非必需氨基酸甘氨酸的多重有益效應（綜述）

韓浩月

摘要：甘氨酸是人、動物和許多哺乳動物營養上最重要且最簡單的非必需氨基酸。通常，甘氨酸由膽堿、絲氨酸、羥脯氨酸和蘇氨酸經由器官內的代謝合成，其主要的合成器官為腎臟和肝臟。通常在正常的飼養條件下，甘氨酸無法在人、動物和家禽體內充分合成。甘氨酸是幾種小分子（如肌酸、谷胱甘肽、血紅素、嘌呤和卟啉）的重要代謝產物的前體物質。甘氨酸在改善動物和人類的健康、促進動物的生長以及提高人和動物的福利方面非常有效。甘氨酸在預防包括癌癥在內的許多疾病和生理失調上的作用得到了許多研究的支持。人膳食中添加合適水平的甘氨酸可有效地治療代謝紊亂、心血管疾病、多種炎癥性疾病、肥胖癥、癌癥和糖尿病等。甘氨酸還具有提高睡眠質量和神經系統功能的作用。在本篇綜述中，我們將重點介紹甘氨酸在人類和動物體內的代謝，以及甘氨酸在不同疾病狀態下的有益效用和保護作用的最新發現和研究進展。

關鍵詞：甘氨酸;非必需氨基酸;哺乳動物;禽類? ?中圖分類號：S816? ?文獻標志碼：C

文章編號：1001-0769（2018）07-0100-04

1820年，法國化學家H.Braconnot率先從蛋白質的酸解產物中分離出甘氨酸[1]。甘氨酸味甘，有類似于葡萄糖的甜味;正因為它具有甜味的特性，其命名便來源于希臘詞匯“甘（glykys）”。甘氨酸可利用氫氧化鉀對肉和明膠進行堿性水解制得。A.Cahours使用單氯乙酸和氨化學合成了甘氨酸，并構建了甘氨酸的結構[2]。甘氨酸是一種簡單的氨基酸，不分L型或D型化學構型。細胞外部的結構蛋白如彈性蛋白和膠原蛋白都由甘氨酸合成。對于哺乳動物，如豬、鼠和人來說，甘氨酸屬于營養性非必需氨基酸。但一些報道指出，豬、鼠和人體內的甘氨酸合成量不足以滿足其代謝活動的需要[3]。甘氨酸的少量缺乏對健康無害，但嚴重缺乏會導致免疫應答失敗、生長緩慢、營養代謝異常，并會對機體健康產生不良影響[4]。因此，甘氨酸被認為是人類和其他哺乳動物的條件性必需氨基酸，其可以促進機體的良好生長。對于家禽而言，甘氨酸是新生雛禽和胎兒生長真正的必需需求，因為新生雛禽和胎兒無法合成足夠數量的甘氨酸來滿足其代謝活動所需。

4 甘氨酸的生理功能

甘氨酸在許多哺乳動物和人類的代謝和營養中起著非常重要的作用。甘氨酸占人體內總氨基酸含量的11.5%，并且體內蛋白質中總氨基酸氮的20%來自于甘氨酸。通常情況下，對處于生長中的人類身體或其他哺乳動物而言，全身80%的甘氨酸會用于蛋白質合成。在膠原蛋白中，每三個位點便會連接一個甘氨酸;甘氨酸殘基將膠原蛋白的三螺旋結合在一起。酶中活性位點的靈活性取決于甘氨酸[5]。在中樞神經系統中，甘氨酸作為神經遞質起著至關重要的作用，從而控制食物的攝入、機體行為和完整的體內平衡[6]。通過改變細胞內Ca2+水平，甘氨酸可調節免疫功能，產生超氧化物，合成細胞因子[7]。在人類和豬體內，甘氨酸還可促進膽汁酸的共軛作用;因此，甘氨酸在脂溶性維生素和脂質的吸收和消化上間接發揮著重要的作用。核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）、脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）、肌酸、絲氨酸和血紅素通過多種利用甘氨酸的途徑產生?？傮w而言，在人類和許多其他哺乳動物體內，甘氨酸在細胞保護、免疫應答、生長、發育、代謝和存活方面具有重要功能。

