第五节　谷氨酰胺

谷氨酰胺（glutamine，Gln） 是哺乳动物血液中含量最丰富的一种游离氨基酸（约700 μmol/L 或约占全血氨基酸的20%），在许多细胞中谷氨酰胺的浓度也相对较高，肌肉中谷氨酰胺浓度较高，占细胞内游离氨基酸的50% 以上，是细胞内氨的清除剂和生物合成许多重要物质如核酸、氨基糖和氨基酸氮的供体。谷氨酰胺可为多种快速分裂细胞如肠黏膜上皮细胞和活化的淋巴细胞等提供能源，在促进受损肠道的修复以及维持正常的局部免疫功能中发挥着其他氨基酸不可替代的重要作用。近几年来，谷氨酰胺因其独特而复杂的生理功能逐渐成为营养学、生理学、免疫学等学科领域的研究热点。许多研究表明，动物处于应激或病理状态下，内源合成的谷氨酰胺不能满足需要，甚至会发生体内谷氨酰胺的耗竭，此时必需由外源补充。鉴于上述，谷氨酰胺被认为是一种条件性必需氨基酸（conditionally essential amino acid），在某些情况下谷氨酰胺能阻止肠壁萎缩。谷氨酰胺的分子结构见图2-6。

一、谷氨酰胺的代谢

谷氨酰胺是一种中性氨基酸，分子式为 C5H10O3N2，分子量146，它具有一个α-氨基和一个易水解的末端酰胺基。与其他氨基酸相比，谷氨酰胺遇热不稳定，酸性环境敏感。应用传统的氨基酸分析方法检测谷氨酰胺较困难。谷氨酰胺的代谢主要受谷氨酰胺合成酶和谷氨酰胺酶的调节。前者催化谷氨酸（盐）和氨合成谷氨酰胺，主要存在于骨骼肌和脑组织中；后者催化谷氨酰胺水解为谷氨酸和氨，主要存在于一些快速增殖、分化的细胞中，如黏膜细胞、淋巴细胞和内皮细胞中等。骨骼肌是动物合成谷氨酰胺的主要部位，小肠是降解利用谷氨酰胺的主要场所。肝脏既能合成又能降解谷氨酰胺，对血液中谷氨酰胺的浓度起一种调节作用。谷氨酰胺也能在脑、肾和一些免疫细胞代谢，但代谢量较少。

1.谷氨酰胺的合成

骨骼肌是谷氨酰胺合成与储存的主要组织。在骨骼肌细胞内，在谷氨酰胺合成酶的催化下，并有ATP 和Mg2+ 的参与，谷氨酸和氨结合生成谷氨酰胺。体内和离体试验都已证明，骨骼肌在代谢过程中释放大量的谷氨酰胺，因而认为谷氨酰胺在骨骼肌中主要进行合成代谢。骨骼肌生成的谷氨酰胺主要来源于骨骼肌蛋白降解产生的天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、异亮氨酸和缬氨酸；亮氨酸和降解的核酸也能提供部分氨基。谷氨酰胺是骨骼肌细胞游离氨基酸代谢池中最丰富的氨基酸，约占整个氨基酸总量的61%，浓度大约为血浆中谷氨酰胺浓度的30倍，此浓度梯度有利于谷氨酰胺由骨骼肌进入血液循环，进而被转运至小肠和肝等器官中进行代谢。在谷氨酰胺合成酶以及Mg2+ 或Mn2+ 的催化和ATP供能条件下，大脑细胞线粒体中的氨与谷氨酸合成为谷氨酰胺。谷氨酰胺的生成是脑内氨解毒的主要方式。

