1 谷氨酰胺的结构及其代谢
在动物机体中,谷氨酰胺的含量取决于其合成和释放之间的平衡,以及各组织和器官吸收和代谢之间的平衡。谷氨酰胺的合成主要发生在肺脏、肝脏、脑、骨骼肌和脂肪组织,而其消耗主要发生在肠黏膜、白细胞和肾小管细胞等组织细胞内[6]。
2 谷氨酰胺的生理功能及其作用机制
2.1 营养作用及其机制
谷氨酰胺是机体用途广泛的氨基酸,几乎存在于机体每个细胞内。谷氨酰胺可作为核苷酸和抗氧化物质合成的底物,同时有助于维持细胞结构的完整性[8],可通过以下代谢途径来提供营养作用。
2.1.1 作为能量来源
谷氨酰胺是肠细胞代谢燃料的首选氨基酸,为肠道上皮的快速更新提供能量。谷氨酰胺可经糖异生途径转变为糖,也可在体内经谷氨酰胺酶催化水解释放出氨并转变成谷氨酸,谷氨酸脱氨生成α-酮戊二酸,可沿三羧酸循环途径转变为草酰乙酸,再由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化转变成磷酸烯醇式丙酮酸,继而转变为丙酮酸,然后在糖有氧分解的第2、3阶段被彻底氧化,同时释放出ATP。
2.1.2 作为前体物质
谷氨酰胺在许多细胞中的含量相对较高,是动物体内核苷酸、氨基酸和蛋白质合成的重要前体物质[9]。谷氨酰胺是机体内嘌呤碱合成的主要原料,可代谢为氨基甲酰磷酸,而氨基甲酰磷酸又是体内嘧啶碱合成的原料。
谷氨酰胺中的氮可用于嘌呤和嘧啶的生物合成。谷氨酰胺转变为谷氨酸后,在转氨酶作用下生成天冬氨酸,经嘌呤核苷酸循环生成腺嘌呤核苷酸。谷氨酰胺还可代谢为氨基甲酰磷酸,继而转用于嘧啶碱的合成。谷氨酰胺中的碳可用于氨基酸和蛋白质的合成,谷氨酰胺转变为谷氨酸后,先还原成谷氨酸γ-半醛,自发环化生成5-羧基二氢吡咯,再还原生成脯氨酸。谷氨酰胺为天冬酰胺提供氨基,经天冬酰胺合成酶催化形成天冬酰胺,然后水解生成天冬氨酸。此外,中枢神经系统中也存在大量谷氨酰胺,其可作为神经递质氨基酸如兴奋性氨基酸(谷氨酸和天冬氨酸)以及抑制性氨基酸(γ-氨基丁酸)的合成前体物质[10]。
2.2 免疫作用及其机制
肠道不仅是机体营养吸收的重要场所,也是动物体内最大的免疫器官。谷氨酰胺具有免疫调节和降低肠道炎症反应的特性[11],其免疫功能主要通过以下途径体现。
2.2.1 为免疫系统提供能量
2.2.2 促进免疫细胞应答
巨噬细胞是免疫系统的重要屏障之一,也是机体主要的炎症效应细胞。谷氨酰胺能够阻止巨噬细胞的极化反应,防止炎症反应的发生。徐菱等[15]研究表明,GLS抑制剂CB-839能够诱导巨噬细胞向M1型细胞极化,产生促炎作用,而补充谷氨酰胺可以阻止这一过程的发生。
中性粒细胞参与机体的免疫应答,是血液中最重要的一类白细胞,具有趋化、吞噬细菌和抗炎作用。Wang等[16]研究发现,谷氨酰胺和乌司他丁通过降低降钙素原、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β的水平来抑制炎症反应,还可以通过上调CD4、CD4/CD8比率以及中性粒细胞的数量来增强免疫应答。而Kim等[17]研究表明,谷氨酰胺缺乏将通过诱导丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1(mitogen-activated protein kinase phosphatase-1,MKP-1)和激活p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、胞浆型磷脂酶A2(cytosolic phospholipase A2,cPLA2),导致中性粒细胞的炎症反应增强。
