谷氨酰胺（Glutamine Gln）是L－谷氨酸的γ-羧基酰胺化物，在生命活动中起着重要的作用。它在细胞的氨基酸代谢中除作为构成蛋白质的氨基酸参与蛋白质合成外，其酰胺氮又能作为氮源参与核酸和糖蛋白等的合成。谷氨酰胺在不同的组织中有不同的代谢功用，在肾脏是肾小管泌氮作用的主要氮源，在肝脏是糖异生和尿素合成的原料，在神经组织又是神经递质的前体物质，在血液中有暂时解除氨毒的作用。
谷氨酰胺是体液中最丰富的氨基酸之一。在血液中的浓度最高，达500－900μmol/L，体内游离的氨基酸库中61％是谷氨酰胺。动物体内的谷氨酰胺主要存在于骨骼肌内，其浓度要高于体内环境的的30倍，在需要时才释放出来。谷氨酰胺有多种作用，如可增强免疫功能、维持酸碱平衡、增加细胞体积、增强肌肉细胞内蛋白质的合成等。近年来的医学和动物营养学的发现表明，谷氨酰胺的缺乏会引发多种疾病或导致动物生长发育的滞缓，其补充对机体多种机能有着广泛的影响，现已普遍认为谷氨酰胺是一种条件性必需氨基酸。所以，谷氨酰胺不仅是一种重要的生化试剂，同时也是一种极有发展前景的新型药物和动物营养性饲料添加剂。
1谷氨酰胺的药用前景
谷氨酰胺是治疗胃溃疡、慢性胃炎的有效药物，日本已于1979年将其作为抗溃疡药物投放市场，疗效和经济效益十分显著，其胃药制剂现已进入我国市场。近年来国外临床研究证明谷氨酰胺可以治疗腹部溃疡、结肠性回肠炎、过敏性肠炎和溃疡。人体肠胃必需从体内环境中摄取大量的谷氨酰胺以满足正常的细胞代谢和功能，肠胃在机体生病和疲劳时会加强对体内所储存的谷氨酰胺的消耗，导致骨骼肌细胞的分解。缺少谷氨酰胺时，胃肠道会萎缩，并造成：a、胃肠道渗透性增强；b、由于肾上腺皮质激素和蛋白质分解造成宿主细胞抵抗力降低；c、肠胃抵抗力降低会造成有害微生物和内毒素的增加，使肠胃系统失常。而外源补充谷氨酰胺会刺激机体免疫球蛋白的分泌，也会促使能中和内毒素的胆汁分泌和正常排便。动物实验证明添加外源谷氨酰胺会增加肠胃重量和DNA含量，同时明显减少肠胃内的内毒素含量，增强肠胃功能。
谷氨酰胺可以调节蛋白质合成，抑制蛋白质降解，刺激细胞生长，激活免疫功能，提高生长激素水平。目前已大量用于治疗运动员的运动综合症和高强度劳动或运动和的疲劳恢复。超负荷运动或工作会使人体对谷氨酰胺的需求量远远超过正常值，但肌肉不能提供更多谷氨酰胺。近期的研究表明，马拉松运动员长跑后，体内血浆中谷氨酰胺含量会下降50％，而谷氨酰胺能较好地维持体内酸碱平衡，中和过量的血液酸和肌肉中的乳酸以减轻疲劳。在发达国家，谷氨酰胺被认为是提高运动员成绩之营养配方基本的成分。运动员超负荷训练时，体内的谷氨酰胺水平过低，通常需要6天才能基本恢复正常，而完全恢复到正常水平则需1个月。如果营养配方中加入谷氨酰胺后会增加体液和血液中的谷氨酰胺含量，仅需2天就可以基本恢复正常。目前谷氨酰胺体内水平以被用作反应训练量的指标。谷氨酰胺的缺乏还会影响运动员的免疫功能。
体内生长激素被认为可以促进多余脂肪的减少，促进体内肌肉细胞的增加，延长体细胞的寿命。正常人30岁时，体内生长激素水平和酸碱缓冲能力大为下降，而生长激素的水平直接与体内谷氨酰胺的含量相关。据报道，让成年人喝下一瓶含有2克谷氨酰胺的饮料，90分钟内，其血液中生长激素最高可增长430％。谷氨酰胺还有一种重要的细胞体积扩容效应，这被认为能触发细胞生长。谷氨酰胺也被认为是氮源输送剂，能抵抗酸解，维持血液pH和激活免疫系统。由于谷氨酰胺具有这些独特的功能，许多科学家将其归为条件性必需氨基酸，即当机体处于疾病或应激条件下，应以外源形式补充更多的谷氨酰胺。
谷氨酰胺还有增进脑神经机能的作用，可用来治疗神经衰弱，改善脑出血后遗症的记忆障碍，促进智力不足的儿童的智力发育，防止癫痫病发作，治疗帕金森氏综合症。谷氨酰胺和其它氨基酸如酪氨酸、苯丙氨酸及胆碱一样可被用作中枢神经抑制剂，以平衡脑内放电流脉冲，有利于人脑的清醒和情绪稳定。谷氨酰胺也被称为大脑燃料，它是少数几种能克服血脑屏障和参与但化学反应的物质之一。谷氨酰胺在大脑中被转化为谷氨酸与葡萄糖一起参与脑代谢，是一种神经驱动剂，能改善神经调节和增进脑功能，促进思维，帮助儿童提高学习能力并增进记忆力。谷氨酰胺也可用于治疗神经分裂症，改善神经发育迟钝。
