非必需氨基酸甘氨酸的多重有益效应（综述）

韩浩月

摘要：甘氨酸是人、动物和许多哺乳动物营养上最重要且最简单的非必需氨基酸。通常，甘氨酸由胆碱、丝氨酸、羟脯氨酸和苏氨酸经由器官内的代谢合成，其主要的合成器官为肾脏和肝脏。通常在正常的饲养条件下，甘氨酸无法在人、动物和家禽体内充分合成。甘氨酸是几种小分子（如肌酸、谷胱甘肽、血红素、嘌呤和卟啉）的重要代谢产物的前体物质。甘氨酸在改善动物和人类的健康、促进动物的生长以及提高人和动物的福利方面非常有效。甘氨酸在预防包括癌症在内的许多疾病和生理失调上的作用得到了许多研究的支持。人膳食中添加合适水平的甘氨酸可有效地治疗代谢紊乱、心血管疾病、多种炎症性疾病、肥胖症、癌症和糖尿病等。甘氨酸还具有提高睡眠质量和神经系统功能的作用。在本篇综述中，我们将重点介绍甘氨酸在人类和动物体内的代谢，以及甘氨酸在不同疾病状态下的有益效用和保护作用的最新发现和研究进展。

关键词：甘氨酸;非必需氨基酸;哺乳动物;禽类   中图分类号：S816   文献标志码：C

文章编号：1001-0769（2018）07-0100-04

1820年，法国化学家H.Braconnot率先从蛋白质的酸解产物中分离出甘氨酸[1]。甘氨酸味甘，有类似于葡萄糖的甜味;正因为它具有甜味的特性，其命名便来源于希腊词汇“甘（glykys）”。甘氨酸可利用氢氧化钾对肉和明胶进行碱性水解制得。A.Cahours使用单氯乙酸和氨化学合成了甘氨酸，并构建了甘氨酸的结构[2]。甘氨酸是一种简单的氨基酸，不分L型或D型化学构型。细胞外部的结构蛋白如弹性蛋白和胶原蛋白都由甘氨酸合成。对于哺乳动物，如猪、鼠和人来说，甘氨酸属于营养性非必需氨基酸。但一些报道指出，猪、鼠和人体内的甘氨酸合成量不足以满足其代谢活动的需要[3]。甘氨酸的少量缺乏对健康无害，但严重缺乏会导致免疫应答失败、生长缓慢、营养代谢异常，并会对机体健康产生不良影响[4]。因此，甘氨酸被认为是人类和其他哺乳动物的条件性必需氨基酸，其可以促进机体的良好生长。对于家禽而言，甘氨酸是新生雏禽和胎儿生长真正的必需需求，因为新生雏禽和胎儿无法合成足够数量的甘氨酸来满足其代谢活动所需。

4 甘氨酸的生理功能

甘氨酸在许多哺乳动物和人类的代谢和营养中起着非常重要的作用。甘氨酸占人体内总氨基酸含量的11.5%，并且體内蛋白质中总氨基酸氮的20%来自于甘氨酸。通常情况下，对处于生长中的人类身体或其他哺乳动物而言，全身80%的甘氨酸会用于蛋白质合成。在胶原蛋白中，每三个位点便会连接一个甘氨酸;甘氨酸残基将胶原蛋白的三螺旋结合在一起。酶中活性位点的灵活性取决于甘氨酸[5]。在中枢神经系统中，甘氨酸作为神经递质起着至关重要的作用，从而控制食物的摄入、机体行为和完整的体内平衡[6]。通过改变细胞内Ca2+水平，甘氨酸可调节免疫功能，产生超氧化物，合成细胞因子[7]。在人类和猪体内，甘氨酸还可促进胆汁酸的共轭作用;因此，甘氨酸在脂溶性维生素和脂质的吸收和消化上间接发挥着重要的作用。核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）、脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）、肌酸、丝氨酸和血红素通过多种利用甘氨酸的途径产生。总体而言，在人类和许多其他哺乳动物体内，甘氨酸在细胞保护、免疫应答、生长、发育、代谢和存活方面具有重要功能。

2 甘氨酸的合成

一些同位素试验和营养试验表明，甘氨酸可在猪、人和其他哺乳动物的体内合成。大鼠的生化研究证明，甘氨酸是由苏氨酸（通过苏氨酸脱氢酶途径获取）、胆碱（通过肌氨酸合成途径获取）和丝氨酸[通过丝氨酸羟甲基转移酶（Serine Hydroxymethyltransferase， SHMT）途径获取]合成的。后来，其他研究也证明，猪、人和其他哺乳动物中的甘氨酸同样是通过上述三种途径合成的[8]。最近的研究表明，羟脯氨酸和乙醛酸是人和哺乳动物体内甘氨酸合成的底物[9-10]。

2.1通过胆碱合成甘氨酸

哺乳动物组织中的甲基是在胆碱降解为甘氨酸的过程中产生的。一般情况下，成年大鼠会将所摄入胆碱中的40%～45%转化为甘氨酸，而当胆碱的摄入量非常低时，这个值有时会提高到70%。利用甜菜碱醛脱氢酶和胆碱脱氢酶，胆碱可转化为甜菜碱[11]，胆碱的三个甲基可供三种不同转化途径使用：（1）肌氨酸通过肌氨酸脱氢酶转化为甘氨酸;（2）利用甜菜碱一同型半胱氨酸甲基转移酶中的甜菜碱作为甲基供体，并将同型半胱氨酸转化成蛋氨酸;（3）二甲基甘氨酸通过二甲基甘氨酸脱氢酶转化为肌氨酸。肌氨酸脱氢酶和二甲基甘氨酸脱氢酶主要存在于胰腺、肺、肝脏、肾脏、输卵管和胸腺，这两种酶是线粒体黄素酶[12]。甘氨酸和肌氨酸可以通过甲基转移而互相转化。肌氨酸脱氢酶在甘氨酸一肌氨酸循环中具有非常重要的作用，因为它控制着S腺苷高半胱氨酸与S-腺苷甲硫氨酸的比例。甲基在细胞中转移的反应主要受S腺苷高半胱氨酸与S腺苷甲硫氨酸的影响。如果日粮中的胆碱含量非常低，那么哺乳动物体内合成的甘氨酸数量也很低。

