谷氨酰胺的生物学功能及其在断奶仔猪中的应用
日期：2006-4-13 11:05:00 来源：河南畜牧网 主题：谷氨酰胺的生物学功能及其在断奶仔猪中的应用
作者：袁 玖，姚… 文章来源：饲料工业
摘 要 文中概述了谷氨酰胺的营养生理功能及对动物机体免疫功能的影响。谷胺酰胺对早期断奶仔猪胰腺及小肠胰蛋白酶活性，肠道结构和功能，血浆内毒素水平，饲喂生大豆后肠道通透性的影响及对早期断奶仔猪腹泻的影响，以及对骨骼肌中DNA、RNA浓度的影响。
非必需氨基酸（NEAA）谷氨酰胺（Glutamine, Gln）是哺乳动物血浆和母猪乳汁中一种非常丰富的氨基酸，是一种重要的营养素。近年来的研究表明，在应激和病理条件下，内源性Gln往往不能满足动物机体需要，甚至发生Gln枯竭。Gln在猪乳游离型或蛋白质结合型氨基酸中含量最丰富，断奶后肠细胞谷氨酰胺氧化速率的加快表明Gln作为断奶仔猪肠细胞代谢的能量物质非常重要。在NRC（1998）《猪的营养需要》中，谷氨酰胺已被定义为“条件性必需氨基酸”。
1 谷氨酰胺的营养生理功能
Gln是一种中性氨基酸，带有两个氨基和一个易水解的末端酰氨基。Gln最重要的生理功能是作为组织间转氨作用的载体。Gln是嘌呤、嘧啶、氨基酸、蛋白质、核酸及氨基糖等生物分子合成的主要前体。Gln可调节机体酸碱平衡，在维持胃肠道粘膜组织结构，提高肠道免疫力上具有氧化供能及为细胞增殖提供碳、氮原料双重代谢效应。此外，Gln是快速生长和分化细胞（如血管内皮细胞、淋巴细胞、肠粘膜上皮细胞、肿瘤细胞等）的主要能源物质，1mol/l的Gln直接三羧酸循环可产生30mol/l的ATP。Gln还具有增强肠道免疫组织细胞抗氧化性损伤和改善创伤后免疫功能抑制的作用。
2 谷氨酰胺对动物机体免疫功能的影响
许多研究表明，Gln也是各种免疫细胞的重要能源物质。这些细胞对Gln的利用类似对糖的利用，在需求量上甚至超过了糖。有试验发现，当基质上Gln浓度降低时，淋巴细胞分裂增殖速度下降，巨噬细胞吞噬能力减弱。同时，Gln影响免疫系统的因素还在于Gln是淋巴细胞嘧啶和嘌呤核苷酸合成的前驱物，是合成核酸不可缺少的氮源。此外，Gln是肠相关淋巴细胞（Gut associated lymphatictissue，GALT）的重要营养素。当机体遭受严重感染时，肠淋巴系统对Gln的消耗量大大增加，说明此时肠淋巴系统代谢加强，对Gln的利用加强。因此，Gln在维持肠道免疫功能上也具有重要的作用。
2.1 谷氨酰胺与免疫细胞
Gln对维持免疫细胞（如淋巴细胞，巨噬细胞等）的正常功能等具有重要作用。在淋巴细胞和巨噬细胞中，大部分Gln以不完全氧化方式进行，Gln分解成谷氨酸（Glu）后，主要通过天冬氨酸转氨酶的转氨基作用产生α-酮戊二酸进入三羧酸循环。Gln对体外培养的免疫细胞具有调节作用。
研究发现，在体外培养的大鼠肠淋巴细胞中观察到缺乏Gln的培养基中3H胸腺嘧啶整合进入DNA速率很低，当向培养基添加1μm Gln可使3H胸腺嘧啶整合进入的速率增加4倍，当Gln达0.3mM时，速率达最大。同时，丝裂原ConA诱导淋巴细胞对Gln的利用增加约51%，表明淋巴细胞的分化和增殖需大量Gln参与。另外，多例体外试验证明，Gln对淋巴细胞的增殖和转化有明显促进作用。