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关键词 GLE-β营养剂；脑保护；饥饿；大鼠
在正常情况下，细胞内不断产生自由基，同时机体又存在着清除和抑制自由基的系统，来保证机体正常的生理生化功能，机体能够维持生理生化功能的稳定能量是必不可少的。饥饿是应激状态的一种，机体饥饿时由依赖食物提供能量而逐步转为靠自身储脂来提供能量，自身分解代谢加速，分解代谢加速是体内自由基增加的主要原因［1，2］。另外，能量物质缺乏导致ATP合成减少，使依赖ATP的Na+,K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性下降的同时自身的免疫力和抗氧化力也有所下降，最终将导致机体器官受损，脑组织是机体重要器官，现从能量和自由基损害方面来探讨全饥饿大鼠经肠道补充GLE-β营养剂后脑保护的机制。GLE-β营养剂是由谷氨酰胺、L-精氨酸、维生素E、β-胡萝卜素混合而成的一种肠道功能保护剂。
1 脑的能量代谢
正常情况下，脑组织生理活动所依赖的能量与其他组织一样，都是以ATP的形式供组织直接利用，虽然其他物质也含有高能磷酸键，如磷酸肌酸，但这些高能物质在脑内不能被直接利用，只是作为能量的暂时储存形式，当脑组织内ATP消耗过多而导致ATP含量大幅度减少或出现能量耗竭时，ADP生成增多，磷酸肌酸将高能磷酸键转给ADP而重新生成ATP，供脑组织利用。脑组织能量代谢的另一特点是脑组织中能量物质的储存量很低，这与其他组织不同，不仅能量合成的原料物质储存量极少，而且可以被直接利用的能量物质也很少。脑组织的这种特点决定了脑在正常的生理活动中，必须保证能量物质的持续供应和能量合成的持续进行，否则将导致脑组织能量代谢障碍。
另外，脑组织富含不饱和脂肪酸，由于单位分子脂肪酸完全氧化较葡萄糖耗氧量大，其抗氧化酶活性相对较低，因此易遭受自由基的氧化损伤。线粒体是细胞中合成能量的工厂，在脑组织中，线粒体含量丰富，与活跃的高级中枢神经活动相适应，为其提供丰富的能源物质。但也是氧自由基产生的主要部位。当细胞内环境被破坏时，线粒体呼吸功能及能量代谢便会受到较大影响。如氧化损伤时，线粒体内膜通透性及内膜上复合物受损，造成电子传递过程中电子漏失及电子传递障碍，线粒体呼吸功能严重受损。氧化剂可损伤线粒体结构和功能，影响多种代谢酶的活性，可以造成葡萄糖的氧化分解障碍，乙酰胆碱合成不足［3,4］，影响胆碱神经元功能。另一方面，大量自由基还可损伤线粒体DNA及线粒体DNA聚合酶［5］，影响呼吸链中各酶及酶复合物的活性，干扰能量代谢［6］。同时Na+,K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶是存在于生物膜上二种重要的酶，主要是靠ATP供能来维持细胞内外的离子平衡。
在饥饿（或创伤、感染）应激状态下，脑组织代谢开始发生变化。首先，饥饿可使体内的自由基含量增多，自由基和膜磷脂中的不饱和脂肪酸作用引发脂质过氧化反应，可导致膜磷脂降解并使之与膜结合的酶、受体和离子通道的微环境发生改变，影响其功能和新的离子通道形成，尤其是钙离子通道，使胞内钙离子超负荷，导致细胞功能受损［7］。脑内Ca2+-ATP酶主要功能是将细胞内的Ca2+主动转运到细胞外,使之处于低水平，维持钙稳定。饥饿时，Ca2+-ATP酶活性下降，会引起脑细胞内钙增加，导致细胞内钙超载。钙超载被认为是导致神经元迟发性死亡的关键因素之一［8］。
另外，饥饿可引起机体一系列生理生化变化，包括自身组织大量分解、体能和抵抗力的不断下降等。如在正常情况下，Na+,K+-ATP酶是催化ATP水解和运输Na+、K+，ATP水解释放的能量与机体代谢密切相关，能提供20%～50%的基础代谢所需的热量［9］。但是在饥饿应激状态下，生物胺和兴奋性神经递质释放和转换增加，神经兴奋性递质增加能导致Na+,K+-ATP酶活性增加，这说明应激后脑中兴奋性氨基酸水平的升高，产生一定的神经毒性，促进神经元的损伤和死亡［10］。
据杨继军报道［11］，全饥饿后外周血抗氧化防御系统的功能明显下降，超氧化物歧化酶(Cu2+-Zn2+-SOD)和过氧化氢酶（CAT）活性显著下降。因此，饥饿时分解代谢加速是自由基产生的主要原因，而抗氧化酶活性降低是导致细胞内自由基堆积的又一原因。自由基生成增多还可使脑脂质过氧化的主要产物MDA升高，MDA可降低脑内谷氨酸转运体的功能。
2 谷氨酰胺和脑代谢
谷氨酰胺（GLN）是肠道保护剂，谷氨酰胺作为血液和体内游离氨基酸池中含量最丰富的自由氨基酸，为中性氨基酸，由2个氨基即1个α-氨基和1个易水解的末端酰氨基组成，具有维持体内酸碱平衡、保持小肠粘膜上皮的结构和功能、维持组织中抗氧化剂的贮备、增强免疫功能等重要作用。同时，谷氨酰胺又是组织间作为氨前体的穿梭工具，是蛋白质合成的重要调节剂及肾脏产氨的重要物质。