T淋巴细胞(T细胞)是机体细胞免疫中的执行细胞,成熟的T细胞再循环有利于与抗原接触,加强免疫反应。T细胞在被抗原激活后,会增殖分化为各种辅助性T细胞亚群,包括Th1和Th17细胞,其产生不同的细胞因子并介导不同的效应器发挥作用。谷氨酰胺在T细胞分化和免疫调控过程中发挥至关重要的作用。Nakaya等[18]研究发现,谷氨酰胺的快速摄取对于初始T细胞的活化十分重要,而谷氨酰胺的快速吸收则依赖于丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运载体2(alanine-serine-cysteine transporter 2,ASCT2),T细胞由静息态向Th1和Th17分化过程中,对谷氨酰胺摄取显著增高,ASCT2缺乏可通过抑制谷氨酰胺摄取阻断T细胞释放炎症因子。Klysz等[19]研究发现,在效应T细胞和调节性T细胞的活化过程中,葡萄糖和谷氨酰胺利用水平均显著升高,谷氨酰胺缺乏或ASCT2缺乏将抑制T细胞的激活。
2.3 抗氧化作用及其机制
谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA)是反映机体抗氧化性能的重要指标。其中GSH-Px、CAT是细胞内清除过氧化氢(H2O2)的主要酶;SOD可以阻止氧自由基对细胞的损伤,有效修复受损细胞,并缓解自由基导致的氧化损伤;MDA的存在会毒害细胞膜中的蛋白质和DNA,最终导致细胞膜的降解和细胞功能的丧失[22]。李柯汝等[23]研究表明,在水貂基础饲粮中添加适量谷氨酰胺能够提高机体对羟自由基的抑制能力和总抗氧化能力(T-AOC),提高SOD、CAT和GSH-Px活性以及抗超氧阴离子自由基( )能力,降低MDA含量。张建斌等[24]研究表明,饲粮中添加0.25%甘氨酰谷氨酰胺可以提高小肠各段黏膜中的GSH-Px、SOD活性和谷胱甘肽(GSH)含量,提高仔猪的抗氧化能力。辛向荣[25]研究表明,断奶仔猪饲粮中添加丙氨酰-谷氨酰胺可显著提高血清中谷氨酰胺含量和T-AOC以及空肠和肝脏中GSH-Px活性和T-AOC,显著降低MDA含量,缓解氧化应激对断奶仔猪机体组织的损伤,且在氧化应激状态下效果更为显著。
3 谷氨酰胺对断奶仔猪肠道健康的影响
3.1 促进肠道发育
小肠上皮细胞是机体吸收营养物质和防止细菌与病毒侵入的重要屏障,更新迅速且受多种因素影响。饲粮中的营养成分及其含量、肠道微生物的组成平衡、动物的健康状况及年龄等因素均会影响肠道细胞的功能,进而影响小肠上皮细胞的稳态[26⇓-28]。Tian等[1]研究发现,补充谷氨酰胺不仅有利于肠细胞的成熟,还能增强肠绒毛干细胞的活性,加速肠上皮的再生,而这种再生与WNT信号增强有关,WNT信号传导通路在肠细胞活动中发挥着不可或缺的作用[29-30],添加WNT抑制剂会使离体肠干细胞功能丧失[1]。由此可见,补充谷氨酰胺可以改善早期断奶导致的小肠绒毛膜萎缩,促进小肠绒毛膜的再生,防止早期断奶引起的肠道稳态失调。
3.2 改善肠道形态
肠道是仔猪吸收营养物质的主要部位,良好的肠道机能是仔猪生产性能的保障。小肠绒毛高度值越大,则与食糜的接触面积越大,越有利于营养物质的吸收。小肠绒毛根部有隐窝,其周围有许多肠腺细胞,隐窝越浅,则表明成熟的肠腺细胞越多,其分泌消化酶的能力越强。因此常用绒毛高度与隐窝深度的比值来衡量动物的肠道机能。王秋菊等[31]研究发现,与哺乳仔猪相比,断奶仔猪空肠和回肠绒毛高度显著降低,隐窝深度显著提高,黏膜厚度显著降低。平伟强[32]研究表明,饲粮中分别添加0.1%甘露寡糖+0.3%丙氨酰-谷氨酰胺和0.2%甘露寡糖+0.3%丙氨酰-谷氨酰胺后,35日龄仔猪十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度以及十二指肠、回肠绒毛高度/隐窝深度值均显著提高,微绒毛整体表现清晰、整齐、密集。