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理论成果

γ-氨基丁酸活性功能研究综述

发布时间:2015-12-22 15:58:43浏览次数:

    γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,简称氨基丁酸)是一种四碳非蛋白质氨基酸,又名氨酪酸。自Steward等从土豆茎块中发现之后,历经几十年的探索研究,已发现它广泛存在于许多不同植物的组织中。在植物体内,氨基丁酸成了细胞自由氨基酸库的重要组分,在胞液中有多种构型,可形成类似脯氨酸(proline,Pro)的环状结构。根据对高等植物组织中的氨基丁酸含量检测分析,多在0.03umol/g~32.5 umol/g之间,比许多蛋白质类氨基酸的含量高。物种间的氨基丁酸含量差异很大,蕨类、有花植物、掌叶半夏、红曲、藻类、藓类中的氨基丁酸含量较低;苜蓿中的氨基丁酸则以结合态的形式存在,是根瘤干重的6.6%;而在大豆叶中的氨基丁酸含量却只有0.05 umol/g干重。烟草中的氨基丁酸只在开花的组织器官中被检出,营养组织中则没有。桑叶中的氨基丁酸含量,町井博明曾分析过不同桑树品种间的含量,在他测试的品种中,59%的品种在1.51 mg/g~2.50mg/g之间,最高的达4.6 mg/g。金丰秋等用桑叶制作桑叶茶时,在加工过程中利用桑叶中含有的谷氨酸脱羧酶,通过工艺处理,可让桑叶茶的氨基丁酸含量提高的同时增强桑叶茶的香气和口感。
    氨基丁酸除了在植物中广泛分布外,也存在于哺乳动物脑、脊髓中,对生物体生命活动的调节起着不可替代的作用。Robeas等在哺乳动物的脑内发现了氨基丁酸的浓度特别高,后来Streeter进一步证实了氨基丁酸对哺乳动物中枢神经有抑制作用网。但氨基丁酸被正式确认为哺乳动物中枢的一种抑制性神经递质则是在1975年的第二届国际氨基丁酸专题会上。
 
1 氨基丁酸的理化性质
    高纯度的氨基丁酸为白色结晶或结晶性粉末,吸湿性强,极易溶于水,微溶于热乙醇,不溶于
冷乙醇、乙醚和苯。氨基丁酸的分子量为103.12,分子式C4H9NO2。它是一个两性离子,当在生理pH4.03-l0.56的情况下,既带正电又带负电荷;熔点为202℃-204℃。氨基丁酸也可以进行氨基酸的特征化学反应,例如,与丹磺酰氯(DNS-C)反应,就会生成荧光性质强和稳定的DNS—氨基丁酸。
 
2 氨基丁酸的化学合成
    氨基丁酸可通过化学合成,将邻苯二甲酰亚氨钾与γ-氯丁氰在180℃的条件下进行反应,然后将产物与浓硫酸回流,经结晶提纯而获得。也可以由吡咯烷酮经氢氧化钙、碳酸氢铵水解开环制得。化学法反应速度快、得率高,但去除产品中的有毒成分,在技术上比较复杂,成本较高,安全性差。
 
3 氨基丁酸生物提取法
    从生物中提取,主要有两种途径,一是直接从生物体中提取;二是从微生物发酵产物中提取。在高等植物体内,氨基丁酸的合成途径是L一谷氨酸(L—Glutamic,L—Glu)在L一谷氨酸脱羧酶(Glutamic acid decarboxylase,GAD)催化作用下,经过脱羧反应进行。已有研究证明,大多数植物中存在谷氨酸脱羧酶,在发芽种子中的L[U-14C]谷氨酸,可转变成L[U-14C]]氨基丁酸。微生物发酵法是以谷氨酸或其衍生物(谷氨酸钠,或富含谷氨酸的物质等)为原料,利用酵母菌乳酸菌和曲霉菌等食品安全级微生物发酵制得。产品有成本低、安全性高的特点,但高效产氨基丁酸的微生物菌种极少。许建军曾筛选出高产氨基丁酸的乳酸菌株SYFS 1.009,可以使发酵液中的氨基丁酸含量达到2mg/ML以上。刘清等得到一株可高产谷氨酸脱羧酶的乳酸菌菌株,在33℃进行发酵培养3天后,发酵液中氨基丁酸含量可达到310g/L以上。
 
