α—酮戊二酸及其生理作用
付莹 王红权 赵玉蓉
摘要；α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循环中重要的代谢中间产物，是连接细胞内碳-氮代谢的关键节点。作为一种短链羧酸分子，α-酮戊二酸是谷氨酰胺、谷氨酸等多种重要的氨基酸的前体，不仅直接参与供能，还参与细胞内多种化学反应，具有多种生理作用。本文对α-酮戊二酸的结构及性质、生产方法、生理作用进行简要综述，为α-酮戊二酸进一步研究及应用提供参考。
关键词：α-酮戊二酸；能量代谢；生理作用
α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循环中的一个重要环节，在循环中的位置为异柠檬酸之后和琥珀酰辅酶A之前，连接细胞内碳-氮代谢，不仅直接参与机体的氧化供能，还参与体内多種物质的化学合成，其对机体维持正常生理功能有重要作用。在近年研究中。人们不断发现α-KG具有调节机体氮代谢、促进生长，调节机体能量代谢、维持肠道健康、提高机体免疫力和改善骨质等多种生理作用。但相关研究多集中在表观性能上。较少研究乏α-KG在体内的代谢、转运及具体调控机制等。本文就α-KG的结构及性质、生产、生理作用进行简要综述。为α-KG进一步研究及应用提供参考。
1α-KG的结构及其性质
α-KG。又称2-氧代戊二酸或α-羰基戊二酸，是一种短链羧酸分子，分子式为C5H6O5、相对分子质量146.1，为白色或微黄色的结晶。其化学性质稳定，在溶液中表现较好的稳定性和溶解性，易溶于水、醇，极难溶于醚，易潮解。
2 α-KG的来源及生产
2.1 α-KG的体内形成
1.丙酮酸脱氢酶；2.柠檬酸合成酶；3.顺乌头酸酶；4.异柠檬酸脱氢酶：5.α-酮戊二酸脱氢酶：6.琥珀酰CoA合成酶；7.琥珀酸脱氢酶；8.延胡索酸酶；9.苹果酸脱氢酶；10.谷氨酸脱氢酶；11.谷氨酰胺合成酶；12.谷氨酸合成酶：13.丙酮酸羧化酶。
α-KG不仅是三羧酸循环中重要的代谢中间产物，还是生物体内L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、L-脯氨酸、L-精氨酸等多种氨基酸、维生素和有机酸的生物合成前体。机体内的碳源物质转运进入细胞内后。可经过糖酵解形成丙酮酸，而丙酮酸进入三羧酸循环后可形成α-KG，而生成的α-KG又可在α-酮戊二酸脱氢酶系的作用下进一步代谢成琥珀酰-CoA。进入碳代谢节点，在这一过程中伴随着电子传递和能量产生，该过程能够为动物体的生长繁殖提供大量碳源物质和能量；此外，α-KG还可通过转氨基作用形成L-谷氨酸，进入氮代谢。所以α-KG是机体内连接碳代谢和氮代谢的重要中间产物（图1）。
2.2 α-KG的工业生产
目前已有的α-KG的生产方法主要包括化学合成法和微生物发酵法，但目前应用较广的还是化学合成法。
2.2.1微生物发酵
1946年，Lockwood和Stodola首先对利用荧光假单胞菌pseudomonas fluorescens胞外积累α-KG进行了初步的研究，研发了利用葡萄糖发酵合成α-KG的新途径。随后Asai等人发现多种原核微生物菌种能在体内大量积累α-酮戊二酸。其后，Tsugawa、Maldonado、IFChenko、Verseck和zhou等人对微生物发酵产生α-KG不断进行改进，先后发现了解脂亚罗酵母及其最适底物和培养条件，培育了谷氨酸脱氢酶弱化菌株并筛选得到了一株能过量累积α-KG的菌株Y.lipolyticaWSH-Z06。
2.2.2化学合成
目前α-KG的化学合成法以琥珀酸和草酸二乙酯为原料，与浓盐酸混合，静置过夜后，再通过140℃蒸馏浓缩，剩余物冷却结晶，得到α-KG，收率为75%，或者由酰基氰化物水解得到α-KG。但化学合成法存在大量缺点，如使用有毒化合物（如氰化物）、产生有毒废物、需要含重金属催化剂、产生副产物以及严重腐蚀设备等。