因为谷氨酰胺较谷氨酸更易通过血脑屏障，是一种生理性无毒的氨运输载体，是细胞重要的能源和氨源物质。它的代谢主要受两种酶的调节，谷氨酰胺合成酶（GS）位于细胞浆内，主要存在于肌肉和脑。在它催化下谷氨酸和氨合成谷氨酰胺。谷氨酰胺酶（GLNase）位于线粒体膜上，需要无机磷酸盐和铵离子作为激活剂，催化谷氨酰胺水解成为谷氨酸和氨；它是蛋白质、氨基酸、嘌呤、嘧啶、核酸等生物分子合成的重要前体，也是谷胱甘肽的前体。谷胱甘肽可以清除O2，H2O2，LOOH，同时谷胱甘肽结合脂质过氧化物的降解产物4-NHE(4-hydroxynonenal),是谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽转移酶的底物，是这二种酶分解氧过氧化物所必需的。所以谷胱甘肽量的多少是衡量机体抗氧化能力大小的因素。
脑组织中谷氨酸的来源是谷氨酰胺，饥饿应激致自由基增多而降低脑内谷氨酸的转运时，脑突触间隙的谷氨酸水平进一步升高所致兴奋性氨基酸受体过度活化可以促使自由基形成，而自由基的形成又显著降低谷氨酸转运清除细胞外谷氨酸的能力，形成恶性循环，使细胞发生坏死、凋亡［12］。另外，谷氨酰胺是一个生糖氨基酸，可以提供碳链氧化分解释放能量［13］。在饥饿（剧烈运动、受伤、感染）等应激情况下，谷氨酰胺的需要量大大超过了机体合成谷氨酰胺的能力，使体内的谷氨酰胺含量降低，而这一降低，便会使蛋白质合成减少。外源性补充谷氨酰胺可以增加体内和脑内谷氨酰胺的数量，增强脑内谷氨酸转运体的数量，使过多的谷氨酸通过转运而被清除，同时可以通过谷氨酰胺去氨生糖来增加能量来源。
3 L-精氨酸与脑保护
L-精氨酸(L-arg)是含阳离子的碱性半必需氨基酸，其转运体广泛分布于体内的组织细胞中。L-精氨酸促进NO的产生，NO是自由基清除剂，它可减少亚硝酸基阴离子（ONOO-）生成，同时增加细胞内抗氧化物谷胱甘肽的水平［10］，还可直接中和氧自由基，一氧化氮合成酶（NOS）能抑制氧化作用，清除产生的氧自由基，并在脂质膜上终止自由基链反应，从而抑制脂质过氧化，减轻自由基对脑组织的损害。L-精氨酸虽然不是必需氨基酸，但在严重应激情况下（如饥饿或发生疾病和受伤），它又是条件性必需氨基酸。最新提出的理论，精氨酸是一氧化氮（NO）与瓜氨酸反应的酶系统代谢途径中的必要物质。NO是体内多种组织和细胞产生的一种气态生物信使，L-精氨酸是合成NO的唯一底物。NO具有二种不同的活性状态：硝酰基阴离子态（NO-）［14］和亚硝基阳离子态（NO+）。 NO+通过抑制NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)受体对抗谷氨酸介导的神经毒性，而NO-与超氧阴离子反应产生的过氧亚硝酸根（ONOO-）损害脑组织。另外NO/O2-的平衡对维持血管内皮功能较为重要；NO有拮抗O2-的作用，L-精氨酸耗尽时O2-产生增加［15］。补充L-精氨酸可使NO/O2-间的平衡倾向于NO，以消除内皮细胞的功能障碍。所以补充L-精氨酸可以减少O2-的生成，从而减少NO-对脑组织的损害作用。
4 β-胡萝卜素和脑保护
β-胡萝卜素（BC）是自然界植物含量最多的一种类胡萝卜素，它是最具有活性的维生素A的前体，可在体内转化为维生素A,是机体免疫力的增强剂、细胞增生与肿瘤转化的抑制剂。它具有多个双键，在光、热、氧气及活泼性较强的自由基离子存在条件下，易被氧化，减少脂质过氧化和自由基反应，维持细胞功能，延缓机体衰老。现已知1分子β-胡萝卜素可抑制1 000个分子的活性氧。同时它也是一种抗氧化剂，可以阻断氧化应激状态，促进SOD和H2O2酶释放［16］，并且它可与多种自由基发生反应而清除后者，例如与超氧化物阴离子自由基（O2-）［17］和三氯甲基过氧基（CCL3OO-）［18］发生反应生成加合物与自由基正离子，可抑制自由基引发的脂质过氧化反应,具有明显的延缓细胞和机体衰老的功能，减少辐射对机体的损伤并提高由辐射造成的白细胞、血小板等的降低并对造血组织的损伤有一定的防治作用［19,20］。另外,它可直接淬灭由电离辐射产生的活性单线态氧，维护线粒体膜的完整性，阻止自由基的进一步产生，从而阻止自由基过氧化造成的损伤。
在体内，类胡萝卜素存在于脂肪组织、生物膜以及血浆中低密度脂蛋白的脂区域。在膜中，它们常与生育酚等共同承担抗氧化防御作用，对抗自由基的攻击。 而在血液中，它们与生育酚、抗坏血酸等抗氧化剂构成组织完善的抗氧化防卫系统，对抗水环境中自由基的攻击， 摄取富含类胡萝卜素的饮食可提高血液中类胡萝卜素水平，有助于增加膜磷脂对抗氧化损伤作用，保障生物膜结构完整性，所以BC是一种较强的抗氧化物质,可抑制体内自由基的过量产生,并减少自由基对组织细胞的损伤,从而稳定了细胞膜和细胞器的功能。脑组织含有大量脂质，在饥饿中，大量的自由基产生必然造成脑组织损害，所以补充BC能减轻自由基对脑细胞膜的破坏，减少脂质过氧化反应的发生。
5 维生素E和脑保护
