动物小肠粘膜上皮细胞的能量营养

摘要小肠粘膜承担着动物体多种重要生理功能，粘膜上皮细胞的损伤及其功能的紊乱关系到消化系统自身稳定和动物体的健康。小肠粘膜上皮细胞的自身更新、高度有序结构的维持和各种生理功能的进行需要能量，饲粮谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和动脉谷氨酰胺是上皮细胞的主要燃料。本文对小肠粘膜结构及上皮细胞迁移、粘膜上皮细胞能量流向、能量来源以及小肠粘膜营养对断奶仔猪肠道发育的影响进行了综述。关键词小肠粘膜；上皮细胞；能量营养；谷氨酰胺动物在生命活动中，必须经常从外界环境摄取营养物质，作为机体活动和组织生长的物质和能量来源。食物中的营养物质大多不能被动物直接吸收利用，必须经消化道内加工，转变成结构简单的可溶性小分子物质，才能透过消化道上皮进入血液和淋巴，供机体组织利用。因而，营养的首要过程是消化吸收，肠道是动物消化吸收的主场所，肠道的正常发育和健康关系到动物整体健康和良好生产性能，意义甚大。肠道不仅是营养物质消化和吸收的重要场所，而且是营养物质代谢的主要器官（张军民，2000）。肠道局部营养尤其是小肠粘膜细胞的能量营养是营养学的重要组成部分，它不仅是小肠自身正常发育所必需的，也是消化、吸收等诸多生理过程能够正常进行所必需的。重视小肠本身的营养，强调小肠粘膜营养在动物营养中的作用，尽量减少肠道结构和形态的变化，从而为动物正常生存和发育提供良好的物质基础。1小肠粘膜结构和细胞迁移小肠壁的结构可分为四层，自内向外依次为粘膜层、粘膜下层、肌层和外膜。粘膜层是由上皮、固有膜和粘膜肌层组成。小肠粘膜主要由肠上皮细胞和分散其间的杯状细胞组成。小肠粘膜层的表面形成指状突起??小肠绒毛，在绒毛底部有成单管状的隐窝，两者的上皮互相连接。在胚胎时期，小肠上皮细胞由肠粘膜下层的细胞分化，分化的细胞停留于隐窝。隐窝底部的上皮细胞不断进行有丝分裂，完成有丝分裂的细胞在其它细胞的推动下逐渐从隐窝向绒毛移行，最后到达小肠绒毛顶端并脱落，脱落的肠道上皮细胞进入肠腔并随粪便排出体外，成为内源性物质的一部分。通过不断分裂和脱落，小肠上皮细胞处于一种动态平衡，这种动态平衡持续于动物的一生。这个过程称为粘膜细胞的迁移，迁移所需的时间称为细胞周转（向土寿，1990）。粘膜上皮细胞间连接紧密，成熟的肠上皮细胞突出在绒毛的顶部，不断被更新，在所有的组织中其周转率最高。正常情况下，成年动物小肠粘膜上皮细胞大约2~4天全部更新一次，在新生动物，细胞周转大约需7~10天（向土寿，1990），如果幼龄动物的肠粘膜上皮细胞被损害则其比成年动物更难恢复。小肠的功能单位是绒毛，作为绒毛的功能细胞??肠上皮细胞起源于不同的隐窝细胞，在隐窝处肠上皮细胞是分泌性的，当它移行到绒毛的一侧，成熟为吸收的绒毛细胞，微绒毛变长、细胞数目增多且消化酶发育，如果绒毛顶端被损害，成熟的吸收细胞丢失产生消化酶净分泌的能力；选择损伤不成熟的隐窝细胞，理论上应该产生有利的影响，但实际上造成严重的绒毛细胞更新紊乱，其后果与绒毛顶端损伤相同。组织学上绒毛变短和融合就是所谓的“绒毛萎缩”，它导致粘膜功能性表面积减少，吸收能力下降（张军民，2000）。2小肠粘膜上皮细胞的能量流向活细胞的生命活动表现为遗传、代谢和生理等活动。这些活动无不与物质的有关化学反应有关。与非生物界一样，细胞的化学反应也涉及到能量的转化。细胞是高度有序的复杂结构，要维持这样的有序结构要消耗能量，细胞一旦失去能量供应，就要解体死亡。从本质上讲，细胞生命活动就是能量转化过程。2.1细胞分裂小肠粘膜上皮细胞的分裂即有丝分裂包括核分裂和细胞质分裂。分裂是上皮细胞增殖的前提和物质基础，失去分裂能力的细胞，增殖就无从谈起。2.2胞质分裂动物的小肠粘膜上皮细胞在有丝分裂后中央形成一个收缩环，将一个细胞分裂成两个子细胞，这个过程称为胞质分裂。通过胞质分裂，小肠粘膜上皮细胞一分为二，新细胞形成后，逐步向绒毛顶端迁移，以补充小肠粘膜脱落的细胞，维持动物小肠粘膜的完整和健康。2.3细胞运动肌肉收缩是一种特殊的细胞运动。动物的小肠粘膜上皮细胞具有类似肌肉收缩的运动和类似肌丝滑动模型的分子运动机理。上皮细胞中排列有整齐的激动蛋白丝，依靠这些微丝，小肠绒毛可以不停的运动，促进小肠吸收营养物质。