猪小肠黏膜上皮细胞对不同能源物质的利用和需求特点研究进展

刘玉婷，赵 宝，韩 蕊，秦贵信

（吉林农业大学动物科学技术学院，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林省动物营养与饲料科学重点实验室，吉林长春 130118）

肠黏膜上皮细胞在营养物质的消化、吸收及肠道功能正常发挥过程中具有至关重要的作用。小肠黏膜上皮细胞与其他组织细胞不同，除维持自身结构的完整和自我更新外，还承担着营养物质吸收、转运等生理功能。而且小肠上皮细胞更新最为旺盛，皮肤细胞代谢周期为28～35 d，肝细胞在160 d以上，小肠上皮细胞平均每3～5 d就更新一次。由此可见，能量供给对于小肠黏膜上皮细胞尤为重要。一旦能源物质的数量和类别满足不了细胞增殖和代谢的需求，则会引起小肠上皮损伤和功能紊乱，影响肠道健康。

葡萄糖、氨基酸和脂肪酸均可作为细胞的能源供给物质。然而，不同功能的细胞对能源物质的利用存在差异和选择性。如脑神经细胞所需能量的85%～95%来源于葡萄糖的氧化，而肠黏膜上皮细胞更倾向于利用氨基酸而非葡萄糖。有学者认为，能源物质间可以相互转化，但转化过程会出现能量损失的现象。因此，为细胞提供最适的能源底物才能既满足其需求且能提高其利用效率。本文综述了猪肠小肠黏膜上皮细胞对不同能源物质的代谢、利用和需求特点，为更加深入全面地了解肠黏膜上皮细胞对能源物质的需求特点及优化猪的能量营养配给提供更多的参考依据。

1 肠黏膜上皮细胞的构成和生物学功能

小肠是由单层柱状上皮细胞覆盖的肠绒毛和隐窝组成，肠绒毛是小肠的功能单位，肠黏膜上皮细胞又是位于肠绒毛顶部最主要的功能型细胞。肠黏膜上皮细胞起源于隐窝细胞，隐窝底部的细胞不断进行有丝分裂，完成分裂后在其他细胞的推动下逐渐移动到小肠绒毛的顶部，直至脱落，这样就完成了一次更新过程。肠黏膜上皮细胞主要由吸收细胞、杯状细胞、少量内分泌细胞和潘氏细胞组成，其中吸收细胞在肠绒毛上皮细胞中占95%，并发挥着主要作用。肠黏膜上皮细胞有多种生物学功能，它能够直接参与肠道内营养物质的消化和吸收过程，又能阻止外来抗原的侵入，发挥屏障功能，也可以在肠黏膜免疫中发挥调节作用。肠黏膜上皮细胞在维持其高度有序的复杂结构和生物学功能发挥的过程中，均需要营养物质和能量的供给。

2 肠黏膜上皮细胞对葡萄糖的利用和需求特点

葡萄糖是哺乳动物生长、繁殖及大量生命活动的主要能源物质。日粮中的碳水化合物经过胃肠道的消化分解形成葡萄糖，再通过耗能的主动转运被小肠黏膜上皮细胞吸收。研究表明，单糖和二糖在小肠内的消化率几乎为100%，但其中95%的葡萄糖会进入肝门静脉，一部分（10%～15%）会被肝脏吸收用来合成糖原和有限的代谢；另一部分（85%～90%）会进入全身血液用于肝外组织（如心脏、大脑、骨骼肌和淋巴结）的代谢。未入肝门静脉余下的5%葡萄糖会直接被小肠代谢，这部分葡萄糖可为小肠提供所需能量的5%～10%，同时葡萄糖代谢也为小肠细胞内氨基酸和脂肪酸的合成提供了所需的还原型辅酶II（NADPH），对于维持细胞的生命活动具有重要意义。

葡萄糖能否高效利用的关键限速步骤是葡萄糖的转运，葡萄糖不能直接穿透细胞膜，需要借助质膜中特定的转运载体进入细胞。肠道内葡萄糖的转运载体主要包括位于小肠黏膜刷状缘上的Na依赖性葡萄糖转运载体（SGLT）和葡萄糖易化转运载体（GLUT）两大类。其中SGLT1和GLUT2在肠黏膜上皮细胞吸收葡萄糖的过程中起着重要的作用。SGLT-1是位于小肠黏膜细胞顶端且吸收葡萄糖和半乳糖的主要转运载体；GLUT-2是一种位于肠黏膜上皮细胞基底外侧膜且具有高承载量的葡萄糖转运载体，可以通过它完成小肠上皮细胞向固有层转运大量葡萄糖的过程。研究显示，不同浓度葡萄糖处理IPEC-J2，可在短时间内影响SGLT1的mRNA表达量，当葡萄糖浓度为75 mmol/L处理细胞40 min时，SGLT1的mRNA表达量最高，且可促进细胞增殖。这说明转运载体在葡萄糖吸收利用的过程中起重要作用，通过上调自身蛋白表达量协助营养物质高效进入细胞。由于不同组织细胞对葡萄糖代谢需求不同，同类转运载体以其不同的类型发挥不同的功能。大脑中葡萄糖异化转运载体主要以GLUT1和GLUT3发挥功能，GLUT1能够介导葡萄糖跨血脑屏障，从而被大量利用，即使在血糖浓度很低（正常值下限）时也可以轻松把葡萄糖转运到大脑。而肌肉中SGLT3和GLUT4为主要的葡萄糖转运载体，肌肉收缩可通过不同机制调节GLUT4的表达，从而促进葡萄糖的跨膜转运。可见，转运载体的特定作用对维持小肠黏膜上皮细胞的正常糖代谢起重要作用。葡萄糖转运至肠黏膜上皮细胞后，通过氧化磷酸化和糖酵解途径为细胞提供能量。当氧气充足时，葡萄糖糖酵解的中间代谢产物——丙酮酸会转化为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环后，彻底氧化产生32分子三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP），氧气不足时，会通过糖酵解产能，但每分子仅产生2分子ATP，氧化磷酸化是正常状态下肠上皮细胞中葡萄糖的主要供能方式。