维生素E（VE）又称为α-生育酚系脂溶性化合物，主要存在细胞膜、线粒体膜和内网膜中，它具有酚性羟基，可将活泼的氢原子给与自由基，使之复成为稳定分子，最终形成α-生育醌。一个α-生育酚分子可清除2个自由基。因此，VE是近年来深受重视的自由基清除剂，它可以稳定不饱和脂肪酸，拮抗不饱和脂肪酸的自身氧化反应，增强GSH-PX的活性。Liebler［21，22］研究表明VE在体内外都具有强大的抗氧化作用。其抗氧化作用不仅有剂量依存关系，而且与不饱和脂肪酸的量和促化因子（如活性氧、铁等）的量有关。细胞的氧化损伤有多种内部来源，包括代谢、炎症及一氧化氮等，它们可以从不同位点攻击细胞，使细胞变性死亡，产生多种疾病。Fuller等［23，24］报道脂蛋白中低密度脂蛋白（LDL）可能是血管氧化损伤的主要成分，高含量的LDL更易遭受氧化损伤。Mabile等［25］的结果表明，VE能显著抑制氧化型低密度脂蛋白引起的内皮细胞内游离Ca2+浓度的升高，减轻氧化型低密度脂蛋白对内皮细胞的毒性作用，组织中VE的含量与脂质过氧化水平呈显著的负相关。对于脑保护作用可能是通过提高组织内VE水平，保护细胞膜及细胞器膜上不饱和脂肪酸免受过氧化损害，较好地维护脑组织中SOD含量和活性等而实现的。SOD 活性增加将有利于脑组织内自由基的清除，阻断自由基引起的脑组织继发性损害。
在完全饥饿时，谷氨酰胺和L-精氨酸已经成为必需氨基酸，可以通过补充二者提高脑代谢所需的能源物质和氮源物质，它们也能增加脑内谷胱甘肽的水平，提高脑的抗氧化能力，另外L-精氨酸可以减少O2-的生成来减少NO-对脑组织的损害作用。而β-胡萝卜素和VE的作用则体现在减少脂质过氧化和自由基反应方面。组织中VE的含量与脂质过氧化水平呈显著的负相关，而BC又是一种较强的抗氧化物质,可抑制体内自由基的过量产生,并减少自由基对组织细胞的损伤,从而稳定了细胞膜和细胞器的功能。这四种营养剂独自对脑的作用都已明确，它们联合应用互相促进了彼此的作用，提高了营养剂的功效。
参考文献
［1］Kaplan B.Correlations between lipid peroxide and glutathione levels in vitamin C supple mented fasting guinea pigs［J］.Horm Metab Res,1996,27(9):419-420
［2］Shaheen AA,Abd EL-Fattah AA,Gad MZ.Effect of various stressors on the level of lipid peroxide,antioxidants and Na+,K+-ATPase activity in rat brain［J］.Experientia,1996,52(4):336-339
［3］Van RH,Richardson A.Oxidative damage to mitochordria and aging［J］.Exp Gerontol,2001,36(7):957-968
［4］Meier RW,Lwangoff P,Bertoni FC.What is primary and what secondary for amyloid deposition in Alzheimer’s disease［J］.Ann N Y Acad Sci,1994,719:230-237
［5］Graziewicz MA,Day BJ,Copeland WC.The mitochondrial DNA polymerase as a target of oxidative damage［J］.Nucleic Acids Res,2002,30(13):2817-2824
［6］Tanaka S,Takehashi M,Match N,et al.Generation of reactive oxygen species and active of NF-KappaB by non-Abeta component of Alzheimer’s disease amyloid［J］.J Neurochem,2002,82(2):305-315
［7］王迪寻.病理生理学［M］.北京：人民卫生出版社，1999：198-199
［8］Cheng B,Mattson MP.NGF and bFGF protect rat and human central neurons against hypoglycemic damage by stabilizing calcium homeostasis［J］.Neuror，1991,7:1031
［9］祁鸣，薛京伦.Na+,K+-ATP酶的特性研究及其应用［J］.生物化学与生物物理进展［J］.1998，57(3):22