谷氨酰胺可增强肾排氨作用和延长淋巴细胞的寿命，促进细胞生长。补充外源性谷氨酰胺会刺激免疫球蛋白的分泌，有利于重建免疫系统（烧伤、艾滋病、关节炎），还可用于治疗肝脏疾病和支持肝脏功能，减少癌症治疗中化疗和放疗的副作用，治疗肌肉萎缩和酒精中毒，减轻肩周炎和颈椎病的痛苦。国外近年来的研究还表明，谷氨酰胺还可降低人的体重，调节血糖和胰岛素水平，改善糖尿病患者的血糖浓度，与高血压、心脏病和糖尿病的治疗直接有关。
2谷氨酰胺在动物营养中的作用
胃肠道正常的免疫功能包括两个方面：一是非特异性的，如胃酸、粘液、消化酶、正常菌群以及巨噬细胞、肥大细胞等，通过酶解作用，吞噬和/或胞饮作用等消灭外源性病原微生物，而肠上皮的紧密连接则形成了抵御外源性病原微生物侵入的重要屏障；二是特异性的，由肠粘膜固有层派亚氏腺中B细胞合成的特异性分泌性IgA（secretary IgA）S-IgA完成，大量S-IgA在抵御细菌侵害中起着非常重要的作用。在正常情况下，非特异性免疫即可粘附细菌及抗原并通过肠道的运动将其排出体外而保护肠道，但若损伤严重时，S-IgA又能阻止微生物和日粮抗原附着在肠绒毛或进一步的渗透。S-IgA抗体在日粮表面形成一层粘液，促进蛋白质降解和抗肠道细菌酶的消化作用，因而使抗原穿过肠道屏障产生免疫反应的可能性减少，即使抗原浸入血液，血液中的S-IgA也可与抗原特异性结合，这种复合物在激活其它免疫反应之前即通过肝胆循环系统进入血液而被清除
近年来的研究表明，机体肠道的这些重要的免疫功能是与其对谷氨酰胺的代谢紧密联系的。Gln在断奶仔猪肠道营养中的作用已受到相当的重视（NRC，1998；Wu,1998；彭健等，1999；刘涛，彭健，1999a,b）。研究结果所提供的充分的证据已证实，在许多物种中，肠道都是利用Gln最多的器官，并且肠道利用Gln显然比其它种氨基酸要多得多（Weber等 1977）。Gln是多种快速分裂细胞主要的能量来源，包括活化的淋巴细胞（Ardwi和Newsholme,1983;Krebs,1980）和肠上皮细胞（Windmueller和Spaeth,1980; Wu等,1995）。Wu等（1991）研究了肠系膜淋巴结细胞对谷氨酰胺和葡萄糖的代谢，发现谷氨酰胺和葡萄糖同时存在时，两者产生的ATP各占50％；而分别存在时，都能有效提供充足的ATP，说明谷氨酰胺也是淋巴细胞的有效能量来源。Ardawi等在肠系膜淋巴结细胞培养液中加入谷氨酰胺后发现淋巴细胞增殖明显增加，且这种作用不能被其它氨基酸代替（Ardawi等，1982）。淋巴细胞和巨噬细胞也可以大量利用Gln产生细胞间的介质，为随后的生物合成提供前体（Adawi等,1982;Newsholme等,1985）。对淋巴细胞而言，当受到抗原刺激而要增殖时，则要利用大量的Gln；而利用Gln合成的供分泌蛋白转运时而使用的mRNA将协助巨噬细胞发挥其分解细菌的功能（Souba等,1990）。
Gln缺乏能明显降低肠腔中S-IgA的含量，与肠粘膜内可分泌S-IgA的浆细胞数量减少有关。Burke等研究了接受全肠外营养（Total Parenteral Nutrition TPN）动物肠道免疫功能的变化，发现没有加入Gln的动物，胆汁中S-IgA的分泌下降了50%，细菌大量粘附于粘膜表明，肠系膜淋巴结中有明显细菌移位；而在总肠外营养物中加入谷氨酰胺的动物，胆汁中S－IgA水平与正常动物比较无差别，肠粘膜浆细胞计数也证实谷氨酰胺能阻止产生S-IgA细胞的减少（Alverdy,1990）。Alverdy等（1992）随后的结果又证实，未加入Gln的TPN组动物胆汁中S-IgA明显下降，IgA阳性的浆细胞也明显减少，另外CD4阳性、CD8阳性的淋巴细胞也急剧下降，而在TPN液中加入谷氨酰胺的动物B、T细胞均与正常动物无差别。Jacbos等（1987）的研究表明，Gln的添加与上皮生长因子对小肠管壁厚度的增加有协同作用，激素或有营养作用的生长因子对小肠粘膜的完整性和功能的维持都是有益的。