2.4物质运输物质运输是小肠粘膜上皮细胞最重要的生物学功能，依靠这种功能，上皮细胞可以把多种消化后的营养物质由肠腔转运至血液和淋巴系统，供给肠外组织利用。小肠粘膜上皮细胞的主动吸收过程主要靠细胞的代谢活动，是一种需要消耗能量的、逆电化学梯度的吸收过程。营养物质的主动吸收需要由细胞膜上载体协助，须有酶的催化和供给能量。2.5信号转导信号转导是生物细胞的一种重要功能。小肠粘膜细胞也存在着类似过程。酸性胃食糜刺激十二指肠和空肠的粘膜，使肠粘膜分泌促胰液素的过程就存在着一系列信号的转导过程。信号的转导也需消耗粘膜上皮细胞的能量。3小肠粘膜上皮细胞的能量来源小肠粘膜上皮细胞除维持自身结构完整外，还承担机体多种重要生理功能，如营养吸收、各类活性分子的转运和分泌等，这些生理过程的进行以及自身结构完整的维持、更新都需消耗能量。小肠粘膜细胞能量供应不足，就会引起上皮细胞损伤及其功能紊乱，进而引起消化系统的重要疾病、感染甚至整个动物机体的病理状态。3.1谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸饲粮谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和动脉谷氨酰胺是小肠粘膜的主要燃料，为诸如营养物质转移和高效率的细胞内蛋白质周转等肠道ATP依赖性的代谢过程提供能量（Burrin和Reeds，1977），谷氨酰胺亦是肠道粘膜细胞分裂及组织生长所必需（徐永平等，2000）。用离体大鼠小肠的灌注标本及自动灌注大鼠空肠的活体标本，Windmueller和Spaeth（1978）以示踪法研究了谷氨酰胺碳和氮的代谢终产物，发现近三分之二的谷氨酰胺碳被氧化为二氧化碳，谷氨酰胺氮则以氨、丙氨酸、瓜氨酸和脯氨酸出现。在粘膜细胞谷氨酰胺的调节下，其终产物进入门脉循环，因此，谷氨酰胺无论从小肠粘膜刷状缘或从动脉经基底侧膜进入粘膜细胞有相同的代谢方式。在随后的一系列研究中，Windmueller和同事们也发现肠腔中的谷氨酸和天冬氨酸的广泛利用情况。发现成年鼠吸收这些氨基酸后，小肠可利用25%~33%的动脉谷氨酰胺，占全身谷氨酰胺利用的30%，但与谷氨酰胺相比，动脉谷氨酸和天冬氨酸在小肠中的周转微不足道。然而肠内给予谷氨酸和天冬氨酸，象谷氨酰胺一样被小肠粘膜代谢，鼠空肠分别代谢大约66%、99%和大于99%的肠内谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸，日粮中绝大多数谷氨酰胺和几乎所有的谷氨酸和天冬氨酸不进入门脉循环，从而不被肠外组织所利用（张军民，2000）。谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸的代谢途径及代谢酶的活性在大鼠小肠中已被量化，大鼠空肠谷氨酰胺代谢所产生的氨、瓜氨酸、丙氨酸和脯氨酸各占37.9%、27.6%、24.4%和7.2%。与谷氨酰胺相比，谷氨酸和天冬氨酸在小肠中很少或不产生氨，揭示了转氨基在代谢中很少或不产生氨，揭示了转氨基在代谢中的主要作用。成年大鼠小肠中二氧化碳、乳糖、丙氨酸和血糖各占粘膜谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸总碳代谢的56%~64%、16%~20%、4%~8%和2%~10%。在同一次相同饲喂条件下，动脉谷氨酰胺的氧化、肠粘膜谷氨酰胺及谷氨酸、天冬氨酸的氧化和血糖的氧化在大鼠小肠产生二氧化碳中各占38%、39%和6%。这些结果表明氨基酸而非血糖是小肠粘膜的主要燃料（Dudley，1998）。3.2葡萄糖、酮体和短链脂肪酸小肠细胞葡萄糖的摄入率与谷氨酰胺的摄入率相同，而对小肠上皮细胞的氧化燃料而言，谷氨酰胺比葡萄糖重要。静脉灌注酮体可以促进实施了结肠吻合术的大鼠的伤口的愈合，较使用葡萄糖或氨基酸时的恢复速度要快。酮体是否能促进小肠粘膜的损伤修复和更新以及在某些条件下，酮体是否是上皮细胞的燃料，目前有关资料较少。富含复杂碳水化合物的饲粮在大肠中经细菌的发酵，产生短链脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸而被吸收。