γ-氨基丁酸

【背景及概况】^[1][2][3]

目前为止，在自然界中已发现的氨基酸种类已达180多种，其中除了少数氨基酸参与蛋白质的组成外，大部分的非蛋白质氨基酸不参与蛋白质的组成，γ-氨基丁酸便是其中的一种，相比大多数的非蛋白质氨基酸而言，目前对γ-氨基丁酸的研究相对比较深入。γ-氨基丁酸是一种具有重要功能的氨基酸，主要存在于脑内的灰质中，特别是纹状体、黑质、小脑齿状核等处含量较高，也存在于脊髓后角。RABA的存在形式有游离的、疏松结合的和牢固结合的三种。牢固结合是主要的储存形式、疏松结合是被受体结合的形式，游离的则是两者之间的转运形式。实验证明在谷氨酸脱羧酶作用下，由谷氨酸脱羧而变成RABA，通过神经末梢释放。RABA并不是脑内蛋白质的组成成分，而是一种重要的抑制性神经递质。用微电泳方法将极少量的RABA注入大脑皮层，即可引起皮层神经元迅速可逆的抑制。用同样方法将RABA注入前庭外侧核也引起神经元抑制效应。RABA还可能参与睡眠-觉醒的机制，并且与癫痫、震颤性麻痹、舞蹈病和精神分裂症有关。印防己毒等药物能阻断RABA对神经元的抑制作用。 

γ-氨基丁酸作为一种药物：能降低血氨及促进大脑新陈代谢，在体内与血氨结合生成尿素排出。用于治疗各种类型的肝昏迷、尿毒症，亦用作催眠药及煤气中毒等所致昏迷的苏醒剂。还可用于治疗脑血管障碍引起的偏瘫、记忆障碍、儿童智力发育迟缓和精神幼稚症等。大剂量可引起运动失调、肌无力、血压降低和呼吸抑制等。

【理化性质及结构】^[3]

γ-氨基丁酸分子式为 C₄H₉NO₂，是一种接近白色的结晶粉末或白色晶体，微溶于乙醇，不溶于乙醚，苯和乙醇，易溶于水。熔点 203-204℃，熔化分解产物为水和并吡咯烷酮。没有旋光性，解离常数 Pk NH₃=10.56，Pk COOH=4.03，等电点 PI=7.19。为 L-谷氨酸脱羧衍生而来的，味微苦，微臭，可潮解，在水溶液中可发生解离作用，γ-氨基丁酸还能与茚三酮发生显色反应生成紫色络合物，此外γ-氨基丁酸亦具有某些特殊的化学性质，如成酞氯、氰基化以及肽基化反应，这些特殊的反应也可成为γ-氨基丁酸检测中的方法。分子结构如所示：

【分布】^[4]

γ-氨基丁酸存在于自然界很多种类的植物之中不同基因型的同种植物中所含 γ-氨基丁酸的量也呈现出丰富的多样性。对 23 个桑树品种的 γ-氨基丁酸含量进行了测定。结果发现，γ-氨基丁酸含量在各品种间有所不同，其中火桑含量高，新鲜桑叶中 γ-氨基丁酸的含量达到1.224 mg / g。郑对龙眼种质资源中 85 个代表性基因型果实中的γ-氨基丁酸含量进行了测定。结果发现，γ-氨基丁酸在基因型之间的含量差别达到 3.5 倍，平均为1.229 mg（每克果肉中）。而在动物体内，γ-氨基丁酸则仅存在于神经组织中，在脑组织中的含量为 0.1～0.6 mg（每克脑组织），免疫学研究表明，大脑中的黑质和苍白球是 γ-氨基丁酸浓度最高的区域，其余依次为中脑的上丘、下丘，小脑的尺状核及中央灰质，大脑和小脑皮层含量较低，脑的白质含量最低。

【生化代谢途径】^[3][4]

L-谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化脱羧，γ-氨基丁酸生物合成的主要途径，此过程需要辅酶磷酸吡哆醛、鸟氨酸和丁二氨，在某些情况下也可以转化γ-氨基丁酸，但它们也都是由谷氨酸生成的，所以说生物体内 γ-氨基丁酸的唯一来源就是谷氨酸。在哺乳动物的神经细胞内，首先 -氨基丁酸在 γ-氨基丁酸转氨酶的催化作用下形成琥珀酸半醛，然后在琥珀酸半醛脱氢酶的催化作用下生成琥珀酸，进入三羧酸循环，这一系列反应与谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸脱羧的反应一起构成了 α-酮戊二酸氧化成琥珀酸的另一条支路，叫做 γ-氨基丁酸支路。

