，但大部分都是在胞內(nèi)，細(xì)胞膜兩側(cè)谷氨酸濃度有幾千倍的差異。谷氨酸的周轉(zhuǎn)周期很短，胞內(nèi)的谷氨酸持續(xù)不斷地釋放到胞外，胞外的谷氨酸也持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)運(yùn)到胞內(nèi)。谷氨酸通過谷氨酸受體發(fā)揮信號(hào)傳導(dǎo)作用[10]，谷氨酸受體位于能夠表達(dá)其的細(xì)胞表面，因此，細(xì)胞周圍的細(xì)胞外液決定受體興奮性的程度，胞外谷氨酸濃度保持在較低水平非常關(guān)鍵。

消化系統(tǒng)中有其自身的神經(jīng)系統(tǒng)，通常稱之為腸道神經(jīng)系統(tǒng)，腸道神經(jīng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，含有各種功能不同的神經(jīng)元，它在一定程度上受中樞神經(jīng)的指揮，同時(shí)可以反饋調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)，在不受外部神經(jīng)信號(hào)影響的條件下也可以完成一系列反射和整合活動(dòng)。谷氨酸可能在腸道神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)的作用，EAAT3在腸道神經(jīng)元中廣泛表達(dá)[11]，是調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)系統(tǒng)谷氨酸濃度的關(guān)鍵功能基因。越來越多的證據(jù)表明，谷氨酸在腸道神經(jīng)系統(tǒng)中具有信號(hào)分子的作用，與鮮味[12]和胃腸道營養(yǎng)信號(hào)[13]共同調(diào)節(jié)神經(jīng)內(nèi)分泌反射。

2 腸道中谷氨酸的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)

2.1 腸道中谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體

上皮細(xì)胞中谷氨酸代謝的第一步是谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)，腸腔中的谷氨酸跨過頂膜轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞中主要是通過谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體來完成。

EAAT3主要是在小腸中表達(dá)，胃和大腸中的表達(dá)量都比較低，EAAT1和EAAT2在大多數(shù)胃細(xì)胞的細(xì)胞器中都有表達(dá)，但小腸中的表達(dá)相對(duì)較低。仔豬、大鼠和反芻動(dòng)物上的研究表明，小腸上皮細(xì)胞中檢測(cè)不到EAAT4和EAAT1蛋白的表達(dá)，仔豬和反芻動(dòng)物中可檢測(cè)到EAAT2的表達(dá)。EAAT3轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的表達(dá)量隨著隱窩-絨毛軸上皮細(xì)胞的分化程度而增加[16-19]。腸上皮細(xì)胞中，EAAT2和EAAT3分別在基底膜和頂膜發(fā)揮作用，EAAT3是小腸上皮細(xì)胞底膜主要的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體。

2.2 腸道中谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控

腸道中谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)效率調(diào)控主要包括2種途徑：①可通過改變谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)量進(jìn)行調(diào)控。②也可以通過調(diào)節(jié)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)活性來實(shí)現(xiàn)。

Mott等的研究表明，慢速生長(zhǎng)型雞腸道EAAT3 mRNA表達(dá)高于快速生長(zhǎng)型雞，這可能是因?yàn)镋AAT3高表達(dá)有利于提高谷氨酸/天冬氨酸的吸收，從而提供能量促進(jìn)其他營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因表達(dá)和腸道的發(fā)育[20]。同樣地，對(duì)3～14日齡雛雞的研究表明，EAAT3 mRNA表達(dá)豐度在不同品系中也存在顯著性差異[21]，EAAT3 mRNA表達(dá)受品系、日糧蛋白組成、腸段和日齡的影響[22]。黎相廣等通過對(duì)溫氏土雞和隱性白洛克雞胚小腸的研究發(fā)現(xiàn)，溫氏土雞雞胚小腸EAAT2和EAAT3 mRNA豐度高于隱性白洛克，其表達(dá)量受發(fā)育水平的影響，存在“品種×胚齡”互作效應(yīng)，而且EAAT3 mRNA豐度高于EAAT2 mRNA[23]。

雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin，TOR)是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的重要信號(hào)通路，谷氨酸能上調(diào)m TOR 通路的表達(dá)。Makky等研究表明，脊椎動(dòng)物腸道上皮細(xì)胞的發(fā)育受TOR信號(hào)通路的調(diào)控[24]，TOR作為PI3K/Akt信號(hào)通路的下游基因可調(diào)節(jié)EAAT2的表達(dá)[25]，SGK1(serum-and glucocorticoid-Inducible kinase 1)、PDK1(phosphoinositide-dependent kinase 1)和PDGF(platelet-derived growth factor)通過活化Akt/PI3K信號(hào)通路上調(diào)EAAT3的表達(dá)，GTRAP3-18(glutamate transporter associated protein 3-18)或者DOR(δ-opioid receptor)的交互作用可以下調(diào)EAAT3的表達(dá)[26]，腸道中EAAT2和EAAT3基因表達(dá)差異是否受TOR信號(hào)通路的調(diào)控有待進(jìn)一步研究。

在谷氨酸藥理學(xué)作用和不同類型谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體功能研究方面，常常用到各種類型的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(EAATs)抑制劑，這些抑制劑大多數(shù)是谷氨酸或天冬氨酸的類似物，可以特異性抑制谷氨酸的吸收。

大部分第一代EAATs抑制劑是一些競(jìng)爭(zhēng)性的底物，可競(jìng)爭(zhēng)性地抑制谷氨酸的吸收，同時(shí)可以誘導(dǎo)興奮性氨基酸(谷氨酸和天冬氨酸)從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外[27]。阻斷劑(非轉(zhuǎn)運(yùn)性抑制劑)含有可以非損傷性結(jié)合但產(chǎn)生移位的特異性取代基，可以有效地阻斷EAATs對(duì)谷氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，這些阻斷劑的發(fā)展有利于EAATs內(nèi)在特性和生理功能的研究[28]，L-trans-pyrrolidine-2，4-dicarboxylate(t-2，4-PDC)和DL-threo-b-benzyloxyaspartate(DL-TBOA)分別是競(jìng)爭(zhēng)性底物和阻斷劑的代表[29]。

3 結(jié)語

谷氨酸作為非必需氨基酸，在腸道發(fā)育和腸上皮細(xì)胞更新能量提供、生物活性物質(zhì)生成以及腸道神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)方面發(fā)揮著重要的作用。腸道中谷氨酸的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)主要依賴于EAAT3，其表達(dá)水平和轉(zhuǎn)運(yùn)活性的調(diào)控影響谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)吸收以及功能的發(fā)揮。谷氨酸對(duì)動(dòng)物，尤其是幼齡動(dòng)物腸道發(fā)育和健康具有重要作用，但是目前這方面的研究較少，谷氨酸調(diào)控動(dòng)物腸道發(fā)育和維持腸道健康的生產(chǎn)應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。