Gln不仅能改善早期断奶仔猪的生产性能（Wu,1996;刘涛、彭健,1999），而且可以维持肠绒毛正常的结构和功能（彭健，刘涛,1999c，）。罗副文等认为，由于Gln可以预防肠绒毛的萎缩，因此对预防肠道内细菌入侵，减少内源性感染，增强人的肠道局部免疫功能有重要的作用（罗副文等,1993）。而杨俊涛等（1999）采用闭合性创伤大鼠模型研究了外源性谷氨酰胺对免疫组织细胞抗氧化能力的影响，结果表明，创伤后Gln组血浆以及脾脏、肠系膜淋巴结和腹腔巨噬细胞内Gln含量明显高于Non-Gln组；伤后谷胱甘肽（glutathione, GSH）水平两组均有下降，但Non-Gln组下降的程度明显大于Gln组，伤后丙二醛含量均有明显下降，但Non-Gln组增加程度明显大于Gln组。因此，杨俊涛等认为，Gln具有通过促进谷胱甘肽（GSH）合成而抵抗自由基损伤毛细血管通透性的作用，从而使全身免疫水平得到改善。综上所述，通过对消化道切除病人、烧伤病人、肿瘤病人或实验动物模型的研究结果已经证实，在创伤等严重消耗性状态下，机体对谷氨酰胺的需求大大增加，肠道对谷氨酰胺的的代谢也明显增强。如果体内谷氨酰胺的严重消耗以及机体不能从肠道营养中获得充足的补充，不仅将严重影响机体内部的代谢反应和肠粘膜的结构和功能，还将影响肠粘膜固有层中淋巴细胞的增殖，降低肠腔中的S-IgA含量，进一步降低机体的免疫力，导致机体疾病的发生。
3国内外生产研究概况
对于谷氨酰胺这类药用氨基酸，国外产量十分可观。尤其是日本，发展十分迅速。1977年日本用发酵法生产谷氨酰胺的年产量是100吨，1979年上升至500吨，1990年则上升至1200吨，并有逐年上升的趋势。用发酵法生产谷氨酰胺，日本发酵浓度达60g/L，韩国为50g/L，日本味之素公司报道其谷氨酰胺提取总收率为40％，目前还未见欧美国家有投入生产的报告。
国内天津轻工业学院曾选育出一株产谷氨酰胺菌，发酵浓度最高达30g/L，上海科技大学也曾进行过5吨罐试验，谷氨酰胺浓度可达25g/L左右，提取收率为40％左右，但进一步放大时遇到了困难。国内目前只有极少几个生产厂家用化学法生产谷氨酰胺，主要供实验室作为生化试剂，且数量很少。我国在药用谷氨酰胺生产上尚属空白，至今尚未有一家用发酵法生产谷氨酰胺。
国内至今发酵法未能投入生产的主要原因是菌种和发酵工艺两方面的不足，尤其是后者。自1992年起，山东大学微生物技术国家重点实验室以实验室分离保存的一株作为出发菌株，经过仅5年的定向选育和菌株构建，成功的选育了谷氨酰胺高产菌株，并对该菌株进行了摇瓶发酵研究，找到了高产培养基配方，之后又依托重点实验室世界一流的发酵和分析检测设备，在德国B.BRAUN计算机自控发酵罐上进行了较为系统的研究，结合国外和实验室代谢工程研究结果，找到了制约工艺突破的因素，小试发酵最高达65g/L以上的水平，居于国内外领先水平。该菌株及发酵工艺正拟申报国家专利。目前，该实验室已初步完成了谷氨酰胺发酵提取工艺，提取总收率为45％以上。
4经济效益前景
我国是谷氨酰胺的第一消费国，谷氨酰胺作为谷氨酸的结果类似物，可由谷氨酸生产菌改变发酵条件生产，生产设备和提取方法有类似可借鉴之处。谷氨酰胺的研究开发对我国氨基酸工业及医疗保健事业都将是一个很大的贡献，其社会效益是明显的。
现在国际市场上谷氨酰胺的价格约在100万元/吨左右，生产成本约为谷氨酸的3～4倍。如果按年产1000吨计算，原料药产值约为10亿元人民币。消化道溃疡和脑神经功能疾病在我国乃至世界都属多发病，药用氨基酸需求量很大，有巨大的潜在市场。药用谷氨酰胺长期以来一直依赖进口，价格昂贵。如果将谷氨酰胺加工成药剂后可创造更大的经济效益，产品还可出口外销创汇。在人们更加追求生活质量的现代社会，营养保健品具有十分广阔的前景，将谷氨酰胺用于保健品的开发将大有作为。
由于谷氨酰胺在动物营养中的显著作用，在断奶仔猪料中添加谷氨酰胺在不远的将来会成为一种必需，但可以肯定的是，无论国内还是国外，饲料级的谷氨酰胺生产还是空白，如能把握机遇，前途将不可限量。