3 α-KG的生理作用
3.1调节机体氮代谢，促进动物生长
α-KG既能运输氮。也能储存氮，其作为谷氨酰胺的前体物质，能够在体内转化为谷氨酰胺。谷氨酰胺作为一种中性无毒物质，不仅可以用于其他氨基酸和含氮化合物。如蛋白质、嘌呤、嘧啶等的合成，也是氨的主要运输形式。当其运送至肝、肾系统时，可分别用于合成尿素和铵盐，从而将机体内多余的氨排出。在动物体内，氨主要来源于蛋白质的分解代谢，具有神经毒性，还会抑制机体呼吸机能、降低机体免疫力，甚至引起死亡。目前。由于集约化养殖和水体污染，水体常常氨氮含量过高，研究表明，α-KG的添加能够有效缓解鱼类氨氮胁迫，促进机体蛋白质的沉积，改善鱼体氮代谢。此外，在其他动物上，大量研究发现：日粮添加α-KG能够激活细胞内mTOR信号通路和提高饲料代谢能，促进机体蛋白质合成，从而提高动物的生长性能。
4.2调节机体能量代谢
在应激状态下，动物易出现能量代谢障碍。α-KG作为三羧酸循环的中间体，一方面直接参与机体的氧化供能，其可脱氢生成琥珀酰CoA和NADH，同时伴有大量能量的释放：另一方面还能促进脂肪酸的分解代谢，为机体供能。Junghan等以仔猪为动物模型发现：经肠给予α-KG能节约其他营养素的消耗供能。正常生理状态下，游离脂肪酸是机体供能的营养物质，长链脂肪酸β-氧化能产生大量的ATP。肉碱作为长链脂肪酸β-氧化过程中的重要载体，其合成进程中需要酮戊二酸双加氧酶的参与，而α-KG则是该酶合成的辅助因子。间接调控肉碱的合成。Li等研究发现，利用H2O2诱导大鼠精子产生氧化应激时，α-KG能够作为能量来源。为精子存活提供ATP，从而提高精子的抗氧化能力。在仔猪脂多糖应激的情况下，日粮补充α-KG能缓解脂多糖应激造成的肌肉能量损耗和肠黏膜能量代谢障碍。
3.3维持肠道健康，提高机体免疫力
肠道是动物体吸收营养物质的重要场所。其能通过肠道屏障抵抗外源有害物质，对动物的生长、存活和健康至关重要。在断奶、炎症、感染等情况下，动物极易出现肠粘膜损伤和功能紊乱，引发腹泻和生长迟缓，甚至导致个体死亡。在肠道内，谷氨酸和谷氨酰胺是肠粘膜细胞的主要能量来源，而α-KG作为这两种氨基酸的前体物质，能够在肠道内转化为谷氨酸和谷氨酰胺，为肠道提供能量。
肠道的绒毛高度和隐窝深度能够反映肠道的功能，两者的比值（V/C）下降表示消化吸收功能下降，极易出现腹泻等情况，上升则代表消化吸收功能增强，机体不易遭受疾病。研究表明，日粮中添加α-KG能有效提高绒毛高度和隐窝深度的比值，改善小肠粘膜形态，增强小肠粘膜吸收和屏障功能。此外。日粮添加α-KG还能降低机体MDA含量，升高SOD活性。提高机体抗氧化能力。将α-KG与中草药合用时，α-KG表现出对断奶大鼠淋巴组织生长发育的促进作用，提高和改善了断奶大鼠消化道功能，从而增强肠道免疫和系统免疫功能，且比单纯添加中草药的效果明显和迅速。
4.4改善骨质
在脊椎动物中，骨骼主要起支撑躯体和维持运动、保护中央神经系统和骨髓、储存钙、磷离子的作用，其中骨基质的主要成分是胶原，约占95%。在骨骼发育过程中，脯氨酸、羟脯氨酸、甘氨酸是骨胶原生物合成的底物，而α-KG作为谷氨酸、谷氨酰胺的前体，能够为体内脯氨酸的合成提供底物，促进脯氨酸羟化形成羟脯氨酸，间接促进机体骨胶原的合成。Kowalik等研究表明，肠内提供α-KG能够提高仔猪大腿的股骨骨密度和血浆中雌激素的含量，而雌激素缺乏与骨质疏松有着密不可分的联系。在火鸡上的研究也表明，日粮α-KG能显著提高火鸡桡骨、肱骨断层面积、骨骼壁的厚度、最大弹性强度及皮质骨密度，对骨骼矿化和提高机械性能具有良好效果。
5小结
α-KG作为连接碳氮代谢的节点，具有调节机体氮代谢、能量代谢、维持肠道健康和改善骨质的生理作用，其与具有相似生理作用的谷氨酰胺相比，具有稳定、无毒、价格低等多种优势。目前，关于α-KG的研究报道较多。但深入探究α-KG在体内的代谢、转运及具体调控机制的研究相对较少。且不够深入，值得我们今后研究和关注。
