消化道氨基酸代谢机制

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)。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。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。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SLC7A5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(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Gln对ODC的活性是必需的。越来越多的文章表明，AZ会抑制细胞增殖、促进细胞凋亡、提高自噬，每种活动都会导致细胞生长减少。ODC活性的刺激和AZ的缺乏之间的相关性受氨基酸的影响很大，不仅仅是Asn和Gln会激活ODC，抑制AZ合成；如Lys、Val、Orn会抑制ODC活性增加AZ的合成(16)。已证明Gln是小肠的主要代谢燃料，大大超过葡萄糖和脂肪酸。Ko等证明1mM的Gln对于肠应答表皮生长因子而增值是必需的(17)。对Gln的研究主要有：1、Gln主要通过MAPK，作为肠细胞增殖的信号。2、在肠或其他主要器官中作为增强细胞生存的信号。3、阻碍肠上皮细胞凋亡的信号。肠细胞就像法拉利，加入燃料后可以快速启动，然后随着汽油的消耗汽车平稳的前进。如果燃料耗尽，汽车停止。根据这种模式，加速度类似于由MAPK启动