2.谷氨酰胺的降解

小肠是利用谷氨酰胺的主要组织。研究表明，谷氨酰胺通过高度亲和的Na+ 依赖性载体系统进入肠上皮细胞，正常生理条件下，这是谷氨酰胺转运的主要途径。在电解质紊乱情况下，低亲和性的非Na+ 依赖性载体系统可能也起作用。小肠黏膜细胞具有相当高的谷氨酰胺酶活性，是谷氨酰胺代谢的主要场所。但研究表明，谷氨酰胺在小肠黏膜细胞仅有很少比例被充分氧化。饲粮和动脉中的谷氨酰胺进入肠黏膜细胞后，在线粒体谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸和氨。生成的氨大部分进入门脉系统，后被肝摄取转化为尿素。生成的谷氨酸则通过以下途径进行代谢：①在胞液中经谷丙转氨酶或谷氨酸脱氢酶作用后生成α-酮戊二酸，后者转变为草酰乙酸，继而转化为丙酮酸。由谷氨酰胺来源的丙酮酸很少经三竣酸循环氧化。这种现象是由于谷氨酰胺氧化产生的大量ATP反馈抑制了谷氨酰胺的利用率。②经△'-吡咯啉-5-羧酸生成脯氨酸、鸟氨酸和瓜氨酸。瓜氨酸可被用于合成精氨酸，而鸟氨酸经一系列酶促反应生成一类具有重要生物学活性的多胺类物质。此两种代谢途径以前一种较为重要。肝脏既含谷氨酰胺酶又含谷氨酰胺合成酶，两者的协调作用对维持血液中谷氨酰胺的浓度具有重要作用。完整的肝腺泡中仅门脉周围的细胞发现有尿素合成酶和谷氨酰胺酶存在，而谷氨酰胺合成酶则位于静脉的周围细胞。这种细胞间的间隔有利于摄取门脉中的氨合成尿素，未合成尿素的氨在进入血液循环前被静脉周围的高亲和力的氨清除细胞所捕获，再被用于合成谷氨酰胺。门脉中氨的水平可调节门脉外周谷氨酰胺酶的活性，成为肝中谷氨酰胺代谢的调节因素之一。研究发现，谷氨酰胺的转运也是肝中谷氨酰胺代谢的限制因子。当机体分解代谢处于主导地位时，肝脏的谷氨酰胺数量和流向发生改变，尿素合成受抑，谷氨酰胺合成酶活性增强，肝脏利用氨合成谷氨酰胺，最终有利于缓解骨骼肌蛋白质的降解程度。肾脏和肠黏膜淋巴细胞也可利用部分谷氨酰胺。肾脏中谷氨酰胺的代谢主要是生成氨，对调节机体酸碱平衡具有重要作用。谷氨酰胺在肠黏膜淋巴细胞的代谢主要是作为其能量来源和核酸、蛋白质等合成的供体。

二、谷氨酰胺的营养作用

1.谷氨酰胺是条件性必需氨基酸

研究表明，在某些应激或病理条件下，谷氨酰胺可能是一种条件性必需氨基酸。理由是谷氨酰胺支持肠黏膜细胞的代谢需要，是嘧啶和嘌呤核苷酸与氨基糖合成的前体物。许多试验证明，谷氨酰胺在健康状态下是非必需的，但在饥饿、化疗、辐射疗法等导致小肠黏膜受损或谷氨酰胺耗竭的情况下，对肠道而言它是必需的。在某些应激或疾病情况下，谷氨酰胺可维持或恢复肠道功能和结构的完整性。谷氨酰胺缺乏会导致骨骼肌谷氨酰胺耗竭，血中含量下降，肠黏膜萎缩或功能紊乱。在饲粮中补充谷氨酰胺， 可纠正谷氨酰胺的耗竭，增强细胞利用，同时改善和提高肠黏膜形态和功能。

2.谷氨酰胺对肠黏膜的营养作用

谷氨酰胺在维持小肠代谢、结构和功能方面起重要的作用。谷氨酰胺既能作为肠黏膜细胞能量代谢的底物，又可为快速周转的蛋白质和核酸合成提供原料。谷氨酰胺利用率下降会降低细胞增殖率，只有小肠上皮细胞中谷氨酸胺的利用率相当高时，才能确保细胞分化和黏膜细胞的更新。研究发现，注入外源性谷氨酰胺酶，诱导血浆中谷氨酰胺耗竭，将会导致小肠黏膜的水肿、溃疡和部分坏死。许多试验也表明，含有谷氨酰胺的全胃肠外营养，可提高肠黏膜细胞内谷氨酰胺酶的活性，刺激肠黏膜细胞对谷氨酰胺的利用，增加空肠黏膜重和DNA含量，减少与常规静脉灌注相联系的绒毛萎缩，而且谷氨酰胺与表皮生长因子具有协同作用。另有试验表明，含谷氨酰胺的全胃肠外营养，增加了肠壁绒毛长度和氮含量。据报道，饥饿后在基础饲粮中添加谷氨酰胺，可加快肠黏膜的细胞更新。