摘要；α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循环中重要的代谢中间产物，是连接细胞内碳-氮代谢的关键节点。作为一种短链羧酸分子，α-酮戊二酸是谷氨酰胺、谷氨酸等多种重要的氨基酸的前体，不仅直接参与供能，还参与细胞内多种化学反应，具有多种生理作用。本文对α-酮戊二酸的结构及性质、生产方法、生理作用进行简要综述，为α-酮戊二酸进一步研究及应用提供参考。
关键词：α-酮戊二酸；能量代谢；生理作用
α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）是三羧酸循环中的一个重要环节，在循环中的位置为异柠檬酸之后和琥珀酰辅酶A之前，连接细胞内碳-氮代谢，不仅直接参与机体的氧化供能，还参与体内多種物质的化学合成，其对机体维持正常生理功能有重要作用。在近年研究中。人们不断发现α-KG具有调节机体氮代谢、促进生长，调节机体能量代谢、维持肠道健康、提高机体免疫力和改善骨质等多种生理作用。但相关研究多集中在表观性能上。较少研究乏α-KG在体内的代谢、转运及具体调控机制等。本文就α-KG的结构及性质、生产、生理作用进行简要综述。为α-KG进一步研究及应用提供参考。
1α-KG的结构及其性质
α-KG。又称2-氧代戊二酸或α-羰基戊二酸，是一种短链羧酸分子，分子式为C5H6O5、相对分子质量146.1，为白色或微黄色的结晶。其化学性质稳定，在溶液中表现较好的稳定性和溶解性，易溶于水、醇，极难溶于醚，易潮解。
2 α-KG的来源及生产
2.1 α-KG的体内形成
1.丙酮酸脱氢酶；2.柠檬酸合成酶；3.顺乌头酸酶；4.异柠檬酸脱氢酶：5.α-酮戊二酸脱氢酶：6.琥珀酰CoA合成酶；7.琥珀酸脱氢酶；8.延胡索酸酶；9.苹果酸脱氢酶；10.谷氨酸脱氢酶；11.谷氨酰胺合成酶；12.谷氨酸合成酶：13.丙酮酸羧化酶。
α-KG不仅是三羧酸循环中重要的代谢中间产物，还是生物体内L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、L-脯氨酸、L-精氨酸等多种氨基酸、维生素和有机酸的生物合成前体。机体内的碳源物质转运进入细胞内后。可经过糖酵解形成丙酮酸，而丙酮酸进入三羧酸循环后可形成α-KG，而生成的α-KG又可在α-酮戊二酸脱氢酶系的作用下进一步代谢成琥珀酰-CoA。进入碳代谢节点，在这一过程中伴随着电子传递和能量产生，该过程能够为动物体的生长繁殖提供大量碳源物质和能量；此外，α-KG还可通过转氨基作用形成L-谷氨酸，进入氮代谢。所以α-KG是机体内连接碳代谢和氮代谢的重要中间产物（图1）。
2.2 α-KG的工业生产
目前已有的α-KG的生产方法主要包括化学合成法和微生物发酵法，但目前应用较广的还是化学合成法。
2.2.1微生物发酵
1946年，Lockwood和Stodola首先对利用荧光假单胞菌pseudomonas fluorescens胞外积累α-KG进行了初步的研究，研发了利用葡萄糖发酵合成α-KG的新途径。随后Asai等人发现多种原核微生物菌种能在体内大量积累α-酮戊二酸。其后，Tsugawa、Maldonado、IFChenko、Verseck和zhou等人对微生物发酵产生α-KG不断进行改进，先后发现了解脂亚罗酵母及其最适底物和培养条件，培育了谷氨酸脱氢酶弱化菌株并筛选得到了一株能过量累积α-KG的菌株Y.lipolyticaWSH-Z06。
2.2.2化学合成
目前α-KG的化学合成法以琥珀酸和草酸二乙酯为原料，与浓盐酸混合，静置过夜后，再通过140℃蒸馏浓缩，剩余物冷却结晶，得到α-KG，收率为75%，或者由酰基氰化物水解得到α-KG。但化学合成法存在大量缺点，如使用有毒化合物（如氰化物）、产生有毒废物、需要含重金属催化剂、产生副产物以及严重腐蚀设备等。
3 α-KG的生理作用