代兵等[33]在饲粮中添加谷氨酰胺后,能够提高仔猪断奶后7日龄小肠绒毛高度,降低隐窝深度。Wang等[34]研究发现,在断奶后第5天或第21天,在正常能量或低能量饲粮中补充谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸,可通过提高空肠绒毛高度和杯状细胞数量或降低回肠隐窝深度来改善小肠黏膜屏障结构。由此可见,补充谷氨酰胺可以改善早期断奶导致的肠道形态异常、功能障碍和生长停滞,刺激肠道绒毛生长,降低隐窝深度,促进营养吸收,从而提高仔猪的生产性能。
3.3 维持肠道屏障完整性
小肠既是吸收营养物质的器官,也是抵抗应激的先天物理屏障。肠黏膜屏障由肠道黏膜上皮细胞、细胞间紧密连接等构成,肠黏膜的机械屏障、化学屏障、生物屏障与免疫屏障共同维持正常的肠屏障功能,使饲粮中的营养物质、电解质及水分能够通过肠腔进入血液循环,阻止外源致病菌和毒素的侵入[35-36]。仔猪断奶时饲粮的突然改变加上未发育成熟的肠道都可能会导致肠黏膜屏障的完整性受损。Chen等[37]研究表明,小鼠烧伤后小肠Yes相关蛋白(Yes-associated protein,YAP)受到抑制,添加谷氨酰胺可以促进Hippo通路的YAP蛋白活化,从而促进肠道干细胞的增殖和其活性的增强,维持肠黏膜屏障。Deng等[38]研究表明,在正常或低能量水平的饲粮中补充谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸可以调节氨基酸代谢库以促进哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路的磷酸化,促进肠上皮细胞增殖,维持紧密连接结构,改善小肠屏障的完整性。断奶应激会激活促肾上腺皮质激素释放因子(corticotropin releasing factor,CRF)的释放,促进肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-8的分泌,并上调肠道中闭合蛋白-2(claudin-2)表达,破坏仔猪肠道黏膜[39⇓-41],而补充谷氨酰胺可降低CRF表达,保护肠黏膜屏障的完整[42]。
3.4 修复肠道损伤
3.5 维持肠道能量平衡
断奶应激可导致肠黏膜受损,不能充分消化和吸收营养物质,肠道能量摄入减少,难以满足其正常生理功能所需的能量。肠道能量平衡对于维持肠道功能十分重要,然而谷氨酰胺是小肠的主要能量来源。Wang等[34]研究发现,在断奶仔猪饲粮中补充谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸时,可以通过Krebs循环,下调单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activates protein kinase,AMPK)来恢复小肠能量稳态。当断奶仔猪处于应激状态时,缺乏谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸将导致维持肠道的能量供给不足。由此可知,断奶应激导致的营养物质吸收效率下降,能量摄入减少是断奶后仔猪生长的主要限制,补充谷氨酰胺可以调节肠细胞能量代谢,提高仔猪外源营养的能量摄入,恢复小肠能量稳态,提高生产性能。
3.6 缓解肠道氧化应激
仔猪断奶时,由于生长环境和摄食方式的突然变化,生产中易出现“断奶应激综合征”,突出表现为:肠道机能下降,肠道处于氧化应激状态,仔猪抗病能力下降。
3.7 提高肠道免疫力
