谷氨酰胺及其多肽研究进展

1.谷氨酰胺的转运系统
    谷氨酰胺在不同组织细胞的转运方式不完全相同，可被各种中性氨基酸转运系统转运，即使是同一转运系统在不同组织细胞中对GLN亲和力和转运速率也不尽相同。总体上分为二大类，即Na+依赖性GLN转运系统和非Na+依赖性GLN转运系统。前者促进细胞内GLN的积聚，后者则允许细胞内高GLN外流，以协调细胞内外GLN的平衡和代谢需求。虽然有关GLN跨组织细胞膜转运机理已有许多研究和报道，但GLN转运系统在不同组织细胞中的分布和功能仍不完全清楚（表1和表2）。 

   表1  谷氨酰胺转运系统

  AIB: 2-aminoisobutyric;MeAIB:2-methylaminoisobutyric; PAECs: pulmonary artery endothelial cells,
BCH: 2-aminobicyclo[2,2,1]hepatamedicarboxylic acid

表2  谷氨酰胺在鼠肝细胞中的转运系统

  NEM：N-ethylmaleimide
 

2. 谷氨酰胺在不同组织器官中的代谢

 2．1 小肠
    胃肠道是谷氨酰胺利用的主要器官，肠道既不合成也不储存谷氨酰胺，必须依靠其
它脏器合成或外源性谷氨酰胺。在正常生理条件下，肠上皮细胞生长需要消耗大量的谷氨酰胺；在病理状态下，如创伤、应激、感染及各种危重症时，谷氨酰胺消耗增加，血液和组织中的谷氨酰胺水平降低，谷氨酰胺对保持和恢复肠道结构和功能尤为重要。
Windmueller(1974)指出，肠道完全是从血浆中而不是从红细胞中摄取谷氨酰胺，因为循环通过小肠时红细胞谷氨酰胺浓度未发生变化。而小肠表皮细胞绒毛摄取了绝大多数谷氨酰胺，例如，大鼠的小肠滤出25%的循环谷氨酰胺，狗和人相对少一些，但其比例仍相当的高。肠道粘膜细胞含有相当高的谷氨酰胺酶活性，这与其高的摄取和代谢率相一致。此酶的活性易受一些因子所调节(见表3)。刷状缘谷氨酰胺转运特性最近被刷状缘膜转运载体所证实。空肠刷状缘谷氨酰胺的转运主要通过Nａ+依赖性通道而实现，很少依靠非Nａ+途径；基侧膜的谷氨酰胺的转运也是pH和Nａ+依赖性的。
    用离体大鼠小肠的灌注标本及自动灌注大鼠空肠的活体模型，Windmueller和 Spaeth(1974)以示踪法研究了谷氨酰胺碳和氮的代谢终产物，发现将近三分之二的谷氨酰胺碳被氧化为二氧化碳，谷氨酰胺氮则以氨、丙氨酸、瓜氨酸和脯氨酸出现。谷氨酰胺代谢的终产物进入门脉循环，无论从粘膜刷状缘或从动脉血经基底侧膜进入粘膜细胞的谷氨酰胺代谢方式是相同的。小肠谷氨酰胺代谢有以下功能：为肠道提供转运能源；为核酸的生物合成提供胺氮。小肠细胞摄取的谷氨酰胺与葡萄糖的摄入率相同，而对小肠上皮细胞而言，谷氨酰胺作为能源比葡萄糖更为重要。肠道非常适于谷氨酰胺的代谢，因为产生的氨非常容易进入门脉，其在进入系统循环前被肝脏滤出，而肝脏利用门脉中的氨合成尿素和谷氨酰胺，肝脏利用丙氨酸进行糖异生，而产生于肠道谷氨酰胺的丙氨酸在总的肝脏丙氨酸的消耗是变化的。
    常用的研究小肠谷氨酰胺代谢有以下几种模型：A：活体流量模型(动静脉差法)B：局部灌注模型；C：肠细胞培养；D：膜载体法，上述方法各有优缺点。