4 氨基丁酸的生理学功能
4.1 氨基丁酸的药理作用

    氨基丁酸是一种功能性的非蛋白质氨基酸,国内外学者对氨基丁酸的生理活性功能已进行了多方面的研究探索,并依其活性功能,在食品和畜牧业上进行开发利用。
4.1.1 抗肿瘤
    近年来的研究发现,氨基丁酸及γ-氨基丁酸受体(γ-aminobutyric acid receptor,氨基丁酸R)广泛存在于外周神经组织,参与细胞间的信息传递,与细胞的分化和成熟密切相关。此外,氨基丁酸及其受体还可通过特定的信号转导通路影响某些肿瘤的增殖和侵袭转移等恶性潜Grunwald等研究发现某些肿瘤伴随氨基丁酸及其受体的高表达其原因是氨基丁酸与氨基丁酸R结合后可通过上调基质金属蛋白酶(the matrix metalloproteinase,MMP)的表达、提高胞内钙离子浓度、活化促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen—activated protein kinases,MAPK)链等途径促进肿瘤的侵袭和转移,因此阻断氨基丁酸R信号则可抑制肿瘤细胞的增殖。
    随着研究的深入,氨基丁酸及其受体信号通路蛋白分子有可能成为肿瘤诊断与治疗的潜在靶点。用不同浓度氨基丁酸作用于体外培养的Hela细胞,通过自动电泳凝胶成像分析仪进行分析,结果显示1mmo1/L的氨基丁酸作用48 h时,Hela细胞的端粒酶活性显著降低,起到抑制肿瘤细胞增殖、恶化的作用。
    刘臣海用不同浓度的氨基丁酸在体外处理胆管癌细胞QBC939,发现有抑制其增殖的作用,可导致胆管癌细胞凋亡,抑制胆管癌细胞端粒酶的活性。王营等吼电采用了类似方法研究了氨基丁酸对胰腺SW1990细胞生长的影响,发现随着氨基丁酸浓度增加,血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowth factor,VEGF) 信使RN(messenger RNA,mRNA)及蛋白表达明显增加,氨基丁酸影响胰腺癌细胞增殖、凋亡和血管的形成。
4.1.2 保护听觉氨基丁酸和Glu是听觉中枢神经系统内主要的抑制性神经递质和兴奋性神经递质。
    研究表明电刺激听皮层后,氨基丁酸和Glu在中脑下丘神经元的听反应及电活动中起重要作用。氨基丁酸a受体是最重要的氨基丁酸受体,在听觉系统中,氨基丁酸激活氨基丁酸a受体后,起着调控听觉信号传导,保护听觉神经元免受过度刺激损害的作用。王勤瑛等闭研究了大鼠单侧耳蜗损毁前后不同时期下丘中氨基丁酸含量及其阳性神经元的分布变化,认为氨基丁酸作为一种神经递质参与了耳蜗毁损后听觉功能的重组过程,并起重要作用。
4.1.3 增强免疫力
    粘膜免疫系统广泛分布于消化道、呼吸道、泌尿生殖道以及外分泌腺,是动物机体抵御外来病原体入侵的首道屏障。研究发现,氨基丁酸对粘膜免疫具有一定的增强作用,人口服100 mg/kg 氨基丁酸后,唾液中IgA的分泌水平显著提高,从而增强机体对病原侵入的免疫能力。
