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1、消化道氨基酸代谢机制青摘要：在肠道代谢过程中，食物必需氨基酸可不同程度被肠道组织利用。为肠道提供能量物质的同时，参与多种生物活性物质的合成，对维持肠道健康有重要意义。但某些氨基酸的不足或限制会对通路造成影响，进而影响蛋白质合成。本文对几种肠道消化比较重要的氨基酸对肠道的影响进行综述。关键词：肠道：氨基酸：mTOR：GCN2：代谢机制：营养感知肝脏一直被认为是氨基酸分解及氧化的主要场所，但后来研究，消化道特别是肠道也被认为是一些氨基酸特别是非必需氨基酸如 Gln、Glu、Asp 代谢的主要场所之一。氨基酸的可用性是一个有机体正常生长，影响蛋白质合成的调控和蛋白质水解的主要影响因素。在植物和动物蛋
2、白中 Gln 和 Leu 含量丰富，但是 Arg 在食物中和生理溶液中的变化很大。此外，它们也在蛋白质合成中起作用，在肠上皮细胞中，这三种氨基酸单独激活信号通路来促进蛋白质合成，而且可能抑制自噬介导的蛋白质降解。此外，Gln 和 Arg 激活丝裂原活化蛋白激酶和 mTOR/p70s6 激酶通路，并各自增强粘膜细胞的迁移和恢复 （2） .通过依赖一氧化氮的 cGMP 信号级联反应，在肠中 Arg 调控多种生理活动，有益于细胞稳态和生存。动物体内和体外实验表明，Gln 和 Arg 可以促进细胞增殖，在应对营养剥夺、氧化损伤、应激、免疫学挑战时具有特异性细胞保护作用。此外，当一氧化氮可用时，亮氨酸会
3、加快肠细胞的迁移。因此，通过细胞信号传导机制，Arg、Gln 和 Leu 在肠的生长、完整性和功能中起关键作用。所有植物和动物蛋白都含有大量的 Gln 和Leu（3） 。此外，在血浆、猪或羊的尿囊液、猪奶中有丰富的游离 Gln。但 Arg 在食物和生理溶液中的含量变化很大，在海产品、种子、坚果、猪或羊的尿囊液中含量丰富，在大多数物种的奶中相对缺乏。断奶的哺乳动物对精氨酸的利用活跃，但未断奶的不活跃 (4)。在小肠的首过代谢大约 30-50%的必需氨基酸被分解代谢，如在喂奶仔猪中，40%的 Leu，30%的 Ile，40%的 VAL 被 PDV 吸收，少于 20%被吸收的支链氨基酸用于小肠蛋白质
4、合成。同样的，羊的消化道也会分解大量的支链氨基酸，这和肠粘膜细胞中的支链氨基酸转氨酶的高活性相关 (5)。在猪肠细胞中，缺少酵母氨酸脱氢酶、苏氨酸脱氢酶、苏氨酸水合酶、组氨酸脱羧酶、苯丙氨酸羟化酶，所以在肠粘膜细胞中组氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸的代谢活动很弱，这些必需氨基酸的代谢可能是由于肠道中的微生物起主要作用。20 年来，人们通过对家畜（猪、反刍动物）、鸟类、鱼类、和人类在不同的营养、发育、环境、病理下，界定最佳的氨基酸需求量做出了很大努力。此外，近期的研究结果显示小肠是人类和动物氨基酸分解代谢的主要场所，因此调整氨基酸进入门脉循环和在血浆中的模式是有必要的 (6)。
5、在成猪中，几乎全部的 Gln 和 40%的 Arg 和 Leu 不会进入门静脉循环。这些氨基酸在肠中的代谢活动对生长和健康的影响至关重要。在肠上皮细胞中，Leu 和 Arg 激活 mTOR 信号通路促进蛋白质的合成，抑制自噬介导的蛋白质降解。此外，Gln 激活促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路和热激蛋白的合成。下面就肠中氨基酸信号进行简单讨论。以下图为指导，首先了解一下几种氨基酸在通路中的作用：上面以图像的形式解释一下氨基酸通过通路来调节蛋白质的合成，粗黑线表示激活，细黑线表示抑制。哺乳动物的雷帕霉素靶（mTOR）属于一种高度保守的 Ser/Thr 蛋白激酶，是 mRNA 翻译的主要调控因子