      表3  刷状缘谷氨酰胺转运和细胞内代谢的调节
 

2．2 胰脏
    胰腺的内外分泌都需要谷氨酰胺作为重要能量底物，在培养细胞和离体灌注的胰腺，谷氨酰胺比其它任何氨基酸利用程度都高。静脉灌注标记的谷氨酰胺很快被从循环中清除，测定发现胰脏的外分泌腺含谷氨酰胺的代谢产物比其它组织都高，在离体的胰岛细胞中，谷氨酰胺占代谢底物的约1/3，这些研究表明谷氨酰胺可能是胰腺生长和功能的一种重要能量底物或氮的来源。Helton等（1990）的研究发现应用GLN能明显提高胰腺重量及DNA、蛋白质含量，胰液的总胰蛋白酶原和胰脂肪酶原含量也增加。谷氨酰胺也可调节胰岛激素的释放，Opara等（1990）用离体灌注胰岛研究了谷氨酰胺对胰岛素和胰高血糖素释放的影响，发现在基础血糖水平下，谷氨酰胺抑制胰岛素产生，但刺激胰高血糖素的释放。
2．3 淋巴细胞和巨噬细胞
    GLN是肠道及肠道相关淋巴组织细胞及其它各种免疫细胞中核酸、蛋白质等生物分子合成的主要供氮体和氧化供能物质。Ardawi和Newsholme(1983)证实了淋巴细胞和巨噬细胞具有高的磷酸依赖性的谷氨酰胺酶活性，能利用大量的谷氨酰胺。Newsholme (1988)和Parry Billings等(1990)研究表明在抗原刺激下谷氨酰胺可能对淋巴细胞的增殖是必需的，既可为核酸生物合成的前体又可作为主要的能源。Brand等(1986)表明增殖的淋巴细胞对谷氨酰胺的消耗显著增加。现已证明淋巴细胞和巨噬细胞对谷氨酰胺的利用与对葡萄糖利用程度相等。当培养介质缺乏谷氨酰胺时，淋巴细胞对丝裂原刺激的应答能力明显降低。血中和局部组织中GLN浓度的下降会直接引起小肠乃至整个机体免疫防御功能的下降。
2．4 肝脏
    肝脏在器官内谷氨酰胺的代谢中起中枢作用，有证据表明肝脏既能消耗又能释放谷氨酰胺，肝脏可根据机体的需要来调节谷氨酰胺的净摄入和释放。在完整的肝腺泡中仅门脉周围的肝细胞发现有尿素合成和谷氨酰胺酶，而谷氨酰胺合成酶位于静脉周围的细胞。正如Haussinger(1990)所描述的，这是细胞间的间隔作用，其表现为门静脉周的肝细胞具有低亲和力、高的尿素合成能力系统和静脉周的肝细胞具有高亲和力的氨脱毒系统(作用于逃离尿素合成的氨)，这种基本调节的优点之一是在任何过量氨情况下都对此结构和功能组织无有害的影响，因为可通过可变的尿素循环流来解决。静脉周的细胞谷氨酰胺的合成充当了有效的清除系统，门脉氨水平调节门静脉周的谷氨酰胺酶的活性，允许这种酶作为线粒体内氨的放大器，其成为尿素循环的一种重要的决定因子。
    除了氨外，在肝细胞调节谷氨酰胺代谢的重要位点是血浆膜的转运，血浆膜运输谷氨酰胺经钠依赖性的谷氨酰胺转运系统（System N）, 这种专门性的载体蛋白仍未被鉴别和分离，研究者仅能依靠动力学分析获得更多的关于System N 载体的调节情况。尽管相对高的循环谷氨酰胺浓度，载体发挥最大的能力，Na+的电化学梯度能维持胞浆内谷氨酰胺的浓度10倍于循环水平，这提示了限制谷氨酰胺代谢率的步骤是转运而非代谢。这种假设被研究进一步证实，用内毒素处理的大鼠，尽管肝脏谷氨酰胺的摄入增加了10倍，而细胞内谷氨酰胺水平并不升高，谷氨酰胺酶的特殊活性远高于摄入率。因此，代谢并非谷氨酰胺代谢率的限制因子。
2．5  肌肉
    现知体内谷氨酰胺含量(不计牛磺酸)占细胞内游离氨基酸库的61%，而且大部分来自肌肉提供。肌肉中谷氨酰胺浓度为血液循环中的30倍。正常情况下肌肉净释放谷氨酰胺，当分解代谢增强时谷氨酰胺的释放大大加快，创伤感染和内毒素或糖皮质激素处
理时，肌肉细胞谷氨酰胺含量迅速下降而往往影响患者的生存率。肌肉蛋白质合成速率降低与谷氨酰胺含量减少密切相关并呈正相关，胰岛素有加强和协同这一作用。各种创伤、感染、脓毒症等应激可引起各种炎性细胞如巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞释放大量炎性介质，导致肌肉蛋白质降解作用增强，GLN合成酶活性增高，使GLN合成代偿性增加及原储备在肌肉细胞中游离GLN大量释放入血，以满足其它器官和组织细胞如小肠对GLN的摄取和利用的需要。
而关于在肠道吸收后状态下，谷氨酰胺在各器官间的正常流动见图3。
                   