2.2通过苏氨酸合成甘氨酸

最近，多位研究人员报道，某些哺乳动物肝脏中的SHMT显示苏氨酸醛缩酶的活性很低。SHMT和苏氨酸醛缩酶具有独一无二的免疫化学特性和生物化学特性。苏氨酸脱氢酶是哺乳动物（如猪、猫和大鼠）体内的重要酶，可降解80%的苏氨酸[13-15]。一些科学报告指出，在成人体内，7%～11%的苏氨酸是由苏氨酸脱氢酶降解的[16]。在婴儿体内，苏氨酸不会转化为甘氨酸。豆粕型日粮和常规的玉米型日粮可为断奶仔猪提供大量的海洛因，而在哺乳期仔猪的体内，赖氨酸可由海洛因合成[17]。如果海洛因供应不足，机体内则没有赖氨酸的主要来源[18]。

2.3通过丝氨酸合成甘氨酸

通常，日粮中提供的丝氨酸可在SHMT的催化下合成赖氨酸。SHMT还可催化谷氨酸或葡萄糖内源合成赖氨酸。SHMT存在于哺乳动物细胞的线粒体（Mitochondrial SHMT，mSHMT）和细胞质（Cytosolic SHMT，cSHMT）中。在大多数细胞中，mSHMT负责合成大量的赖氨酸。另外，SHMT在线粒体中似乎到处存在。cSHMT仅存在于肾脏和肝脏的细胞中。当与mSHMT相比时，cSHMT在催化丝氨酸向甘氨酸的转化上活性较低。cSHMT和mSHMT均由特定的基因进行编码[19-21]。MacFarlane等（2008）表明，mSHMT与cSHMT不同，它是肝细胞中激活四氢叶酸的CI单元的主要来源[22]。Stover等（1997）证明，SHMT可催化丝氨酸C-3位点的CI单元转移至四氢叶酸，生成N5NIO亚甲基四氢叶酸[20]。Mudd等（2001）指出，N5NIO亚甲基四氢叶酸是少数几个甲基化反应中甲基的主要来源[22]。N5NIO亚甲基四氢叶酸可用于不同的反应：（1）生成2-脱氧胸苷酸的胸苷酸合酶;（2）生成N5甲基四氢叶酸的N5NIO亚甲基四氢叶酸还原酶;（3）生成N5NIO亚甲基四氢叶酸的N5N10亚甲基四氢叶酸脱氢酶用于[10-23]。上述所有反应都会重新生成四氢叶酸，以确保可用丝氨酸合成甘氨酸。在不同的动物物种、组织和发育阶段中，SHMT的表达有差异[4]。图1阐明了动物利用葡萄糖、丝氨酸、谷氨酸、胆碱和苏氨酸合成甘氨酸的路径[1]。

4 甘氨酸的降解

在幼龄猪中，日粮提供的甘氨酸有近30%在小肠内被分解。肠腔中的各种菌株负责降解甘氨酸[24-26]。甘氨酸在人和动物体内的降解有三种途径：（1）D-氨基酸氧化酶将甘氨酸转化为乙醛酸;（2） SHMT将甘氨酸转化为丝氨酸;（3）甘氨酸切割酶系统对甘氨酸进行脱氨基和脱羧基[27]。SHMT能够催化N5-N10-亚甲基四氢叶酸产生一个碳单位和由甘氨酸转化为丝氨酸的可逆过程。在由甘氨酸裂解酶系统形成的N5N10亚甲基四氢叶酸中，约50%的N5N10-亚甲基四氢叶酸被用于由甘氨酸合成丝氨酸的反应中。在妊娠中期胎儿肝细胞和绵羊胎儿肝细胞的原代培养物中，将近30%～ 50%的细胞外甘氨酸被用于丝氨酸的生物合成[28-29]。不同的因素（如酶动力学、产物和基质的细胞内浓度）会诱发甘氨酸裂解酶系统裂解甘氨酸，而不是利用二氧化碳和氨气合成甘氨酸。线粒体甘氨酸裂解系统（Mitochondrial glycine CleavageSvstem，GCS）广泛存在于许多哺乳动物和人的体内;它是这些生物体体内甘氨酸降解所需的主要酶[30]。但是，神经元中缺乏这种酶。GCS能够催化甘氨酸与丝氨酸的相互转化，且其需要N5NIO亚甲基四氢叶酸或四氢叶酸[31-32]。

GCS在降解甘氨酸上的生理重要性以人体缺乏为特征，这会引发甘氨酸脑病和血浆含有极高水平的甘氨酸。甘氨酸脑病是继苯丙酮尿症后最常见的氨基酸先天性代谢疾病[33]。代谢性酸中毒、高蛋白日粮和胰高血糖素均会提高不同哺乳动物体内甘氨酸的降解和肝甘氨酸裂解酶的活性。但是，对于人类来说，血浆含高水平的脂肪酸会抑制甘氨酸的生成，且似乎不会影响甘氨酸的氧化[34]。动物细胞中GCS中酶的顺序反应见图2。

（待续）