2 甘氨酸的合成

一些同位素試驗和營養試驗表明，甘氨酸可在豬、人和其他哺乳動物的體內合成。大鼠的生化研究證明，甘氨酸是由蘇氨酸（通過蘇氨酸脫氫酶途徑獲?。?、膽堿（通過肌氨酸合成途徑獲?。┖徒z氨酸[通過絲氨酸羥甲基轉移酶（Serine Hydroxymethyltransferase， SHMT）途徑獲取]合成的。后來，其他研究也證明，豬、人和其他哺乳動物中的甘氨酸同樣是通過上述三種途徑合成的[8]。最近的研究表明，羥脯氨酸和乙醛酸是人和哺乳動物體內甘氨酸合成的底物[9-10]。

2.1通過膽堿合成甘氨酸

哺乳動物組織中的甲基是在膽堿降解為甘氨酸的過程中產生的。一般情況下，成年大鼠會將所攝入膽堿中的40%～45%轉化為甘氨酸，而當膽堿的攝入量非常低時，這個值有時會提高到70%。利用甜菜堿醛脫氫酶和膽堿脫氫酶，膽堿可轉化為甜菜堿[11]，膽堿的三個甲基可供三種不同轉化途徑使用：（1）肌氨酸通過肌氨酸脫氫酶轉化為甘氨酸;（2）利用甜菜堿一同型半胱氨酸甲基轉移酶中的甜菜堿作為甲基供體，并將同型半胱氨酸轉化成蛋氨酸;（3）二甲基甘氨酸通過二甲基甘氨酸脫氫酶轉化為肌氨酸。肌氨酸脫氫酶和二甲基甘氨酸脫氫酶主要存在于胰腺、肺、肝臟、腎臟、輸卵管和胸腺，這兩種酶是線粒體黃素酶[12]。甘氨酸和肌氨酸可以通過甲基轉移而互相轉化。肌氨酸脫氫酶在甘氨酸一肌氨酸循環中具有非常重要的作用，因為它控制著S腺苷高半胱氨酸與S-腺苷甲硫氨酸的比例。甲基在細胞中轉移的反應主要受S腺苷高半胱氨酸與S腺苷甲硫氨酸的影響。如果日糧中的膽堿含量非常低，那么哺乳動物體內合成的甘氨酸數量也很低。

2.2通過蘇氨酸合成甘氨酸

最近，多位研究人員報道，某些哺乳動物肝臟中的SHMT顯示蘇氨酸醛縮酶的活性很低。SHMT和蘇氨酸醛縮酶具有獨一無二的免疫化學特性和生物化學特性。蘇氨酸脫氫酶是哺乳動物（如豬、貓和大鼠）體內的重要酶，可降解80%的蘇氨酸[13-15]。一些科學報告指出，在成人體內，7%～11%的蘇氨酸是由蘇氨酸脫氫酶降解的[16]。在嬰兒體內，蘇氨酸不會轉化為甘氨酸。豆粕型日糧和常規的玉米型日糧可為斷奶仔豬提供大量的海洛因，而在哺乳期仔豬的體內，賴氨酸可由海洛因合成[17]。如果海洛因供應不足，機體內則沒有賴氨酸的主要來源[18]。