黄耀凌等研究指出，在基础饲料条件下，小鼠灌喂添加Gln直接观察Gln的免疫作用，结果发现，补充Gln的小鼠脾淋巴细胞自然增殖和刺激增殖都增强，B淋巴细胞分泌抗体能力也加强，与Crawford体外试验结果一致。众多体外研究表明，即使不具备增殖、分化特征的MΦ对Gln也有很高利用率。Moskovitz等证实在巨噬细胞的最后分化阶段，Gln对于分泌蛋白的产生（TNF，IL-1）或膜磷脂的mRNA合成是必需的。Wallace和Keas发现，在小鼠腹腔巨噬细胞培养基中加入不同浓度的Gln，当Gln浓度从2mmol/l降至0.03mmol/l时，IL-1的分泌量减少35%，缺少Gln的培养液中，IL-1的分泌下降60%，表明巨噬细胞合成和分泌IL-1的能力是依赖Gln的。总之，在体外试验测定免疫细胞的许多功能，都依赖于供应生理浓度以上的Gln，如有丝分裂原刺激的淋巴细胞增殖、巨噬细胞IL-1的产生及淋巴细胞和巨噬细胞RNA的合成等。为了达到最佳免疫功能，免疫细胞离不开Gln的供应。
Gln对全身免疫也具有调节作用。Suzuki等（1993）给小鼠尾静脉注射耐青霉素的葡萄球菌并观察其20d的存活率，发现口服补充Gln可使动物的存活率从20%提高到70%。这些研究表明，体内加入Gln很可能是通过提高机体的免疫功能来减少感染的发生率和脓毒病症死亡率。
2.2 谷氨酰胺与肠道免疫
小肠除具有消化食物和吸收营养的功能外，还与细菌、毒素、食物抗原和潜在的有害生物肽构成生理免疫屏障。目前认为肠道是体内最大的免疫器官，肠道这一复杂的免疫系统被称为肠道相关淋巴组织（GALT）。许多免疫细胞（如淋巴细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞）都参与了肠道免疫，其中由浆细胞所分泌的大量分泌型免疫球蛋白（S-IgA）在抵抗细菌侵害中起着非常重要的作用。
Gln对肠道免疫具有调节作用。Burker等研究了接受完全胃肠外营养（Total parenteral nutrition,TPN）动物的肠道免疫功能的变化，发现没有加Gln的动物，其胆汁中S-IgA的分泌下降了50%，细菌大量粘附于粘膜表面，肠系膜淋巴结中有明显的细菌易位，而在TPN中加入Gln后S-IgA水平明显增加，细菌移位的发生率从58%下降到8%。Gln还直接影响肠系膜淋巴结内巨噬细胞介导的杀灭作用。余斌等发现，未补充Gln的动物空肠和回肠液中S-IgA的含量在伤后明显降低，动脉血中IgA的含量也明显降低，而补充Gln的动物空肠和回肠液中S-IgA以及动脉血中的IgA均明显高于未补充的动物，且与伤前无明显差别。说明早期肠道营养液中加入Gln能明显维护肠粘膜细胞分泌 S-IgA的功能，对防治烧伤后的细菌或毒素移位有重要意义。
3 谷氨酰胺在早期断奶仔猪营养生理中的作用
3.1 谷氨酰胺对早期断奶仔猪胰腺及小肠胰蛋白酶活性的影响
Pinkus等通过胰腺细胞培养和胰腺离体灌注证实，Gln是胰腺外分泌细胞的一种重要呼吸底物。正常成年动物体内能合成足够的Gln，哺乳仔猪可从母乳中获得充足的Gln，以满足机体需要。早期断奶仔猪不仅丧失了母源Gln，断奶应激还增加了其对Gln的需求量。而此时仔猪体内合成尚不能满足需要。研究证明，3～5周龄是哺乳仔猪胰蛋白酶发育的高峰期，早期断奶时仔猪消化酶系发育未完善，导致仔猪胰腺蛋白酶活性下降，需2～4周恢复或超过断奶时水平。Helton等发现加入Gln的TPN能使切除60%的小肠的大鼠胰液中总蛋白酶原含量增加。王连娣等研究表明，早期断奶仔猪日粮中添加Gln有助于缓解早期断奶所造成的胰蛋白酶活性下降，并缩短胰蛋白酶活性恢复所需时间。表明Gln在应激状态下，对维持机体胰腺正常结构和功能起重要作用。原因可能是Gln促进了胰腺腺泡的增生。