                             图3 在肠道吸收后状态下谷氨酰胺在各器官间的正常流动

2．6 病理状况下的谷氨酰胺的代谢
    内毒素使分离肠细胞谷氨酰胺利用率下降，谷氨酸、丙氨酸产生减少。Ardawi等(1983)用盲肠结扎穿孔法建立大鼠感染模型,研究感染时小肠的谷氨酰胺代谢。结果显示，小肠谷氨酰胺酶活性下降，小肠动静脉血谷氨酰胺浓度差缩小，门静脉血谷氨酸、丙氨酸和氨代谢产物减少。这些实验结果表明：感染时肠道谷氨酰胺利用率降低，这明显不同于创伤导致谷氨酰胺的高利用率，其机制尚不清楚。目前认为，感染时细菌和毒素损伤粘膜导致对谷氨酰胺代谢能力的下降。动物实验表明内毒素血症时由于增加肠粘膜的通透性而使得肠腔内细菌和毒素移位。在大鼠注射大肠杆菌制备败血症模型中发现败血症可导致小肠粘膜明显损伤，供给谷氨酰胺组肠粘膜厚度和绒毛高度比对照组显著增高。Chen（1996）观察在TPN中给败血症鼠补充谷氨酰胺可增加肠粘膜谷氨酰胺酶活性，维持肠粘膜结构，通过减少骨骼肌分解代谢而改善氮平衡，谷氨酰胺组大鼠死亡率为13%，对照组为21%。Ardami等(1983)报道在感染时，肠道淋巴系统代谢增强；谷氨酰胺利用率增加，局部免疫功能提高。因此供给谷氨酰胺可维持和恢复肠粘膜屏障结构，促进肠粘膜免疫功能，防止肠道细菌和毒素移位，增强机体抗感染能力。
    在狗的研究中表明，短期饥饿是与肠和肝谷氨酰胺代谢的显著适应相联系的，这种适应并不伴随着动脉谷氨酰胺浓度的显著变化。随着小肠摄入谷氨酰胺的增加,肝脏则由摄入转为释放，这是由于肠道谷氨酰胺代谢产生过量的氨调节肝脏谷氨酰胺代谢，这种精细的适应性变化有助于缓解骨骼肌过度的分解。
    代谢性酸中毒改变了器官间的谷氨酰胺数量和流向，因为谷氨酰胺在肾的氨合成中起着关键性的作用。在酸中毒情况下，肾脏成为谷氨酰胺消耗的主要器官，为了满足肾脏的需要，内脏组织特别是肝脏由谷氨酰胺的摄取转向净释放，肠道对谷氨酰胺的摄取也减少，此种情况下，骨骼肌也释放谷氨酰胺供应肾脏。在手术应激的情况下，尽管骨骼肌加速了谷氨酰胺的释放，但血液中谷氨酰胺水平仍下降，这表明其它组织中谷氨酰胺的利用加强。