γ-氨基丁酸的代谢及其在鱼类养殖中的应用研究进展

彭思博，陈秀梅，王桂芹

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林长春 130118）

γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric Acid，GABA），又称4-氨基丁酸，是一种具有生物活性的重要功能性四碳非蛋白质氨基酸，于1949 年在马铃薯的块茎中被首次发现，又于1950 年在哺乳动物的中枢系统中被发现，其广泛存在于动植物体及微生物体内[1-2]。随着研究深入，人们对GABA 的功能已越来越清晰。作为重要抑制性神经递质的一种，GABA 具有降血压[3]、抗惊厥[4]、镇静神经[5]和改善肝肾[6]等多种功能，同时在促进强化机体的抗氧化能力、运动耐受能力、免疫功能和繁殖能力等方面发挥重要作用。目前，GABA 已应用到生物制药食品保健甚至养殖生产中，是一种条件性的必需营养物质。本文综述了GABA 的结构和理化特性、来源分布以及代谢等，并概述了GABA 对鱼类生长、抗氧化以及免疫等方面的研究进展，为GABA 在鱼类养殖业中的科学应用提供理论基础，同时为阐明发挥GABA的多种功能机制提供理论参考。

1 GABA 的代谢

1.1 GABA 的结构和理化特性 GABA 的分子式为C4H9NO2，分子质量为103.1[7]，结构式如图1 所示。GABA 呈一种白色或近白色的结晶体粉末状，对水有极强的溶解性，较易潮解，对热的乙醇溶液微溶，对冷的乙醇、苯、乙醚等溶液不溶解，无旋光性[8]。25℃时GABA 的溶解度为130 g/100 mL，熔点为202℃，当温度达到熔点温度以上时GABA 会分解并形成水和吡咯烷酮[9]。

1.2 GABA 的来源及分布 机体内GABA 的来源有2条途径，包括膳食中摄取以及自身合成。GABA 的主要来源是从膳食中获取，正常人群每天从膳食中摄取约30～100 mg 的GABA 可起到保健作用[10]。GABA 几乎存在于所有的生物体内，包括大多数植物、微生物以及动物。膳食中谷物类GABA 含量较为丰富，尤其是发芽糙米和粳米。中日合作培育的发芽糙米中的GABA含量是白米的5 倍，比普通糙米高出3 倍多[11]。Okada等[5]研究发现，每天摄入含有26.4 mg GABA 的粳米可以对阿兹海默症起到明显的缓解作用。此外，粟米、米胚芽、小麦麸皮也含有一定量的GABA[12]。中草药及果仁食品中GABA 含量较少，其中蕨菜一类，如鲜蕨也含有一定量的GABA，但核桃仁和桑叶中GABA 含量高于其他果仁食品和中草药[13]。张容等[11]研究发现，桑叶中含有大量GABA，其平均质量分数为2 260 mg/kg，常饮桑茶可起到降血压的作用；每100 g 的核桃仁中含有2.339 g 谷氨酸，常食核桃仁给人体以外源性补充谷氨酸，可以促进GABA 的合成，从而可降低血氨以及治疗神经精神疾病。同时，GABA 也可由布氏乳杆菌S37[14]、短乳杆菌NCL912[15]以及谷氨酸棒杆菌S9114[16]等微生物作用而产生。GABA 含量在动物体内最高，尤其是脑和骨髓中。通过免疫学研究指出，脑组织中总GABA 含量为0.1～0.6 mg/g，其中大脑中黑质区其浓度最高[17]，约50%的中枢神经突触部位都通过GABA 为递质[18]。

GABA 的内源合成是谷氨酸被谷氨酸脱羧酶（GAD）和维生素B6所催化，通过GABA 支路（GABA shunt）途径而产生。这个过程把谷氨酸这种能够引起兴奋的神经传递物质转换成神经抑制物质GABA[19]。由图2 可知，以谷氨酸为底物，经过GAD 作用后生成GABA。GABA 合成所需的维生素B6在机体内分布广泛，而GAD 主要含于脑部灰质中具有较多突触体的部分。而GAD 小部分是以结合的形式存在于线粒体中，绝大部分都是以游离形式存在于轴突末梢的胞质内，因此GABA 仅能在脑以及少数的组织中得到合成[20]。关于鱼类的GABA 内源合成影响因素的研究相对较少，上述试验结果对水产动物是否能够适用，仍然需要进一步研究。

