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理論成果

γ-氨基丁酸活性功能研究綜述

發布時間:2015-12-22 15:58:43瀏覽次數:

    γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,簡稱氨基丁酸)是一種四碳非蛋白質氨基酸,又名氨酪酸。自Steward等從土豆莖塊中發現之后,歷經幾十年的探索研究,已發現它廣泛存在于許多不同植物的組織中。在植物體內,氨基丁酸成了細胞自由氨基酸庫的重要組分,在胞液中有多種構型,可形成類似脯氨酸(proline,Pro)的環狀結構。根據對高等植物組織中的氨基丁酸含量檢測分析,多在0.03umol/g~32.5 umol/g之間,比許多蛋白質類氨基酸的含量高。物種間的氨基丁酸含量差異很大,蕨類、有花植物、掌葉半夏、紅曲、藻類、蘚類中的氨基丁酸含量較低;苜蓿中的氨基丁酸則以結合態的形式存在,是根瘤干重的6.6%;而在大豆葉中的氨基丁酸含量卻只有0.05 umol/g干重。煙草中的氨基丁酸只在開花的組織器官中被檢出,營養組織中則沒有。桑葉中的氨基丁酸含量,町井博明曾分析過不同桑樹品種間的含量,在他測試的品種中,59%的品種在1.51 mg/g~2.50mg/g之間,最高的達4.6 mg/g。金豐秋等用桑葉制作桑葉茶時,在加工過程中利用桑葉中含有的谷氨酸脫羧酶,通過工藝處理,可讓桑葉茶的氨基丁酸含量提高的同時增強桑葉茶的香氣和口感。
    氨基丁酸除了在植物中廣泛分布外,也存在于哺乳動物腦、脊髓中,對生物體生命活動的調節起著不可替代的作用。Robeas等在哺乳動物的腦內發現了氨基丁酸的濃度特別高,后來Streeter進一步證實了氨基丁酸對哺乳動物中樞神經有抑制作用網。但氨基丁酸被正式確認為哺乳動物中樞的一種抑制性神經遞質則是在1975年的第二屆國際氨基丁酸專題會上。
 
1 氨基丁酸的理化性質
    高純度的氨基丁酸為白色結晶或結晶性粉末,吸濕性強,極易溶于水,微溶于熱乙醇,不溶于
冷乙醇、乙醚和苯。氨基丁酸的分子量為103.12,分子式C4H9NO2。它是一個兩性離子,當在生理pH4.03-l0.56的情況下,既帶正電又帶負電荷;熔點為202℃-204℃。氨基丁酸也可以進行氨基酸的特征化學反應,例如,與丹磺酰氯(DNS-C)反應,就會生成熒光性質強和穩定的DNS—氨基丁酸。
 
2 氨基丁酸的化學合成
    氨基丁酸可通過化學合成,將鄰苯二甲酰亞氨鉀與γ-氯丁氰在180℃的條件下進行反應,然后將產物與濃硫酸回流,經結晶提純而獲得。也可以由吡咯烷酮經氫氧化鈣、碳酸氫銨水解開環制得。化學法反應速度快、得率高,但去除產品中的有毒成分,在技術上比較復雜,成本較高,安全性差。
 
3 氨基丁酸生物提取法
    從生物中提取,主要有兩種途徑,一是直接從生物體中提取;二是從微生物發酵產物中提取。在高等植物體內,氨基丁酸的合成途徑是L一谷氨酸(L—Glutamic,L—Glu)在L一谷氨酸脫羧酶(Glutamic acid decarboxylase,GAD)催化作用下,經過脫羧反應進行。已有研究證明,大多數植物中存在谷氨酸脫羧酶,在發芽種子中的L[U-14C]谷氨酸,可轉變成L[U-14C]]氨基丁酸。微生物發酵法是以谷氨酸或其衍生物(谷氨酸鈉,或富含谷氨酸的物質等)為原料,利用酵母菌乳酸菌和曲霉菌等食品安全級微生物發酵制得。產品有成本低、安全性高的特點,但高效產氨基丁酸的微生物菌種極少。許建軍曾篩選出高產氨基丁酸的乳酸菌株SYFS 1.009,可以使發酵液中的氨基丁酸含量達到2mg/ML以上。劉清等得到一株可高產谷氨酸脫羧酶的乳酸菌菌株,在33℃進行發酵培養3天后,發酵液中氨基丁酸含量可達到310g/L以上。
 