研究结果表明：短链脂肪酸在维持肠道健康上起着巨大作用，富含可发酵纤维的饲粮通过向肠道提供短链脂肪酸形式的即时可用燃料来防止肠道的萎缩。短链脂肪酸，特别是丁酸是后部肠道首选的可氧化燃料。研究表明，到达后肠的饲粮纤维产生的短链脂肪酸可能反过来影响小肠的肠道结构和能量代谢。许多研究发现，饲喂高纤维饲粮的生长猪与饲喂低纤维饲粮的相比，在空肠有更高的隐窝相对增殖率，这相当于增加了小肠粘膜上皮细胞的相对周转率。小肠隐窝加深的原因可能是大肠产生短链脂肪酸增加，其反过来刺激小肠隐窝产生。绝大多数饲粮纤维的发酵需要24~72h，而短链脂肪酸的吸收滞后于摄食。在进食后而小肠尚无局部可利用养分的情况下，后肠中饲粮纤维的发酵可以调节氮架和碳架的分解代谢以维持胃肠道上皮细胞的正常增殖和功能。这对于以间断进食为特征的单胃动物可能是必要的，有利于提高其代谢效率。4小肠粘膜细胞的能量营养对仔猪肠道发育的影响猪的小肠一生可发生两次形态学、组织学的变化，其一为初生，其次为断奶。仔猪从胚胎开始通过细胞增殖、生长及组织变化过程，促进上皮细胞分裂、成熟及其功能的分化，但其在小肠结构和功能不太健全的状态下出生（韩仁圭，2000）。仔猪断奶后必需很快适应由流质母乳转变为干粉固体饲料这一过程，这对仔猪是一个很大的应激。由于断奶仔猪不再能吮食母乳和短期内的短采食量，可能引起小肠粘膜细胞代谢所需的供能物质??谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸的缺乏，细胞不能获得进行多种生理活动所需的能量，导致小肠粘膜的形态、结构异常，绒毛长度变短且隐窝变深，从而造成生产性能的下降（Wu等，1995）。Wu等（1996）在21日龄断乳仔猪的玉米?豆粕型饲粮中分别添加0.0%，0.2%，0.6%和1.0%的游离谷氨酰胺，结果证明，添加1.0%的谷氨酰胺在断乳后第一周可防止空肠绒毛的萎缩，第二周可降低料重比，即提高饲料利用率。谷氨酰胺和谷氨酸是肠道主要的能源物质，在许多物种包括猪中，肠道都是利用谷氨酰胺和谷氨酸最多的器官。彭健等（2000）研究结果充分表明，在断奶仔猪饲粮中添加1%的谷氨酰胺或谷氨酸，可维持小肠粘膜的正常形态、结构和功能，防止断乳后7天内空肠的萎缩。研究者认为，这可能是谷氨酰胺和谷氨酸作为小肠的主要能量物质在断奶应激时促进了肠粘膜细胞的增殖和受损肠上皮的修复。另外，Pluske（1996）报道，连续5d饲喂羊奶的断奶仔猪小肠粘膜上皮细胞谷氨酰胺的代谢增加，隐窝深度随谷氨酰胺的采食线性降低。5结语小肠粘膜上皮细胞是高度有序的复杂结构，要维持这样的有序结构需要消耗能量。上皮细胞还承担着多种重要生理功能，营养物质的吸收、信号的转导等均是需要消耗细胞能量的过程。因而，小肠粘膜细胞需要巨大的能量供给，一旦失去能量供应，细胞就要解体死亡。大量研究证明，小肠粘膜上皮细胞的更新是一个耗能的过程，降低上皮细胞的更新可节约部分能量用于动物生长。Yen（1988）报道，在猪用于维持需要的能量中，肠道大约占24%。Menten等在仔猪饲粮中添加高铜，发现粘膜细胞有丝分裂指数发生了变化。另有研究表明，饲粮中添加卡巴氧可降低肠道对氧的需要量，这可能对降低肠道维持能量的需要有益。许多研究表明添加抗生素可以减轻动物的小肠重量，使肠壁变薄促进动物生长，结合小肠粘膜细胞的能量营养，原因可能是小肠重量的降低减少了维持的需要和改变了细胞的周转。许多研究表明，饲粮谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和动脉谷氨酰胺是小肠粘膜的主要燃料，而非血糖，为诸多营养物质吸收周转和高效率的细胞内蛋白质周转等肠道ATP依赖性的代谢过程提供能源。许多观点支持饲粮氨基酸??谷氨酰胺和谷氨酸在维持肠道重量和完整性方面有重要作用。但短链脂肪酸、胴体等对小肠粘膜上皮细胞是否具有直接的营养作用，有关文献较少，有待进一步研究。随着养猪技术的发展和生产集约化程度的不断提高，隔离早期断奶（SEW）将应用于畜牧生产实践，尽管可提高母猪繁殖力，减少疾病的垂直传播，但经常导致断奶仔猪小肠粘膜形态、结构和功能的异常。饲料中添加小肠粘膜细胞代谢所需的能量物质，如谷氨酰胺和谷氨酸等，可以维持小肠粘膜上皮细胞形态、结构和功能的完整，缓解断奶应激，提高断奶仔猪的消化吸收能力，对养猪生产具有重要意义。