    Frederic等和Pigueras等的研究认为,氨基丁酸有促进胃酸及消化道消化酶的分泌,同时抑制胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)分泌,减弱消化道食糜对采食的负反馈作用,抑制胃膨胀及饱中枢,从而提高动物采食量,增强营养物质的消化吸收与代谢,提高动物免疫机能。
    脑垂体分泌的生长素(GH)几乎对所有免疫细胞都有促进分化和加强功能的作用,因此在体内有广泛增强免疫功能的作用。Wang等报道,给予雄性鼠右侧脑室注入氨基丁酸后,会产生剂量依赖性地促进血清中GH的分泌,同时伴随着生长激素抑制因子分泌的增加。胡家澄等通过对新生鼠垂体离体的研究认为,在新生初期,氨基丁酸能够促进垂体分泌GH,并且氨基丁酸对于GH的影响不依赖于肾上腺素、性腺素和甲状腺素。
4.1.4 治疗糖尿病
    氨基丁酸和谷氨酸均存在于中枢和外周神经组织中。当发生疾病时,谷氨酸过量则会对神经元产生毒性作用,相反氨基丁酸过量则会拮抗这种毒性而有保护作用。Heber等用对胰岛P细胞有选择性损伤的链酶菌素处理大鼠,发现胰岛内氨基丁酸浓度明显下降,只是对照组的十分之一,组织学检查显示给药7.24 h后胰岛P细胞受到破坏而其它细胞没有发生变化,在胰岛P细胞中存在大量可用的氨基丁酸。Kash等用成年Wistar大鼠注射链脲菌素制备糖尿病模型,连续通过灌胃给予氨基丁酸10天,能明显减少血清葡萄糖含量,血清糖基化蛋白含量也减少,高血糖症状得到改善,糖尿病大鼠的体重增加,肝脏和肾脏的重量均增加,而灌胃给予氨基丁酸可减弱由高血糖症诱导的器官大。Adeghate等对神经递质摄取的研究显示对3H标记的谷氨酸摄取在自发性糖尿病大鼠中比在正常Wistar大鼠下降了30%,而对3H标记的氨基丁酸摄取与对照组比较无明显的差异,表明氨基丁酸的治疗能延缓由葡萄糖代谢受损和氧化应激导致的糖尿病并发症的发展。Tian等的研究也表明氨基丁酸能抑制I型糖尿病小鼠的T细胞自身免疫及炎症反应的发展。
    在高血糖症状下,氨基丁酸作为一种能量的来源使用,氨基丁酸 B受体激动剂能通过刺激氨基丁酸活性有效延缓非肥胖糖尿病小鼠糖尿病的发生,氨基丁酸可以通过调控胰岛素分泌和与氨基丁酸相关联抗原的表达来实现的。
    除上述功能之外,氨基丁酸还有许多其他方面的生理功能,万选才等[卯蚧绍了氨基丁酸有神经营养作用,沈鼎烈等综述了氨基丁酸治疗癫痫的作用,Kazami等和Hayakawa等通过对小鼠高血压模型的研究认为,氨基丁酸有降低血压的功能。徐传伟等通过临床试验发现氨基丁酸可控制小儿急性哮喘,孙百申通过添食含有氨基丁酸的米胚芽发现氨基丁酸可活化肝肾功能、改善脂质代谢。此外,夏江认为氨基丁酸有防止动脉硬化、防止皮肤老化、预防肥胖、减轻厦性疾病如关节炎疼痛等作用。
 