4 氨基丁酸的生理學功能
4.1 氨基丁酸的藥理作用

    氨基丁酸是一種功能性的非蛋白質氨基酸,國內外學者對氨基丁酸的生理活性功能已進行了多方面的研究探索,并依其活性功能,在食品和畜牧業上進行開發利用。
4.1.1 抗腫瘤
    近年來的研究發現,氨基丁酸及γ-氨基丁酸受體(γ-aminobutyric acid receptor,氨基丁酸R)廣泛存在于外周神經組織,參與細胞間的信息傳遞,與細胞的分化和成熟密切相關。此外,氨基丁酸及其受體還可通過特定的信號轉導通路影響某些腫瘤的增殖和侵襲轉移等惡性潛Grunwald等研究發現某些腫瘤伴隨氨基丁酸及其受體的高表達其原因是氨基丁酸與氨基丁酸R結合后可通過上調基質金屬蛋白酶(the matrix metalloproteinase,MMP)的表達、提高胞內鈣離子濃度、活化促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen—activated protein kinases,MAPK)鏈等途徑促進腫瘤的侵襲和轉移,因此阻斷氨基丁酸R信號則可抑制腫瘤細胞的增殖。
    隨著研究的深入,氨基丁酸及其受體信號通路蛋白分子有可能成為腫瘤診斷與治療的潛在靶點。用不同濃度氨基丁酸作用于體外培養的Hela細胞,通過自動電泳凝膠成像分析儀進行分析,結果顯示1mmo1/L的氨基丁酸作用48 h時,Hela細胞的端粒酶活性顯著降低,起到抑制腫瘤細胞增殖、惡化的作用。
    劉臣海用不同濃度的氨基丁酸在體外處理膽管癌細胞QBC939,發現有抑制其增殖的作用,可導致膽管癌細胞凋亡,抑制膽管癌細胞端粒酶的活性。王營等吼電采用了類似方法研究了氨基丁酸對胰腺SW1990細胞生長的影響,發現隨著氨基丁酸濃度增加,血管內皮生長因子(vascularendothelialgrowth factor,VEGF) 信使RN(messenger RNA,mRNA)及蛋白表達明顯增加,氨基丁酸影響胰腺癌細胞增殖、凋亡和血管的形成。
4.1.2 保護聽覺氨基丁酸和Glu是聽覺中樞神經系統內主要的抑制性神經遞質和興奮性神經遞質。
    研究表明電刺激聽皮層后,氨基丁酸和Glu在中腦下丘神經元的聽反應及電活動中起重要作用。氨基丁酸a受體是最重要的氨基丁酸受體,在聽覺系統中,氨基丁酸激活氨基丁酸a受體后,起著調控聽覺信號傳導,保護聽覺神經元免受過度刺激損害的作用。王勤瑛等閉研究了大鼠單側耳蝸損毀前后不同時期下丘中氨基丁酸含量及其陽性神經元的分布變化,認為氨基丁酸作為一種神經遞質參與了耳蝸毀損后聽覺功能的重組過程,并起重要作用。
4.1.3 增強免疫力
    粘膜免疫系統廣泛分布于消化道、呼吸道、泌尿生殖道以及外分泌腺,是動物機體抵御外來病原體入侵的首道屏障。研究發現,氨基丁酸對粘膜免疫具有一定的增強作用,人口服100 mg/kg 氨基丁酸后,唾液中IgA的分泌水平顯著提高,從而增強機體對病原侵入的免疫能力。