【生理功能及应用】^[3][4]

目前国内外对 GABA 功效的研究已经非常深入，作为一种新型的特殊功能性因子，GABA 被广泛应用于医药，保健，饲料，化工等领域，其生理功效主要包括以下几点：

1. 抗衰老：研究表明 GABA含量的减少可能是导致脑组织衰老的原因之一，他们以老年恒河猴为实验对象，发现补充大量GABA 后，恒河猴脑部组织代谢旺盛，大脑接近巅峰状态，而 GABA 的缺乏会导致脑部神经组织代谢缓慢，导致一定程度上神经细胞的退化，使其视觉的选择力下降。以上的试验只在动物身上得到验证结果，缺乏人体脑部神经元的试验论证，但基于此我们可以大胆地预测，GABA 含量的提高可延缓人体的衰老，当然这只是一种预测还需要广大科研工作者的验证。

2. 调节血压：GABA 作为哺乳动物中枢神经系统的一种重要的神经抑制性传递递质，起着调节哺乳动物心脑血管活动的作用，能通过对中枢交感神经的阻断从而达到调剂血压的目的，具有降低血压的药理功效。研究表明使白鼠摄入适量 GABA可有效的降低白鼠的血压。 给高血压病人和白鼠同时摄入适量FMG（高 GABA 的乳制品），一段时间后病人和白鼠血压都明显地降低了，因FMG 中不含降血压肽，由此可判定对病人和白鼠起降压作用的有效成分为GABA。

3. 治疗精神方面的疾病：GABA 是哺乳动物大脑内的一种重要的神经抑制性递质，因其对中枢神经系统有强烈的抑制作用，故常用作镇定剂，GABA 还可提升人体抗惊厥的阀值，从而广泛应用于顽固性癫痫病药物的制备中。许多GABA 含量水平较高的化合物都具有一定的抗惊厥功效。上世纪九十年代日本学者研究表明：GABA 在癫痫病人的脑脊液中的含量水平较低，GABA 的含量水平直接关系到病人症状的程度，含量越高症状相对较轻，反之则越厉害。提高癫痫患者脑脊液中 GABA的含量水平从而减轻患者的病状程度也可能被视为一种可行的途径而广泛应用于临床。

4. 功效性医药与食品的中间体：因 GABA 特定的抗焦虑及降血压功效，故其广泛应用于功效性医药和食品的中间体中。1978 年日本已生产成本高 GABA 含量的食品添加剂及茶饮料，美国也以 GABA 为药物中间体广泛应用于治疗失眠和癫痫的药物生产中。含较高浓度的 GABA 饮料可作为增进肝功能、脑功能及降血压的功能性饮品，在这方面我国的科研工作者已制备成 GABA功能性饮品，具有降血压功能的 GABA乳酸菌奶酪也在研发中。

5. 食品与饲料添加剂：以糙米为原料 GABA 为添加剂研制出功效性糙米甜酒，为糙米的开发利用开辟了新的途径。因 GABA 对禽类和牲畜具有促采食、生长与抗热应激的作用，高温条件下在日粮中添加 GABA 可增强哺乳期母猪的抗氧化能力和生产能力，同时能缓解热应激。因 GABA 具有的以上特点使其在食品和饲料中的应用更为广泛。

6. 其他功效：除此之外GABA 还具有一些其他的生理功效，如调节脂类代谢，调节神经，促进乙醇的代谢，改善老年人的失眠症及精神障碍，增强肝功能及肾功能，降低血氨浓度，提升免疫力，促进哺乳动物采食及调节免疫力，治疗一氧化碳中毒及尿毒症，GABA 也可作为制备杀虫剂的重要原料。

【生产工艺】^[4]