6、。mTOR 系统主要由 mTORC1 和 mTORC2 两种复合物组成，mTORC1 可被雷帕霉素抑制，mTORC2 对雷帕霉素耐受。mTOR 具有多功能的生物学特性，参与细胞凋亡、细胞生长和蛋白质合成、免疫调节等 （1） 。在哺乳动物细胞中，氨基酸充足促进蛋白质合成，在某种程度上通过抑制翻译阻碍者 4EBP1 和 eIF4E 结合并刺激核糖体 s6 激酶（S6K）活性来完成，当氨基酸饥饿时，这些过程就是相反的。这两种信号活动都需要 TOR 的活动，4EBP1 和 S6K 是对于 mTORC1 研究最广泛的下游感受器。TOR 结构上保守，是磷酸肌醇-3-激酶相关激酶家族的成员，具有蛋白激酶活性
7、。TOR 能激活下游信号传导通路，通过 4EBP1、S6K 等翻译调节因子的磷酸化作用传递外界营养状况、生长因子等信号，从而调节细胞内核糖体的发生、蛋白质合成等生理过程，进而综合调控细胞生长增殖凋亡和自噬。氨基酸通过 TORC1 信号传导通路调节S6K 和 4EBP1 的磷酸化，进而从翻译水平调节基因表达，有报道证明哺乳动物TORC1 信号传导通路可以在转录水平调控许多基因的表达，特别是代谢和生物合成途径中基因的表达，TOR 依赖的转录过程受 URI 的调控，URI 参与哺乳动物中对营养素敏感的 TORC1 控制的转录水平的调控。因此氨基酸通过 TOR 信号传导可在转录和翻译两个水平上调节基因
8、的表达。TOR 通过改变 4EBP1 的磷酸化状态来调控翻译起始复合物的功能，通过影响 S6K 的活性来调控核糖体蛋白以及翻译调节蛋白的合成。4EBP1 通过与 eIF4E（真核细胞翻译起始因子 4E）结合来抑制翻译起始，低磷酸化的 4EBP1 与它有较高亲和力，高磷酸化状态的4EBP1 能释放出 eIF4E，从而启动翻译。Gln 与 TOR、GCN2 信号传导通路的关系及其在肠道中的作用研究发现,在酵母氮代谢中,Gln 作为一种首选氮源和重要的中间体可能调控 TOR 信号传导通路。Gln 损耗会影响 TOR 抑制的转录因子的核定位和活性, TOR 可以感受 Gln 的变化,然后根据不同的营养
9、条件作出适宜的反应。姜俊研究表明鲤鱼肠道中存在原代肠上皮细胞(IECs)蛋白质合成的信号调控分子TOR,Gln 提高了前中肠 IECs 蛋白质的合成能力,而 Gln 提高其蛋白质合成的能力受 TOR 的调控。Gln 饥饿诱导 ATF4 上调，从而控制 SLC7A5 的上调和外源性氨基酸的摄入:在哺乳动物中，GAAC 通路是通过转录因子 ATF4 来维持氨基酸的稳态，当 Gln 饥饿时 ATF4 蛋白质水平是升高的，加入 Gln 时，会抑制 ATF4 蛋白的上调。Gln 饥饿激活了 GAAC 通路，转而使氨基酸转运蛋白上调，因此导致外源氨基酸的摄入和胞内氨基酸水平升高 (7)。ATF4 和 SL
10、C7A5 调节由 Gln 饥饿引起的 mTOR 的激活和自噬:Gln 饥饿时，GAAC 通路在 mTOR 再激活中的作用？mTOR 的再活化受 Gln 的严格控制，Gln 饥饿引起 mTOR 的再激活，加入 Gln 会抑制由 Gln 饥饿诱导的 mTOR 再激活。作者发现，外源的 Leu 和 Arg 是 Gln 饥饿时 mTOR 再激活所必需的，这和先前的研究说 Leu 和 Arg 是 mTOR 活性的先决条件 Gln 饥饿引起胞内 Leu 水平显著升高，推测 SLC7A5 是主要的 Leu 转运蛋白，可能调控 mTOR 再激活。ATF4-SLC7A5 介导的 Leu 摄入会导致由 Gln 饥
11、饿引起的 mTOR 的再激活，而对自噬起抑制作用。总之，GAAC 通路通过控制氨基酸的摄入来调控自噬，当 Gln 饥饿时，会触发 GAAC 通路，导致 ATF4 上调，然后导致包括 Leu 转运蛋白在内的氨基酸转运蛋白上调，继而引起氨基酸的摄入，导致 mTOR 再激活和抑制自噬 (8)。饥饿时，细胞会通过总氨基酸控制（GAAC）通路来提高氨基酸的摄取和合成，而非必需的细胞内容物由自噬而被回收。这两种通路如何协调响应于饥饿目前还不知道。饥饿导致 mTOR 失活，然后激活细胞自噬。同时，Gln 饥饿会激活 GAAC 通路，会对氨基酸转运蛋白起正调节作用，导致氨基酸吸收量的增加，通过这种途径增高细胞