谷氨酰胺是母猪乳汁中一种含量非常丰富的游离氨基酸。初生至断奶前仔猪可从母乳中吸收包括谷氨酰胺在内的多种营养活性物质与免疫球蛋白等。断乳后，仔猪失去这些活性物质来源，且必须适应由母乳转变为人工配制的饲料这一过程，这对仔猪是一种很大的应激。由于断乳仔猪不能吮食母乳和短期内的低采食量，可能会引起谷氨酰胺的缺乏，小肠黏膜细胞不能获得各项生理活动所需的能量，从而导致小肠黏膜形态、结构的异常，绒毛长度变短且隐窝变深，导致仔猪生长性能下降。在仔猪21～28日龄时，母乳中的谷氨酰胺含量已达到高峰，若在此时断奶，加上断奶后短期内仔猪采食量很少，饲料利用率低，极易造成外源性谷氨酰胺缺乏，当内源性的谷氨酰胺也不能满足需要时，就会导致断奶后短期内肠绒毛缩短，隐窝加深，肠壁结构和功能遭到破坏，造成生产性能低下。试验表明，外源性的谷氨酰胺在胃酸环境中不会被分解，而完整地进入肠道，肠中谷氨酰胺的存在会显著减少肠黏膜细胞对血液中谷氨酰胺的摄取。而且，富含谷氨酰胺的饲粮可显著增加肠黏膜对谷氨酰胺的摄取，激活谷氨酰胺转运载体，增强肠黏膜细胞中谷氨酰胺酶的活性。因此，通过在饲粮中外源性补充谷氨酰胺在理论上是可行的。许多试验证实，在饲粮中添加谷氨酰胺，可显著减轻仔猪断奶应激对肠黏膜的损伤，防止肠绒毛的萎缩，维持肠壁正常的形态和结构，从而增强小肠的吸收能力，促进营养物质的吸收，提高仔猪的生产性能。Wu等（1996）在21日龄断乳仔猪的玉米-豆粕型饲粮中分别添加0、0.2%、0.6% 和1.0% 的谷氨酰胺。结果证明，添加1.0%的谷氨酰胺，可防止空肠绒毛萎缩，提高饲料利用率。彭健等（2000）的研究结果也充分表明，在断乳仔猪饲粮中添加1%谷氨酰胺，可防止断乳后7天内空肠绒毛的萎缩，维持小肠黏膜的正常结构和功能。另外，Pluske（1996 ）报道，连续5天饲喂羊奶的断乳仔猪，其隐窝深度随谷氨酰胺的摄入量线性降低，上皮细胞谷氨酰胺的代谢增加。

3.谷氨酰胺对胰脏的营养作用

研究证实，肠内供应谷氨酰胺，也可促进胰脏生长及其功能。谷氨酰胺能显著增加胰脏重量、DNA和蛋白质含量，也可增加胰蛋白酶原和脂肪酶含量，能促使胰腺泡增生。研究表明，谷氨酰胺可防止由于过量摄入糖类化合物导致的脂肪肝，认为添加谷氨酰胺可刺激胰高血糖素分泌，从而降低门脉胰岛素/ 胰高血糖素比例，增加肝脏脂类的输出。