3.2 谷氨酰胺对早期断奶仔猪肠道结构和功能的影响
对于早期断奶仔猪，当内源性Gln也不能满足需要时，就会导致断奶后短期内肠绒毛萎缩，隐窝加深，肠道结构和功能遭到破坏，造成生产性能低下。医学研究证明，在输液中加入Gln可防止由于消化道疾病而长期接受TPN所导致的肠萎缩。有试验表明，外源性的Gln 和Glu 在胃酸环境中不会被分解而完整地进入肠道，并且Windmueller证实，肠中Gln和Glu的存在会明显减少肠粘膜细胞对血液中Gln的摄取。用富有Gln的食物会明显增加肠道对Gln的摄取，激活Gln转运载体，刺激肠粘膜细胞谷氨酰胺酶的活力。因此通过外源添加来补充Gln在理论上是可行的。刘涛等研究结果表明，添加1%Gln或1%Glu可防止断奶后1周内空肠绒毛萎缩，减少断奶后2周内空肠固有膜内未成熟细胞数，显著改善断奶后1周内小肠吸收功能。
3.3 谷氨酰胺对早期断奶仔猪血浆内毒素水平的影响
研究证实，内毒素血症或外源注射内毒素可引起Gln代谢和流动的明显异常。Chen等研究发现，内毒素可引起严重负氮平衡，全血Gln浓度和空肠粘膜谷氨酰胺酶活性明显降低，粘膜重量、厚度和蛋白含量减少，肠粘膜绒毛高度变短，但如果预先给予Gln，则上述内毒素介导的肠粘膜损伤可明显逆转。屠伟峰等报道，在猪急性重症胰腺炎的动物模型中，静脉内Gln支持可显著升高血浆Gln水平，同时可显著地减轻急性重症胰腺炎所致肠源性细菌/内毒素易位。张军民等（2002）在断奶仔猪含5%生大豆的基础日粮中添加1%和2%的Gln，结果表明，日粮中添加Gln可显著增加仔猪血浆中尿素氮水平和尿液中尿素氮的排出，并可明显降低断奶仔猪血浆内毒素含量。这可能与细菌易位率降低有关，也可能是Gln发挥肠道保护作用的机理之一。
3.4 谷氨酰胺对饲喂生大豆仔猪肠道通透性的影响
如上所述，小肠粘膜对肠道中潜在的有害物质构成了一道屏障。而饲喂生大豆可损害这种结构，全面影响消化吸收功能。李宁等研究表明，给腹部手术后的病人静脉输注高于生理剂量的Gln，可以抑制肠道通透性升高，保护肠粘膜屏障。Hulst等研究表明，Gln可防止肠外营养所致的肠道渗透性增加和维持粘膜的结构。Khan等研究表明，Gln能促进隐窝细胞增生，促进肠腔内粘液凝滞体的分泌，因为Gln是糖蛋白的重要组成成分之一，而糖蛋白是构成肠腔粘液的主要成分。也有试验表明，丙氨酰谷氨酰胺在肠外营养中可增加大鼠肠腔粘液凝滞体和降低肠道通透性。还有研究表明，Gln作为肠上皮细胞的营养物，能缓解小肠结构的改变，减少肠道的通透性和肠道细菌的易位。而张军民等（2002）试验显示，在饲喂生大豆造成仔猪肠道损伤的模型中，未发现添加Gln能明显降低肠道通透性。这可能因为TPN所造成的肠道绒毛萎缩与饲喂生大豆所造成的肠道过敏反应所引起的肠道损伤机制并不完全相同。用饲喂生大豆所造成的过敏反应可引起更严重的肠道绒毛脱落和炎症反应。
3.5 谷氨酰胺对早期断奶仔猪腹泻的影响