5 氨基丁酸的应用
5.1 氨基丁酸在食品工业的应用
5.1.1 富含氨基丁酸茶的研制
    1987年日本的津志川藤二郎等人将采摘下来的新鲜茶叶经N2 厌氧处理后发现,与一般加工方法相比,氨基丁酸的含量由0.3 mg/g增加为2mg/g,经过动物实验和临床实验,这类茶具有显著的降血压效果,命名为氨基丁酸ron茶,即γ-氨基丁酸茶,并投放市场,受消费者特别是高血压患者的青睐,并生产出叶茶、袋泡茶和罐装茶饮料等系列产品。肯尼亚、斯里兰片等国已经开始研究提高CTG红茶中氨基丁酸的含量。中国农业科学院茶叶研究所研制的“γ-氨基丁酸茶加工技术”通过成果鉴定。
5.1.2 富含氨基丁酸的米胚芽制品
    日本小野寺明彦等将米胚芽通过加酶反应,然后进一步抽提,精制,得到氨基丁酸含量达5000~8000 mg/kg的产品。1994年,日本农林水产省中国农业试验场成功研制出氨基丁酸—RG,并由日本的ORYZA公司上市,生产富含氨基丁酸米胚的糕点、面包、橱束汤料、乳制品等。
胡代欣以糙米和发芽糙米为原料,通过厌氧发酵,获得了富含氨基丁酸的醪糟。张晖等通过内源酶,或外加蛋白酶制得富含氨基丁酸的米胚芽粉产品,是一类有抗疲劳功能的保健食品,并获得专利。
5.1.3 富含氨基丁酸的乳制品
    目前,国内外的乳制品都很普及,功能性的乳制品也越来越受到了人们的青睐,在细菌脱羧
酶的作用下,乳品中的一些氨基酸会降解脱羧,氨基丁酸就是经谷氨酸脱羧生成的。Nomura等人从生产奶酪的菌株中分离出一株高产的氨基丁酸菌株,使奶酪制品中氨基丁酸的含量达到了383 mg/kg 。据中国专利网的信息,中国科学院成都生物研究所的刘光烨等申请了“富含氨基丁酸食用菌粉制作方法及其应用”的发明专利,浙江丰润酒业有限公司戴春荣等申请了“含氨基丁酸的黄酒及其酿造方法”的发明专利。
5.2 氨基丁酸在畜牧业的应用
    氨基丁酸作为一种功能性氨基酸类饲料添加剂,具有提高动物生产性能和产品品质的功效,在饲料应用中的研究成了热点。有多研究报道,将一定剂量的氨基丁酸注射到动物的不同脑区,可显著促进动物摄食,并具有剂量依赖效应;陈忠等的试验认为,在肉仔鸡饮水中添加适量的氨基丁酸,可以减少鸡只的活动量和产热量,降低代谢率,从而缓解高温对肉鸡生产性能的影响,增强肉鸡的抗应激能力和日增重;韦习会等在育肥猪的日粮中添加氨基丁酸,有增加猪的采食量,提高日增重的显著作用,且不降低饲料蛋白质的利用率;魏智清等的研究报道,适当浓度的氨基丁酸可以增强鲫鱼的抗缺氧能力,0.3%氨基丁酸使鲫鱼在缺氧环境下的存活时间明显延长。
    从已有的研究报道看,氨基丁酸是一种具有重要生理功能的活性物质,在动物中有降血压、抗惊厥、促使精神安定、促进脑部血流、增进脑活力、营养神经细胞、增加生长激素分泌、健肝利肾的作用,是哺乳动物神经中枢的一种抑制性递质。在植物的抗逆中也发挥着积极的生理活性作用。氨基丁酸作为饲料添加剂,在促进采食、降低料肉比等同时还可增强其免疫机能。其功能也符合国际上对于食品安全和饲料安全的要求及畜牧养殖、饲料添加剂发展的需要。由于氨基丁酸有着多种特殊的作用功能,它被作为一种新型的功能性因子越来越引起医药、食品、化工、农业等行业的关注,成为开发研究的热点。
    氨基丁酸的富集技术,国外的日本等取得了较大的进展,我国对生物来源的氨基丁酸,从富集、分离纯化到生物学功能的研究,尚处于起步阶段,目前还没有见到从植物中提取并制备出高纯度的氨基丁酸结晶体的报道。
    作为药食同源的桑叶,我们经初步研究,发现其氨基丁酸含量高,具有容易提取,资源丰富的优势。桑树在我国有种植易、生产成本低,全年生长时间长,产量高的资源优势,故对桑叶氨基丁酸进行研究并加以开发利用,将有十分重要的科学价值和广阔的市场前景,这不仅挖掘、开发出一种新的氨基丁酸生物新材料,而且对我国桑叶在非绢丝产业上的新用途是一种创新性的研究。