1.3 GABA 的受体 GABA 通过与GABA 受体结合来介导它的神经生理学作用。GABAA 受体、GABAB 受体和GABAC 受体是在机体内可被GABA 识别结合的3 类受体（图3）。

GABAA 受体是一种离子型受体，而且是一类配体门控型离子通道，此通道的内源性配体是一种被称为GABA 的神经递质。GABAA 受体的GABA 结合位点直接负责Cl-通道的开启[21]，当二者结合后，细胞膜上Cl-通道便开启。多数情况下，因为胞内的离子浓度比胞外低，故Cl-便顺着浓度差进入胞内，使得胞内膜电位增加进而产生超极化，可抑制神经元兴奋，即GABAA 受体与GABA 的结合能够介导快速的抑制性突触后电位（IPSP）[22]。而在胞内高浓度Cl-的情况下，保持Cl-浓度梯度能力低的未成熟神经元为了增加Cl-通透性，胞内Cl-便顺着浓度差又流向至胞外，导致膜电位产生去极化。此去极化作用的发生可能会点燃细胞，激活某些电压门控离子通道，进而去调节其他细胞活动。与此同时，通透性并不稳定的一些GABAA 受体的亚型重碳酸盐也参与了去极化，对于一些正在发育中的神经细胞来说，该类GABAA 受体的去极化作用也是一种重要的神经兴奋系统[23]。

GABAB 受体也称γ-氨基丁酸B 型受体，是一类与G 蛋白偶联的跨膜蛋白，它们与Ca2+和K+的离子通道有关。突触前膜的GABAB 受体能够作为自身和异源2 种受体来关闭Ca2+通道以达到减少GABA 及谷氨酸释放的作用，进而对神经元产生解除抑制效应和抑制效应这2 种相反的效应。K+通道的开放是由突触后膜的GABAB 受体被激活后导致，使得神经元产生超极化反应，进而对神经元产生抑制效应[24]。

GABAC 受体属于配体门控离子通道，与GABAA受体相似。GABAC 受体与GABAA 受体同样为五聚体复合物，但GABAC 受体较为简单，中心是Cl-通道[25]。GABAC 受体的抑制涉及快速的Cl-传导，基于其与GABAA 受体在结构与功能上的相似性，国际药理学联盟命名委员会便将其归为GABAA 受体亚型，而不再称作GABAC 受体[26]。

1.4 GABA 的代谢途径 GABA 的代谢途径是由三羧酸循环（TCA 循环）衍生出的一个支路，这个代谢途径由谷氨酸脱羧酶（GAD）直接并不可逆地对谷氨酸脱羧开始，生成GABA 最后转化为琥珀酸的过程[27]。

GABA 支路的第一步是由质体中GAD 所介导，GAD 催化谷氨酸上的α-羧基进行脱羧反应，生成GABA 并同时放出CO2。GABA 被一种运转体（VGAT）包裹进突触前小泡，之后突触前膜与含有GABA 的小泡融合，从而将GABA 释放至突触间隙。在突触中，GABA 作用是否终止取决于GABA 自细胞外空间的移除。神经元和神经胶质都通过特殊的GABA 运转体（GATs）摄取GABA。GAT-1、GAT-2、GAT-3 和GAT-4 4 种GABA 运转体都已经被证实每一种在中枢神经系统中皆具有其特征性的分布[28]。

第二个参与GABA 支路的酶是在线粒体中分布广泛的GABA 转氨酶（GABA transaminaze，GABA-T），它以γ-氨基丁酸-丙酮酸转氨酶和γ-氨基丁酸-α-酮戊二酸转氨酶2 种形式存在。通过利用丙酮酸或者α-酮戊二酸来作为氨基受体可逆催化GABA 使其生成琥珀酸半醛，有对机体外的GABA-T 研究表明，α-酮戊二酸转氨酶的活性比丙酮酸转氨酶的活性要低[29]。

GABA 支路的最后一步就是通过琥珀酸半醛脱氢酶（Succinic Semialdehyde Dehydrogenase，SSADH）对琥珀酸半醛进行不可逆催化使其生成琥珀酸最后进入TCA 循环达到该支路途径的完成。这样从GAD 经过谷氨酸、GABA、GABA-T、丙酮酸、α-酮戊二酸和琥珀酸半醛生成琥珀酸的代谢过程构成了TCA 循环的一条支路，即GABA 支路（图4）[29]。

2 GABA 对鱼类机体的影响

2.1 GABA 对鱼类生长的影响 目前，大多数研究表明，饲料中添加GABA 能够提高饲料效率并对鱼类生长起到促进作用（表1）[30-44]。同种鱼类在饲养周期相近的情况下，处于不同的生长阶段所需要的GABA 最适添加量也不同；大规格的鱼需要添加GABA 较多，小规格的鱼则需要添加的GABA 相对较少。陈秀梅[30]在40.55 g 的建鲤饲料中添加90 mg/kg GABA，发现能促进其生长，但添加60 mg/kg 的GABA 对建鲤生长无影响，可能原因是由于饲料中添加GABA 的量不足而导致促生长作用未能表现。GABA 对不同鱼类生长效果的影响具有一定的差异性，可能与鱼的自身种类、机体体质和其饲料组成以及其生存环境等各种方面都具有一定关系；鱼的体质以及其生存环境不同会导致鱼体对需求GABA 的量产生一定差异[30]；不同饲料原料配比对内源GABA 的合成会产生一定影响，导致鱼对饲料中GABA 的需求量也发生相应改变[34]。