谷氨酰胺是血清中最丰富的氨基酸,主要由空肠吸收,除了能促进肠道发育和形态改变,还能提高断奶仔猪的免疫功能。谷氨酰胺作为白细胞的能量底物,可以促进细胞增殖、组织修复过程和与病原体识别[47];还可以促进免疫系统细胞的基因表达[48],是免疫系统发挥功能的必需营养素。田军权等[49]研究表明,饲粮中添加1%谷氨酰胺能够显著提高仔猪断奶后1周的生长性能,提高断奶仔猪的血清中免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)含量并降低高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDLC)含量;IgM具有免疫和营养的作用,而HDLC能与LPS结合,从而具有对抗LPS的作用,改善仔猪生长性能和小肠长度,从而缓解断奶应激。黄牛等[50]研究表明,饲喂添加1%谷氨酰胺饲粮的仔猪在受到LPS刺激时,可迅速高效地分泌更多IgM抗击炎症,提升仔猪机体对LPS的敏感性,增强仔猪的免疫能力,促进仔猪恢复。此外,赵玉蓉等[51]在断奶仔猪饲粮中添加1%谷氨酰胺后,肠道微生物菌群显著增加,其可以抵御和排斥外源性致病菌的入侵,保护肠黏膜细胞。
4 谷氨酰胺对断奶仔猪生产性能的影响
表1 饲粮中添加谷氨酰胺对断奶仔猪生产性能的影响Table 1 Effects of dietary glutamine on performance of weaned piglets |
| 日龄 Days of age | 谷氨酰胺添加水平 Glutamine supplemental levels | 效果 Effects | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 21 | 1%谷氨酰胺 | 提高平均日增重和饲粮干物质、有机物、总能及 氨基酸表观消化率,降低料重比 | 钱利纯等[52]、 肖英平[53] |
| 21±3 | 1%谷氨酰胺 | 提高饲料利用率,降低腹泻率和料重比 | 李宝成等[54] |
| 21 | 1%L-谷氨酰胺+0.5%L-谷氨酸+ 0.1%L-天冬氨酸 | 提高平均日增重和平均日采食量 | Wang等[34] |
| 24±1 | 1%谷氨酰胺 | 显著降低仔猪腹泻指数,提高蛋白质表观消化率和 空肠淀粉酶、脂肪酶活性,改善仔猪肠道屏障 功能和消化功能,促进营养代谢 | 蒋俊劼[55] |
| 28 | 1%谷氨酰胺 | 显著提高平均日采食量和平均 日增重,显著降低料重比 | 田军权等[49] |
| 28 | 1.25%谷氨酰胺 | 显著提高平均日增重,显著降低 料重比和腹泻频率 | 李宁宁等[56] |
| 28 | 2%谷氨酰胺 | 有提高第8~14天平均日增重的趋势,显著 提高饲料效率,减轻阉割引起的 仔猪疼痛和应激 | 邢立群等[57] |
| 33 | 1%L-谷氨酰胺 | 显著提高平均日增重、平均日采食量、 粗蛋白质表观消化率,降低料重比,干物 质和能量表观消化率提高,但差异不显著 | 敖翔等[58] |
5 小结
谷氨酰胺作为机体内重要的条件性必需氨基酸,具有营养、免疫和抗氧化等功能,可通过促进肠道发育、改善肠道形态、维持肠道屏障的完整性、促进肠道损伤后修复、维持肠道的能量平衡、缓解肠道氧化应激以及提高肠道免疫力等多方面维护断奶仔猪的肠道健康,从而提高断奶仔猪的生产性能。然而,谷氨酰胺在生产中的利用仍存在局限性,例如,在水中溶解性低,稳定性差;且谷氨酰胺在体内参与众多代谢反应,然而谷氨酰胺参与调控肠道屏障功能、抗氧化等功能的关键信号机制尚不明确,有待进一步研究证实。此外,由于断奶仔猪应激状态与正常生理状态下的代谢方式不相同,2种状态下断奶仔猪对谷氨酰胺需要的适宜剂量尚未建立,其相关研究仍需进一步开展,可为其在生产中谷氨酰胺的合理应用提供理论参考。
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