三、谷氨酰胺的免疫作用

（一）免疫细胞对谷氨酰胺的利用

淋巴细胞增殖分化、中性粒细胞和巨噬细胞分泌过氧化物和吞噬异物都需要利用谷氨酰胺。在炎症等应激情况下，免疫细胞应答功能受到抑制，免疫细胞对谷氨酰胺的利用尤其重要，如果不能满足需要就会限制其免疫应答功能的正常发挥。体外研究表明，培养基质中谷氨酰胺浓度降低，导致淋巴细胞分裂增殖速度迅速下降，胞内ATP浓度下降，巨噬细胞的吞噬能力减弱。培养液内谷氨酰胺缺乏或利用率降低，会严重阻碍免疫细胞增殖和免疫功能的正常发挥，最终导致细胞凋亡。谷氨酰胺在淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞内具有高利用率。尽管各种免疫细胞对谷氨酰胺的利用率不同，但它们的代谢过程基本相似。淋巴细胞、中性粒细胞、巨噬细胞内存在很多与谷氨酰胺代谢相关的酶。根据不同免疫细胞的需求，谷氨酰胺可被部分或完全氧化来满足免疫细胞维持正常功能的需要。谷氨酰胺通过不完全氧化产生谷氨酸、天冬氨酸和乳酸等大量中间产物，为免疫细胞提供必需的前体物质。谷氨酰胺的碳架部分通过三羧酸循环分解代谢，产生大量的NADPH来满足免疫细胞的需求。

（二）谷氨酰胺对免疫细胞的作用

1.谷氨酰胺与淋巴细胞增殖和分化

淋巴细胞在免疫过程中主要参与特异性免疫应答，它在应答过程中的数量和分化能力直接影响动物体特异性免疫应答能力。谷氨酰胺是淋巴细胞增殖分化必需的物质，对健康人淋巴细胞的研究表明，当培养液中谷氨酰胺添加量为0～0.6 mmol/L时，淋巴细胞增殖数量与谷氨酰胺浓度呈剂量依赖关系。应激反应可导致免疫抑制，引起淋巴细胞增殖能力下降。在这种情况下，谷氨酰胺可促进淋巴细胞增殖。在感染大肠杆菌的断奶仔猪饲粮中添加4%的谷氨酰胺，可明显提高 3H-脱氧胸腺嘧啶参与核酸合成的数量。3H-脱氧胸腺嘧啶参与核酸合成的数量可反映淋巴细胞核酸的合成情况，其数量提高说明谷氨酰胺提高了淋巴细胞增殖数量。淋巴细胞受抗原刺激快速增殖的同时进一步分化为各种细胞亚型如C 和C参与免疫应答。谷氨酰胺对淋巴细胞分化也具有重要作用。在健康大鼠饲粮中添加4.0% 的谷氨酰胺，可明显提高血液中C和C数量。对健康大鼠淋巴细胞的体外研究也表明：培养液中添加1mmol/L谷氨酰胺，可提高C与C数量之比。C与数量之比提高，表明谷氨酰胺对淋巴细胞分化的影响有利于增强机体免疫应答能力。在机体处于应激导致的免疫抑制情况下，谷氨酰胺可增强淋巴细胞分化能力。在注射脂多糖诱导的免疫抑制大鼠饲粮中添加3g/100kcal 谷氨酰胺，可提高数量。对感染内毒素大鼠的研究还表明，肠外注射2.5%谷氨酰胺，可明显提高和C数量。T 淋巴细胞在应答初期主要分化为和，然后二者分别转化为Th1 和Th2 进行后续的免疫应答。外源添加谷氨酰胺使T淋巴细胞分化能力提高，特别是提高C和C数量，有利于增强T淋巴细胞的应答能力。IL-2 在淋巴细胞增殖分化过程中主要起刺激增殖分化的作用，T细胞表达IL-2R 并成为IL-2 的靶细胞。除作为淋巴细胞增殖分化的营养底物外，谷氨酰胺促进T淋巴细胞增殖分化与影响IL-2及其受体的表达有关。添加1mmol/L的谷氨酰胺于鼠淋巴细胞培养液中，培养基质中IL-2浓度和IL-2受体的表达都明显提高。