    Frederic等和Pigueras等的研究認為,氨基丁酸有促進胃酸及消化道消化酶的分泌,同時抑制膽囊收縮素(cholecystokinin,CCK)分泌,減弱消化道食糜對采食的負反饋作用,抑制胃膨脹及飽中樞,從而提高動物采食量,增強營養物質的消化吸收與代謝,提高動物免疫機能。
    腦垂體分泌的生長素(GH)幾乎對所有免疫細胞都有促進分化和加強功能的作用,因此在體內有廣泛增強免疫功能的作用。Wang等報道,給予雄性鼠右側腦室注入氨基丁酸后,會產生劑量依賴性地促進血清中GH的分泌,同時伴隨著生長激素抑制因子分泌的增加。胡家澄等通過對新生鼠垂體離體的研究認為,在新生初期,氨基丁酸能夠促進垂體分泌GH,并且氨基丁酸對于GH的影響不依賴于腎上腺素、性腺素和甲狀腺素。
4.1.4 治療糖尿病
    氨基丁酸和谷氨酸均存在于中樞和外周神經組織中。當發生疾病時,谷氨酸過量則會對神經元產生毒性作用,相反氨基丁酸過量則會拮抗這種毒性而有保護作用。Heber等用對胰島P細胞有選擇性損傷的鏈酶菌素處理大鼠,發現胰島內氨基丁酸濃度明顯下降,只是對照組的十分之一,組織學檢查顯示給藥7.24 h后胰島P細胞受到破壞而其它細胞沒有發生變化,在胰島P細胞中存在大量可用的氨基丁酸。Kash等用成年Wistar大鼠注射鏈脲菌素制備糖尿病模型,連續通過灌胃給予氨基丁酸10天,能明顯減少血清葡萄糖含量,血清糖基化蛋白含量也減少,高血糖癥狀得到改善,糖尿病大鼠的體重增加,肝臟和腎臟的重量均增加,而灌胃給予氨基丁酸可減弱由高血糖癥誘導的器官大。Adeghate等對神經遞質攝取的研究顯示對3H標記的谷氨酸攝取在自發性糖尿病大鼠中比在正常Wistar大鼠下降了30%,而對3H標記的氨基丁酸攝取與對照組比較無明顯的差異,表明氨基丁酸的治療能延緩由葡萄糖代謝受損和氧化應激導致的糖尿病并發癥的發展。Tian等的研究也表明氨基丁酸能抑制I型糖尿病小鼠的T細胞自身免疫及炎癥反應的發展。
    在高血糖癥狀下,氨基丁酸作為一種能量的來源使用,氨基丁酸 B受體激動劑能通過刺激氨基丁酸活性有效延緩非肥胖糖尿病小鼠糖尿病的發生,氨基丁酸可以通過調控胰島素分泌和與氨基丁酸相關聯抗原的表達來實現的。
    除上述功能之外,氨基丁酸還有許多其他方面的生理功能,萬選才等[卯蚧紹了氨基丁酸有神經營養作用,沈鼎烈等綜述了氨基丁酸治療癲癇的作用,Kazami等和Hayakawa等通過對小鼠高血壓模型的研究認為,氨基丁酸有降低血壓的功能。徐傳偉等通過臨床試驗發現氨基丁酸可控制小兒急性哮喘,孫百申通過添食含有氨基丁酸的米胚芽發現氨基丁酸可活化肝腎功能、改善脂質代謝。此外,夏江認為氨基丁酸有防止動脈硬化、防止皮膚老化、預防肥胖、減輕廈性疾病如關節炎疼痛等作用。
 