有研究表明，给断奶仔猪喂以适当处理的全脂大豆作为唯一蛋白质来源的日粮，会引起仔猪腹泻，以及对木糖的吸收能力降低和皮肤迟发性过敏反应。这种效应在断奶后5d达最大，12～13d恢复。由于早期断奶仔猪的免疫应激，此时肠上皮淋巴细胞和GALT对Gln的需要可能增加。添加Gln有助于正常的免疫应答的发生，进而有助于防止断奶应激时肠道的继发感染。有资料报道，口服Gln有刺激NaCl吸收的作用（Argenzio等，1990）。肠腔内补充Gln可比葡萄糖更好地促进水及电解质在空肠选择性吸收，并可使肠高分泌状态转变为吸收状态。张军民等（2002）试验显示，日粮添加Gln可减少粪中水分的含量，缓解仔猪因饲喂生大豆而导致的腹泻发生。
3.6 谷氨酰胺对骨骼肌中DNA、RNA浓度的影响
已知体内Gln的含量占细胞内游离氨基酸库的61%，而且大部分由肌肉提供。肌肉中Gln浓度为血液循环的30倍。正常情况下，肌肉净释放Gln。当分解代谢增强时，Gln的释放大大加快，创伤感染。应激时，Gln的利用大于合成，导致血浆及肌肉细胞Gln含量迅速下降。肌肉蛋白质合成速率的降低与Gln含量减少密切相关，并呈正相关。仔猪断奶后平均日增重的显著降低，可能是与Gln不足而导致肌肉内蛋白质的合成减少有关。刘涛等（2003）研究结果显示，断奶后7d时肌肉中的RNA水平显著低于未断奶时（P＜0.05），表明断奶对仔猪肌肉中蛋白质合成影响很大。而添加Gln和Glu的肌肉中的RNA水平均高于同期对照组。RNA含量的增加通常意味着蛋白质合成的增加，一方面肌肉蛋白增加，另一方面是维持更高蛋白含量状态的平衡需要更多的酶蛋白参与。其作用机理可能是：Gln和Glu在体内可转化为Arg，而Arg浓度的上升又可刺激生长激素（GH）分泌，GH可增强DNA聚合酶活性，促进mRNA转录，使mRNA合成增加，核糖体数量增多。生长速度的加快，往往有相对高的GH水平，但Gln、Glu与GH的进一步关系还有待于进一步研究。
4 谷氨酰胺的作用机理和添加形式
Gln对维持断奶仔猪肠道正常形态、结构和功能具有重要作用，其可能的原因是：①Gln是肠道利用最多的氨基酸，并且作为肠粘膜的主要能量来源及嘌呤和蛋白质的氮源供体，用来维持依赖于ATP的许多代谢过程的顺利进行；②由Gln代谢产生的鸟氨酸是多胺合成的重要前提，而多胺是一种脂肪组胺类，在肠道细胞的增殖、分化以及受损肠上皮的修复等过程中都有重要的作用；③由Gln代谢产生的Arg作为合成NO（一氧化氮）的前体发挥着重要的作用，NO在调控小肠血流，肠道的分泌以及完整性等方面起重要作用；④以Gln代谢产物为主要前体而合成的谷胱甘肽在保护肠道免受细菌和毒素的侵害中也有积极作用（刘涛等，1999）。
Gln对酸敏感，遇高温不稳定，水中溶解度低，从而限制了其在生产中的广泛应用。近年来，人们发现如L-Ala-Gln和L-Gly-L-Gln等含Gln的二肽，因其较高的稳定性和溶解度，为Gln在肠外营养中的应用提供了新的思路。
5 结语
随着养猪生产集约化程度的不断提高，仔猪早期断奶变得越来越重要，因此充分了解Gln在仔猪营养中的作用，对养猪生产具有重要的指导意义。然而，在Gln应用中还存在一些亟待解决的问题：①Gln的检测方法和应用范围；②Gln的适宜添加形式和添加量；③Gln的复杂生理功能；④Gln在断奶仔猪营养中的作用机制；⑤ 不同生理状态下Gln对氮代谢的影响。
参考文献（略）