［10］Novelli A,Reilly JA,Lysko PG,et al.Glutamate becomes neurotoxic via the N-methyl-D-aspartate receptor when intracellular energy levels are reduced［J］.Brain
［11］杨继军，郭长江.全饥饿对大鼠外周抗氧化防御系统功能的影响［J］.解放军预防医学杂志，2004，22(2):90
［12］杨年娣，王玲，张红爱.新生大鼠缺氧缺血性脑损伤时血红素氧化酶-1mRNA及其蛋白的表达［J］.中国临床康复，2003，7（24）：2352-2353
［13］Van Hall G-Saris WH,Wagenmarkers AJ.Effect of car bohydrate supplementation on plasma glutamine during exercise and recovery［J］.Int J Sport Med,1998,19:82-86
［14］Lipton SA,Choi YB,Pan 2H,et al.A redox-based mechanism for the neuroprotective and neurodestructive effects of nitric oxide and related nitroso-compounds［J］.Nature,1993,364:626-632
［15］Pou S,Pou WS,Bredt DS,et al.Generation of superoxide by purified brain nitric oxide synthase［J］.Biol Chem,1992,267:173-176
［16］冷志兴，王晓楠，苏世杰.β-胡萝卜素的辐射防护及其机制的探讨［J］.中国辐射卫生，1994，3（3）：178-179
［17］Conn PF,Lambert C,Land EJ,et al.Carotene-oxygen radical interactions［J］.Free Rad Res,1992,16(6):401-408
［18］赵文恩,姚思德,王强,等.脉冲辐解研究类胡萝卜素与CCL3OO-反应［J］.中国科学(B辑),2002,32(4):355-359
［19］Fabiani R,De Bartolomeo A,Rosignoli P,et al.Antioxidants prevent the lymphoeyte DNA damage induced by PMA-stimulated monocytes［J］.Nutr Cancer,2001,39:284-291
［20］ AL-Wandawi HK.Enhancement of antiradiation potential of some aminothiols by beta- carotene［J］.Ann Nutr Metab,2003,47:176-180
［21］Liebler DC,Kling DS,Reed DJ.Antioxidant protection of phospholipid bilayers by alpha-tocopherol:control of alpha- tocopherol status and lipid perexidation by ascorbic acid and glutathione［J］.J Biol Chem,1986,261:12114-12119
［22］刘向前，刘能保，张敏海，等.维生素C、E对氢化可的松所致大鼠学习记忆功能损伤的保护作用［J］.华中科技大学学报（医学版），2002,31（3）:238-241
［23］Fuller CJ,Huet BA,Jialal I.Effects of increasing does of alpha- tocopherol in providing protection of low-density liporprotein from oxidation［J］.Am J Cardiol,1998,81（15）:231-233
［24］洪燕，程义勇，马强.维生素E对应激大鼠海马齿状回长时程增强的保护作用［J］.中国应用生理学杂志，2002,18（2）:142-144
［25］Mabile L,Fitoussi G,Periquet B,et al.α- tocopherol and trolox block the early intracellular events (TBARS and calcium risee) elicited by oxidized low density lipoproteins in cultured endothelial cells［J］.Free Radical Biol Med,1995,19:177-187
河北省唐山市，华北煤炭医学院