天然食品中 GABA 的含量相对较低，依靠从食物中摄取的 GABA 远远满足不了人体日常的基本需求，目前制备 GABA 的方法主要有化学合成法、植物富集法、微生物法。传统的化学法制备 GABA 因存在反应条件剧烈、原料毒性较大、安全性较低、成本较高等弊端不宜用于医药和食品安全级 GABA 的制备中。相对而言，微生物法制备 GABA 其反应条件温和、安全系数较高，因此利用微生物法制备医药和食品安全级 GABA 正逐渐成为主流趋势。

1. 化学合成法

化学合成法制备 GABA 主要有两种途径：（1）临苯二甲酰亚氨钾与 4-氯丁氰在 180℃条件下反应的产物用浓硫酸水解制得。（2）吡咯烷酮经碳酸氢铵与氢氧化钙的水解制得。化学合成法制备 GABA 速度快、收率高，但其成本较高，产品中有毒成分比较难去除，安全性较差，污染性较大，所制备产品具有一定的安全隐患，故不可用于大规模的工业化生产中，此方法也逐渐被新兴的制备方法所取代。

2. 植物富集法

植物富集法可作为 GABA制备的一种方法主要是利用了植物体内的内源酶系，包括两种途径：（1）谷氨酸脱羧：谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化脱羧制得（2）多胺降解途径：吡咯啉脱羧酶催化谷氨酸由多胺降解后的产物制得。相比较而言，多胺降解途径比较微弱，植物富集法的主要方式是谷氨酸脱羧法。植物富集法主要应用于 GABA 高含量食品的开发，很少应用于 GABA 纯品的制备。日本学者松本恭郎采用新鲜蔬菜水果为原料制备 GABA，大久长范用糙米富集GABA，津至田藤二郎以 GABA 为主要添加剂制备得到 GABA 茶具有多种功效，虽然植物富集法工艺流程较为简单，因其所得 GABA 含量较低，故适用于大规模的生产中。

3. 微生物法

微生物法制备 GABA 具有成本低、较安全、收率高、劳动量小及可改进性强等优点，在诸多 GABA 合成方法中是最具市场潜力和开发前景的，如何选育安全高效的优良菌种成为制约微生物法投入大规模生产的重要因素。微生物法主要包括发酵法及转化法，之前的微生物法普遍认为是发酵法，但随着 GABA制备方法的不断优化，转化法以其自身的优势正逐渐兴起，由于谷氨酸脱羧酶是催化 L-谷氨酸脱去 α-羧基生成 γ-氨基丁酸的唯一酶系，在哺乳动物和单细胞生物等有机体的细胞中大量存在，微生物转化就是以谷氨酸或其钠盐为底物，在谷氨酸脱羧酶（GAD）催化作用下脱羧生成 GABA。静息细胞法是当前较为常用的一种方法：先培养能提供谷氨酸脱羧酶的目的菌种细胞达到一定浓度，收集并洗涤培养好的细胞并将其加入谷氨酸或其钠盐为底物的反应体系中，在目的菌种细胞提供的谷氨酸脱羧酶的作用下使底物脱羧生成 GABA，此过程中细胞生长处于停滞状态。用基因工程技术合成出 GABA 高含量菌株，每克细胞可制备出 25g GABA，反应液中 GABA 浓度达 300 g/L，产率可达 99%。

根据谷氨酸脱羧酶在低 Km 和 p H 值下特性制得高产GABA 的干酪乳酸杆菌。相较发酵法而言转化法具有操作简单、产物单一、产量高、易提取、易规模化生产等优势。因此生物转化法合成 GABA 具有更广阔的市场前景、经济价值与现实意义

4. 其它方法

据报道，目前国内有人从土壤中筛选出一株有 4-丁内酰胺水解酶活性的菌株在以 2-吡咯烷酮为碳源条件下培养，其可水解 2-吡咯烷酮制得 GABA，此方法正在探索阶段，能否应用于 GABA 的制备尚待进一步验证。

【参考文献】

[1] 车文博 主编.心理咨询大百科全书.杭州：浙江科学技术出版社.2001.第257页

[2] 胡皓夫 主编.儿科学辞典.北京：北京科学技术出版社.2003.第519页

[3] 王志超. 霉菌转化法合成 γ-氨基丁酸的研究[D]. 齐鲁工业大学, 2016.

[4] 欧长波, 王秋霞, 裴亚琼, 等. 有机酸在动物生产中应用的研究进展[J]. 中国畜牧杂志, 2016 (20): 72-75.