12、内氨基酸水平后，就会反过来激活 mTOR 并抑制自噬。亮氨酸的转运载体-ATF4（转录激活因子），是 GAAC 通路主要的转录因子，它的减少导致受损的 mTOR 再激活和更高水平的自噬。因此当 Gln 饥饿时，GAAC通路通过调节氨基酸的摄入和 mTOR 的再激活来调控细胞自噬。自噬是依赖于溶酶体的降解过程，有助于细胞调节通过降解和回收非必需的细胞内容物来应对不同的营养状态。氨基酸会抑制自噬，但是氨基酸饥饿对自噬有激活作用。氨基酸的消耗和 mTOR 对自噬的激活相关，mTOR 是一个整合各种代谢刺激信号的Ser/Thr 激酶 (9)。细胞内氨基酸水平是调节 mTOR 激酶活性的至关重要的信号
13、(10)，在许多细胞类型中，Leu 是 mTOR 调控的主要氨基酸 (11),降低亮氨酸的浓度会消除氨基酸对 mTOR 的调控作用；在较小程度上增加亮氨酸的含量，其他的支链氨基酸会激活 mTOR.当饥饿时，氨基酸的水平主要是通过 GAAC 通路维持，哺乳动物中，氨基酸饥饿会激活 ATF4（转录激活因子 4），ATF4 对氨基酸的生物合成起正调节的作用，并控制氨基酸的运输基因 (12)。哺乳动物氨基酸的体内平衡是非常复杂的，因为八种必需氨基酸不能由自身合成，而是必须由细胞外提供，Leu 是其中一种，因此细胞内的亮氨酸平衡很可能依赖于外源性的亮氨酸吸收(13)。ATF4 同样通过调节自噬基因的表达
14、来调节自噬作用 (14)。有一个反馈机制，它通过调节氨基酸的摄入来控制自噬的强度，Gln 的消耗触发 GAAC 通路，然后导致 ATF4 水平的升高。升高的 ATF4 水平会对氨基酸转运蛋白起正调节作用，继而增加了氨基酸的摄入并提高了细胞内氨基酸水平，从而再次激活 mTOR 抑制自噬。当氨基酸浓度不同时（Gln 饥饿或全部氨基酸饥饿），表明外源性氨基酸对于 mTOR 的再激活是必需的。通过液相色谱法、质谱法发现，在 Gln 饥饿时细胞内的自由氨基酸浓度，包括必需氨基酸会迅速升高，但在全部氨基酸饥饿时会迅速降低。这表明由Gln 饥饿引起的胞内自由氨基酸浓度升高是依赖于从媒介吸收外源性氨基酸。用同
15、位素示踪法标记 L-Leu 发现，Gln 饥饿会提高 13C-Leu 的摄入量，但全部氨基酸饥饿并没有显著的 13C-Leu 的吸收。结果表明，Gln 饥饿诱发外源性氨基酸的摄入，从而增加了胞内自由氨基酸的浓度。对正常生长和 Gln 饥饿条件下的细胞通过转录组学分析发现，Gln 饥饿会显著改变转录谱，而且许多氨基酸转运基因上调。Slc7a5 编码 Leu 转运载体，氨基酸饥饿显示 SLCA75mRNA 和蛋白质上调，此外质膜处的 SLC7A5 同样会上调。添加 Gln 后会抑制由于 Gln 饥饿导致的 SLC7A5 和蛋白质的上调。因此 SLC7A5的转录是由 Gln 饥饿引起的。SLC7A5
16、 是一种双向的氨基酸转运蛋白，作为细胞内 L-Gln 的输出交换，这种转运蛋白会转运像 L-Leu 这样的支链氨基酸。Gln饥饿通过对氨基酸转运蛋白的上调来诱导氨基酸的摄入。上图显示：当 Gln 在低浓度时，不会激活 GCN2 和 mTOR 通路，此时的蛋白片段合成率为 46%/d；随着 Gln 浓度的增加，通过激活 mTOR 通路使蛋白质合成的速度加快；相反，当 Gln 完全去除，GCN2 通路被激活从而抑制蛋白质的合成，mTOR 通路被激活抑制细胞自噬。氨基酸，尤其是 Gln 很早以前就发现可以促进小肠粘膜的生长。多胺对粘膜的生长也是必需的，而且会抑制鸟氨酸脱羧酶（ODC），ODC 是多胺合成的第一个限速酶，会限制生长。某些氨基酸，主要是 Asn 和 Gln，在生理条件下对鸟氨酸脱羧酶有激活作用，ODC 的活性能被抗酶-1（AZ）抑制，AZ 的合成被多胺激活，因此是一个负反馈调节的酶。缺乏氨基酸时，mTORC1 被抑制，mTORC2被激活导致蛋白质合成的抑制，但会通过一个独立的机制合成 AZ(15)。这就说明了为什么 Asn 和