表1 GABA 在鱼类机体中的应用

2.2 GABA 对鱼类抗氧化能力的影响 鱼类在养殖过程中极易受到水环境变化、饲料改变及饲养管理不善等方面的影响而产生应激反应，而任何应激均伴有氧化应激的发生[45]。鱼类在处于长期不良胁迫的条件下其机体内原有的氧化还原平衡状态极易受到破坏，致使机体产生氧化应激，从而影响各组织器官功能的正常行使，最终使得机体生长发育缓慢、免疫能力下降、发病率升高以及饲料转化率低等[43]。由应激造成的生长抑制和健康受损问题一直困扰着养殖业，是集约化水产养殖的瓶颈问题之一[46]。因此，GABA 的抗氧化功能自20 世纪90 年代以来受到越来越多研究学者的重视。徐贺[31]研究发现，当饲料中添加54～90 mg/kg GABA 时，建鲤血清和肝胰脏超氧化物歧化酶（SOD）水平显著提高，从而提高机体抗氧化能力。吴凡[32]研究发现，随着饲料中GABA 含量增加，肝脏谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、SOD、总抗氧化能力（T-AOC）活性显著增加，在100 mg/kg 的添加剂量时最高；而丙二醛（MDA）则是先降低后增加，在100 mg/kg 的添加剂量时最高，保护机体免受自由基的侵害；但饲料中GABA 含量超过100 mg/kg 后，肝脑GPx、SOD、T-AOC 活性下降，而MDA 含量增加，表明表明饲料中添加适量的GABA能提高草鱼幼鱼的抗氧化性能，过量则会使抗氧化能力降低。

同样，缺氧也属于氧化应激的一种常见应激，鱼类缺氧的常见原因是由于组织器官供氧的减少和组织利用氧时发生了障碍[48]。魏智清等[37]通过在水中添加0.3%的GABA 使泥鳅的抗氧化应激能力明显提升；谈永萍等[38]通过在水中添加0.15%的GABA 来增强高体鳑鲏的抗缺氧能力。研究证明，当机体处于缺氧缺血状态下，胞外抑制性氨基酸GABA 是增加的[49]。

2.3 GABA 对鱼类免疫力的影响 鱼类免疫机能低下会导致机体产生一系列不良反应，对机体产生较大危害，导致机体生长发育缓慢、繁殖能力下降以及发病率增高和死亡率上升等后果[50]。因此，如何增强鱼类免疫能力对现代鱼类的健康养殖具有重要意义。闫峰宾等[35]研究发现，在水中添加50 mg/L GABA 可以有效缓解鲫的一些应激敏感指标（如葡萄糖、皮质醇以及电解质等）含量变化，从而减缓应激对鱼类机体的损伤，令机体具有一定的抗运输应激作用；但添加100 mg/L GABA 对皮质醇的降低程度并不明显，这表明适量的GABA 就已经可以抑制运输应激所导致的血清皮质醇上升程度，但GABA 添加过量则会通过负反馈进而起到相反作用。徐贺[31]研究发现，建鲤的脾脏和头肾中溶菌酶（LZM）活性和NO 含量均随着GABA 添加量增加而呈上升趋势，当GABA 的添加范围在36～108 mg/kg，LZM 活性显著高于对照组，添加54～108 mg/kg GABA 时，NO水平都高于对照组，表明GABA 可以增加建鲤头肾和脾脏LZM 活性和NO 含量，提高建鲤的免疫力。

3 结语与展望

作为一种新型的绿色饲料添加剂，GABA 在促进鱼类机体生长、增强其抗氧化能力以及提高其免疫力等方面具有显著作用。虽然目前众多国内外学者对GABA的结构、理化特性、来源、分布和代谢等方面已经进行了深入研究，但关于GABA 在鱼类机体中的应用方面尚为浅显，在鱼类机体生长、抗氧化能力和免疫力方面相关研究所得到的结果因其试验中品种、生长阶段以及饲养环境等条件不同而存在着较大差异，使用效果并不稳定。同时，关于GABA 毒性方面的相关研究较少，若控制不好外源性添加剂量，超出机体耐受力可能会引起机体休克或是死亡。因此，如何对其进行适当的处理，使GABA 能够稳定高效地发挥作用对于合理开发利用GABA 以及其在鱼类健康养殖中的应用具有重要的现实意义。