2.谷氨酰胺与免疫细胞凋亡

很多因素都会致使免疫细胞提前启动凋亡程序，如热应激、氧化应激和营养物质耗竭等。中性粒细胞和T淋巴细胞的数量对机体免疫具有重要意义，应激反应可能引起这两种细胞数量减少，降低动物的抗病力。谷氨酰胺可减少应激引起的中性粒细胞和T淋巴细胞凋亡。对处于凋亡过程中的人中性粒细胞内源性代谢产物的测定发现，谷氨酰胺的浓度比凋亡前减少45%，而精氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸浓度基本未发生改变。这说明在凋亡过程中中性粒细胞对谷氨酰胺的利用率特异性地增高。伴随着谷氨酰胺利用率增高，免疫细胞凋亡率明显降低。Pithon-Guri等（2003）研究发现，在凋亡过程中随着谷氨酰胺添加量的增加（0.5～2mmol/L）人和鼠的中性粒细胞的凋亡数量都显著减少。对T淋巴细胞的研究表明，随着谷氨酰胺浓度的增加（0～2mmol/L）T淋巴细胞凋亡率明显降低。细胞凋亡需要多种凋亡蛋白的参与，主要包括抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白。谷氨酰胺可通过影响凋亡蛋白的表达水平减少免疫细胞凋亡。中性粒细胞在凋亡过程中对谷氨酰胺利用率上升的同时，伴随抗凋亡蛋白表达的上调。后来的研究还发现，谷氨酰胺减少中性粒细胞凋亡还与降低促凋亡蛋白的表达有关。谷氨酰胺防止应激引起的免疫细胞凋亡，可能与影响热休克蛋白家族中的HSP72表达水平有关。Wischmeyer等（2003）报道，谷氨酰胺可通过提高HSP72 表达水平，降低肿瘤坏死因子A引起的外周血液单核细胞凋亡率。细胞内HSP72水平的增高可阻断凋亡信号通路，抑制应激引起的应激活化蛋白激酶的激活，从而减少细胞的凋亡。

（三）谷氨酰胺对中性粒细胞和巨噬细胞分泌过氧化物的影响

1.谷氨酰胺与H2O2的分泌

分泌H2O2是中性粒细胞杀灭病原微生物的重要方式。应激反应可引起免疫抑制，致使中性粒细胞和巨噬细胞H2O2分泌能力减弱，这势必会降低机体免疫力。在机体处于免疫抑制情况下，谷氨酰胺可增强中性粒细胞分泌H2O2的能力。从肠道术后7d 的病人体内获得的中性粒细胞进行人工培养发现，培养液中加入谷氨酰胺后，其生成H2O2 能力明显增强，且存在剂量依赖效应。在大鼠饲粮中添加0.1% 谷胺酰胺，可减轻过度运动造成的免疫抑制，同时将纯化后中性粒细胞进行体外培养，结果发现饲粮中添加谷氨酰胺使中性粒细胞H2O2 产量增加2倍。Nunn等（1996）研究发现，谷氨酰胺还可减轻肾上腺激素对中性粒细胞分泌过氧化物的抑制作用。超氧负离子（ ）的生成是中性粒细胞产生H2O2 分子的必要前体物。谷氨酰胺增加H2O2 产量是提高超氧负离子产量的结果。Claudia等（2005）在大鼠饲粮中添加0.1% 谷胺酰胺，可使超氧负离子产量增加60% 。

2.谷氨酰胺与一氧化氮的分泌

一氧化氮（NO）是宿主防御中另一种重要的杀菌物质和信号分子。谷氨酰胺是巨噬细胞分泌NO必需的养分。应激反应可引起免疫抑制，导致中性粒细胞和巨噬细胞分泌NO能力减弱。在这种情况下，谷氨酰胺可促进巨噬细胞和中性粒细胞分泌NO，增强二者杀菌能力。当机体持续处于应激状态时，巨噬细胞内精氨酸被大量用于NO的生成而导致缺乏，精氨酸缺乏可激活精氨酸的内源合成，谷氨酰胺作为前体物质参与精氨酸的合成，是促进NO分泌的重要方式。NO是精氨酸由一氧化氮合酶（NOS）直接催化生成，谷氨酰胺还可通过提高NOS基因的表达促进NO的合成。