3.1调节机体氮代谢，促进动物生长
α-KG既能运输氮。也能储存氮，其作为谷氨酰胺的前体物质，能够在体内转化为谷氨酰胺。谷氨酰胺作为一种中性无毒物质，不仅可以用于其他氨基酸和含氮化合物。如蛋白质、嘌呤、嘧啶等的合成，也是氨的主要运输形式。当其运送至肝、肾系统时，可分别用于合成尿素和铵盐，从而将机体内多余的氨排出。在动物体内，氨主要来源于蛋白质的分解代谢，具有神经毒性，还会抑制机体呼吸机能、降低机体免疫力，甚至引起死亡。目前。由于集约化养殖和水体污染，水体常常氨氮含量过高，研究表明，α-KG的添加能够有效缓解鱼类氨氮胁迫，促进机体蛋白质的沉积，改善鱼体氮代谢。此外，在其他动物上，大量研究发现：日粮添加α-KG能够激活细胞内mTOR信号通路和提高饲料代谢能，促进机体蛋白质合成，从而提高动物的生长性能。
4.2调节机体能量代谢
在应激状态下，动物易出现能量代谢障碍。α-KG作为三羧酸循环的中间体，一方面直接参与机体的氧化供能，其可脱氢生成琥珀酰CoA和NADH，同时伴有大量能量的释放：另一方面还能促进脂肪酸的分解代谢，为机体供能。Junghan等以仔猪为动物模型发现：经肠给予α-KG能节约其他营养素的消耗供能。正常生理状态下，游离脂肪酸是机体供能的营养物质，长链脂肪酸β-氧化能产生大量的ATP。肉碱作为长链脂肪酸β-氧化过程中的重要载体，其合成进程中需要酮戊二酸双加氧酶的参与，而α-KG则是该酶合成的辅助因子。间接调控肉碱的合成。Li等研究发现，利用H2O2诱导大鼠精子产生氧化应激时，α-KG能够作为能量来源。为精子存活提供ATP，从而提高精子的抗氧化能力。在仔猪脂多糖应激的情况下，日粮补充α-KG能缓解脂多糖应激造成的肌肉能量损耗和肠黏膜能量代谢障碍。
3.3维持肠道健康，提高机体免疫力
肠道是动物体吸收营养物质的重要场所。其能通过肠道屏障抵抗外源有害物质，对动物的生长、存活和健康至关重要。在断奶、炎症、感染等情况下，动物极易出现肠粘膜损伤和功能紊乱，引发腹泻和生长迟缓，甚至导致个体死亡。在肠道内，谷氨酸和谷氨酰胺是肠粘膜细胞的主要能量来源，而α-KG作为这两种氨基酸的前体物质，能够在肠道内转化为谷氨酸和谷氨酰胺，为肠道提供能量。
肠道的绒毛高度和隐窝深度能够反映肠道的功能，两者的比值（V/C）下降表示消化吸收功能下降，极易出现腹泻等情况，上升则代表消化吸收功能增强，机体不易遭受疾病。研究表明，日粮中添加α-KG能有效提高绒毛高度和隐窝深度的比值，改善小肠粘膜形态，增强小肠粘膜吸收和屏障功能。此外。日粮添加α-KG还能降低机体MDA含量，升高SOD活性。提高机体抗氧化能力。将α-KG与中草药合用时，α-KG表现出对断奶大鼠淋巴组织生长发育的促进作用，提高和改善了断奶大鼠消化道功能，从而增强肠道免疫和系统免疫功能，且比单纯添加中草药的效果明显和迅速。
4.4改善骨质
在脊椎动物中，骨骼主要起支撑躯体和维持运动、保护中央神经系统和骨髓、储存钙、磷离子的作用，其中骨基质的主要成分是胶原，约占95%。在骨骼发育过程中，脯氨酸、羟脯氨酸、甘氨酸是骨胶原生物合成的底物，而α-KG作为谷氨酸、谷氨酰胺的前体，能够为体内脯氨酸的合成提供底物，促进脯氨酸羟化形成羟脯氨酸，间接促进机体骨胶原的合成。Kowalik等研究表明，肠内提供α-KG能够提高仔猪大腿的股骨骨密度和血浆中雌激素的含量，而雌激素缺乏与骨质疏松有着密不可分的联系。在火鸡上的研究也表明，日粮α-KG能显著提高火鸡桡骨、肱骨断层面积、骨骼壁的厚度、最大弹性强度及皮质骨密度，对骨骼矿化和提高机械性能具有良好效果。
5小结
α-KG作为连接碳氮代谢的节点，具有调节机体氮代谢、能量代谢、维持肠道健康和改善骨质的生理作用，其与具有相似生理作用的谷氨酰胺相比，具有稳定、无毒、价格低等多种优势。目前，关于α-KG的研究报道较多。但深入探究α-KG在体内的代谢、转运及具体调控机制的研究相对较少。且不够深入，值得我们今后研究和关注。