5 氨基丁酸的應用
5.1 氨基丁酸在食品工業的應用
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將采摘下來的新鮮茶葉經N2 厭氧處理后發現,與一般加工方法相比,氨基丁酸的含量由0.3 mg/g增加為2mg/g,經過動物實驗和臨床實驗,這類茶具有顯著的降血壓效果,命名為氨基丁酸ron茶,即γ-氨基丁酸茶,并投放市場,受消費者特別是高血壓患者的青睞,并生產出葉茶、袋泡茶和罐裝茶飲料等系列產品。肯尼亞、斯里蘭片等國已經開始研究提高CTG紅茶中氨基丁酸的含量。中國農業科學院茶葉研究所研制的“γ-氨基丁酸茶加工技術”通過成果鑒定。
5.1.2 富含氨基丁酸的米胚芽制品
    日本小野寺明彥等將米胚芽通過加酶反應,然后進一步抽提,精制,得到氨基丁酸含量達5000~8000 mg/kg的產品。1994年,日本農林水產省中國農業試驗場成功研制出氨基丁酸—RG,并由日本的ORYZA公司上市,生產富含氨基丁酸米胚的糕點、面包、櫥束湯料、乳制品等。
胡代欣以糙米和發芽糙米為原料,通過厭氧發酵,獲得了富含氨基丁酸的醪糟。張暉等通過內源酶,或外加蛋白酶制得富含氨基丁酸的米胚芽粉產品,是一類有抗疲勞功能的保健食品,并獲得專利。
5.1.3 富含氨基丁酸的乳制品
    目前,國內外的乳制品都很普及,功能性的乳制品也越來越受到了人們的青睞,在細菌脫羧
酶的作用下,乳品中的一些氨基酸會降解脫羧,氨基丁酸就是經谷氨酸脫羧生成的。Nomura等人從生產奶酪的菌株中分離出一株高產的氨基丁酸菌株,使奶酪制品中氨基丁酸的含量達到了383 mg/kg 。據中國專利網的信息,中國科學院成都生物研究所的劉光燁等申請了“富含氨基丁酸食用菌粉制作方法及其應用”的發明專利,浙江豐潤酒業有限公司戴春榮等申請了“含氨基丁酸的黃酒及其釀造方法”的發明專利。
5.2 氨基丁酸在畜牧業的應用
    氨基丁酸作為一種功能性氨基酸類飼料添加劑,具有提高動物生產性能和產品品質的功效,在飼料應用中的研究成了熱點。有多研究報道,將一定劑量的氨基丁酸注射到動物的不同腦區,可顯著促進動物攝食,并具有劑量依賴效應;陳忠等的試驗認為,在肉仔雞飲水中添加適量的氨基丁酸,可以減少雞只的活動量和產熱量,降低代謝率,從而緩解高溫對肉雞生產性能的影響,增強肉雞的抗應激能力和日增重;韋習會等在育肥豬的日糧中添加氨基丁酸,有增加豬的采食量,提高日增重的顯著作用,且不降低飼料蛋白質的利用率;魏智清等的研究報道,適當濃度的氨基丁酸可以增強鯽魚的抗缺氧能力,0.3%氨基丁酸使鯽魚在缺氧環境下的存活時間明顯延長。
    從已有的研究報道看,氨基丁酸是一種具有重要生理功能的活性物質,在動物中有降血壓、抗驚厥、促使精神安定、促進腦部血流、增進腦活力、營養神經細胞、增加生長激素分泌、健肝利腎的作用,是哺乳動物神經中樞的一種抑制性遞質。在植物的抗逆中也發揮著積極的生理活性作用。氨基丁酸作為飼料添加劑,在促進采食、降低料肉比等同時還可增強其免疫機能。其功能也符合國際上對于食品安全和飼料安全的要求及畜牧養殖、飼料添加劑發展的需要。由于氨基丁酸有著多種特殊的作用功能,它被作為一種新型的功能性因子越來越引起醫藥、食品、化工、農業等行業的關注,成為開發研究的熱點。
    氨基丁酸的富集技術,國外的日本等取得了較大的進展,我國對生物來源的氨基丁酸,從富集、分離純化到生物學功能的研究,尚處于起步階段,目前還沒有見到從植物中提取并制備出高純度的氨基丁酸結晶體的報道。
    作為藥食同源的桑葉,我們經初步研究,發現其氨基丁酸含量高,具有容易提取,資源豐富的優勢。桑樹在我國有種植易、生產成本低,全年生長時間長,產量高的資源優勢,故對桑葉氨基丁酸進行研究并加以開發利用,將有十分重要的科學價值和廣闊的市場前景,這不僅挖掘、開發出一種新的氨基丁酸生物新材料,而且對我國桑葉在非絹絲產業上的新用途是一種創新性的研究。
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