（四）谷氨酰胺促进免疫细胞产生热休克反应

热休克反应是生物在长期进化中形成的一种防御体系。高温或其他应激原可诱导细胞生成一组热休克蛋白（heat shock proteins，HSP）。HSP是免疫细胞核内高度保守的热休克基因编码的产物，按分子量大小分为HSP110、HSP90和HSP70家族；按功能分为结构型和诱导型。HSP可辅助细胞内正常蛋白质的折叠和移位，防止或降低应激因素对细胞的伤害。热休克反应与细胞凋亡和抑制炎症因子的释放密切相关。谷氨酰胺促进HSP的合成，对处于免疫抑制情况下的淋巴细胞、中性粒细胞、单核细胞等免疫细胞有重要的保护作用。长期应激消耗大量谷氨酰胺，使血浆谷胺酰胺浓度下降，导致机体免疫细胞HSP的合成受到抑制。多发性创伤病人的血浆谷氨酰胺浓度（300mol/L）低于正常水平（491mol/ L），其淋巴细胞HSP 的表达也显著低于后者。外源补充谷氨酰胺，可增强单核细胞合成HSP的能力。Wischmeyer等（2001）发现，给脂多糖诱导的应激大鼠补充谷氨酰胺，可提高外周血液单核细胞HSP72的表达水平。体外研究表明，在高温情况下，谷氨酰胺通过提高HSP70的表达，可增强单核细胞耐高温能力。分别在体外用37℃（正常温度）和42℃（高温）诱导单核细胞热应激，结果发现在42℃情况下谷氨酰胺提高了HSP70的表达水平，同时单核细胞死亡率降低。在炎症情况下，炎症因子过度释放可诱导免疫细胞凋亡。Wischmeyer等（2003）研究表明，给炎症大鼠补充谷氨酰胺，可提高HSP72表达，减少肿瘤坏死因子A过渡释放而导致的单核细胞凋亡。HSP70家族成员属于诱导型热休克蛋白，是细胞产生热休克反应必需的内源性启动蛋白。谷氨酰胺提高HSP72的表达，可促进HSP72在胞浆内的积累，快速启动细胞产生热休克反应，从而增强免疫细胞的抗应激损伤能力，这可能是谷氨酰胺保护免疫细胞的重要方式。

四、谷氨酰胺的其他生理作用

谷氨酰胺可作为一些生物活性物质如核苷酸、氨基糖等合成的前体物。研究发现，在鸟嘌呤核苷酸合成中，次黄嘌呤核苷酸到鸟嘌呤核苷酸的过程中，动物细胞必须以谷氨酰胺的酰胺基作为氨基供体。合成嘧啶的氨甲酰磷酸也需谷氨酰胺提供氨基，尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸的过程所需的氨基也来源于谷氨酰胺的酰胺基。谷氨酰胺的耗竭将会使核苷酸的生物合成受阻，进而影响动物的新陈代谢。此外，谷氨酰胺还可为机体的结构多糖（糖蛋白、糖脂等）提供氨基。谷氨酰胺还可调节机体酸碱平衡，在保护机体、防止代谢性酸中毒中具有重要作用。谷氨酰胺在肾小管上皮细胞中进行代谢，水解产生的氨进入管腔，并与H + 结合生成N，N进而与管腔中的强酸盐的负离子（如Cl-）结合成酸性铵盐随尿排出，在这一过程中伴随有一分子Na+ 的吸收，通过上述过程谷氨酰胺可实现调节机体酸碱平衡的作用。

综上所述，大量的研究结果都已证明，在某些特定情况下，谷氨酰胺是一种必需氨基酸，是多种快速分裂细胞的主要能源物质，在促进受损肠壁的修复以及维持正常的局部免疫功能中发挥着重要作用。健康的新生仔猪小肠常受到病原微生物的侵害，形态、结构和功能都发生变化。在此情况下，肠上皮细胞与肠淋巴细胞对谷氨酰胺的需要量可能增加。断奶日龄越早，仔猪遭受的断奶应激越大。因此，充分了解谷氨酰胺在仔猪营养中的作用，对仔猪生产有着重要的指导意义。在正常生理状态或遭受应激情况下，谷氨酰胺都显示出增强免疫细胞的抗逆能力，从而增强动物的抗病力。