2.3通過絲氨酸合成甘氨酸

通常，日糧中提供的絲氨酸可在SHMT的催化下合成賴氨酸。SHMT還可催化谷氨酸或葡萄糖內源合成賴氨酸。SHMT存在于哺乳動物細胞的線粒體（Mitochondrial SHMT，mSHMT）和細胞質（Cytosolic SHMT，cSHMT）中。在大多數細胞中，mSHMT負責合成大量的賴氨酸。另外，SHMT在線粒體中似乎到處存在。cSHMT僅存在于腎臟和肝臟的細胞中。當與mSHMT相比時，cSHMT在催化絲氨酸向甘氨酸的轉化上活性較低。cSHMT和mSHMT均由特定的基因進行編碼[19-21]。MacFarlane等（2008）表明，mSHMT與cSHMT不同，它是肝細胞中激活四氫葉酸的CI單元的主要來源[22]。Stover等（1997）證明，SHMT可催化絲氨酸C-3位點的CI單元轉移至四氫葉酸，生成N5NIO亞甲基四氫葉酸[20]。Mudd等（2001）指出，N5NIO亞甲基四氫葉酸是少數幾個甲基化反應中甲基的主要來源[22]。N5NIO亞甲基四氫葉酸可用于不同的反應：（1）生成2-脫氧胸苷酸的胸苷酸合酶;（2）生成N5甲基四氫葉酸的N5NIO亞甲基四氫葉酸還原酶;（3）生成N5NIO亞甲基四氫葉酸的N5N10亞甲基四氫葉酸脫氫酶用于[10-23]。上述所有反應都會重新生成四氫葉酸，以確?？捎媒z氨酸合成甘氨酸。在不同的動物物種、組織和發育階段中，SHMT的表達有差異[4]。圖1闡明了動物利用葡萄糖、絲氨酸、谷氨酸、膽堿和蘇氨酸合成甘氨酸的路徑[1]。

4 甘氨酸的降解

在幼齡豬中，日糧提供的甘氨酸有近30%在小腸內被分解。腸腔中的各種菌株負責降解甘氨酸[24-26]。甘氨酸在人和動物體內的降解有三種途徑：（1）D-氨基酸氧化酶將甘氨酸轉化為乙醛酸;（2） SHMT將甘氨酸轉化為絲氨酸;（3）甘氨酸切割酶系統對甘氨酸進行脫氨基和脫羧基[27]。SHMT能夠催化N5-N10-亞甲基四氫葉酸產生一個碳單位和由甘氨酸轉化為絲氨酸的可逆過程。在由甘氨酸裂解酶系統形成的N5N10亞甲基四氫葉酸中，約50%的N5N10-亞甲基四氫葉酸被用于由甘氨酸合成絲氨酸的反應中。在妊娠中期胎兒肝細胞和綿羊胎兒肝細胞的原代培養物中，將近30%～ 50%的細胞外甘氨酸被用于絲氨酸的生物合成[28-29]。不同的因素（如酶動力學、產物和基質的細胞內濃度）會誘發甘氨酸裂解酶系統裂解甘氨酸，而不是利用二氧化碳和氨氣合成甘氨酸。線粒體甘氨酸裂解系統（Mitochondrial glycine CleavageSvstem，GCS）廣泛存在于許多哺乳動物和人的體內;它是這些生物體體內甘氨酸降解所需的主要酶[30]。但是，神經元中缺乏這種酶。GCS能夠催化甘氨酸與絲氨酸的相互轉化，且其需要N5NIO亞甲基四氫葉酸或四氫葉酸[31-32]。

GCS在降解甘氨酸上的生理重要性以人體缺乏為特征，這會引發甘氨酸腦病和血漿含有極高水平的甘氨酸。甘氨酸腦病是繼苯丙酮尿癥后最常見的氨基酸先天性代謝疾病[33]。代謝性酸中毒、高蛋白日糧和胰高血糖素均會提高不同哺乳動物體內甘氨酸的降解和肝甘氨酸裂解酶的活性。但是，對于人類來說，血漿含高水平的脂肪酸會抑制甘氨酸的生成，且似乎不會影響甘氨酸的氧化[34]。動物細胞中GCS中酶的順序反應見圖2。

（待續）