综上所述，小肠黏膜上皮细胞对葡萄糖的吸收和转运过程中，两类特异性且相互配合的载体起重要作用，SGLT1在细胞的游离面协助葡萄糖进入细胞，而GLUT2在细胞的基底面介导葡萄糖转运至血液中。肠上皮细胞是葡萄糖的“转运站”，而不是葡萄糖的“焚烧场”，消化道中的葡萄糖必须经过肠上皮细胞进入体内，而仅有很少一部分被肠上皮细胞利用，为肠上皮细胞的生长和发挥其生物学功能提供所需物质和能量。

3 肠黏膜上皮细胞对氨基酸的利用和需求特点

在仔猪肠道发育过程中，氨基酸起着重要的作用。研究结果证明，日粮中的谷氨酰胺（Gln）、谷氨酸盐和天冬氨酸盐可共同为猪小肠黏膜提供80%以上的能量，是小肠黏膜的主要代谢燃料，而非葡萄糖。尤其是在促进肠黏膜更新和保持肠道结构等方面具有重要作用。Stoll等研究表明，几乎100%的日粮中Gln在通过生长猪小肠时都被消耗。Fleming等在空肠上皮细胞培养基中分别加入Gln、葡萄糖、丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，发现肠黏膜上皮细胞对Gln氧化速度最快，且在Gln足量的情况下可节省葡萄糖的氧化。Gln和谷氨酸（Glu）在猪肠上皮细胞中氧化生成二氧化碳（CO）的量高于葡萄糖。以上研究均表明Gln和Glu在肠上皮细胞内优先且大量氧化。

Gln在肠道内的大量氧化与其功能有关，它既是许多重要物质（如蛋白质、嘌呤、嘧啶和核苷酸等）合成所需的前体，也是肠上皮细胞增殖的重要能源物质。Gln的结构决定了它能为其他氨基酸、蛋白质和核酸的合成提供氮源，Gln在谷氨酰胺酶的作用下生成Glu，然后在转氨酶的作用下为生成丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、鸟氨酸等提供底物；在嘌呤和嘧啶的合成过程中，Gln的分解产物作为前体物质参与细胞合成DNA和RNA。整个过程中，Gln的分解作用占主要地位，而在肌肉、肝脏、大脑、肺和脂肪细胞中则相反，Gln的合成反应占明显优势。Gln的另一个重要作用则是能够为细胞生命活动提供能量，Gln的结构也决定它可以像葡萄糖一样提供碳链，经过氧化后释放能量。在肠黏膜细胞中1 mol Gln 氧化后可生成2分子CO和9 mol ATP，不生成CO的其他3个碳参与了其他能量代谢。Gln为肠黏膜上皮细胞提供能量，主要是通过高度亲和的Na依赖性载体系统进入肠上皮细胞，正常生理条件下，这是Gln转运的主要途径。特殊情况下，低亲和性的非Na依赖性载体系统也起作用。Gln进入肠黏膜细胞后，在线粒体中水解生成谷氨酸，经三羧酸循环转化为-酮戊二酸，氧化生成ATP，从而满足肠内ATP依赖的代谢途径所需要的能量，包括营养物质的主动运输、细胞内蛋白质的转化以及上皮细胞的增殖和迁移。Gln代谢过程中，谷氨酰胺代谢酶（谷氨酰胺分解酶和谷氨酰胺合成酶）起重要作用，这两类酶扮演着特异性的角色，在肠黏膜上皮细胞内的谷氨酰胺分解酶数量高于其他组织，而合成酶含量则非常低，这也支撑了Gln在肠道内以分解代谢为主。

Glu和天冬氨酸（Asp）也是肠黏膜上皮细胞的重要能源物质，同时Glu和Asp在肠道中主要通过转氨基作用转化为其他基底物质，如谷胱甘肽、精氨酸和瓜氨酸等。Glu少量在胃内被吸收，大部分（约95%）在肠道中被分解，而在其他组织中Glu的分解代谢较弱，如在肌肉组织中仅有15%被氧化分解，在肝脏中Glu表现为净合成。在肠道中，Glu是通过高亲和力的谷氨酸转运载体和转运系统进入肠上皮细胞再转运到血液循环系统中，几乎所有的Glu都是通过肠黏膜上的兴奋性氨基酸转运子3（EAAT 3）转运至细胞内。Asp在肠道内和-酮戊二酸通过转氨作用形成Glu和草酰乙酸，草酰乙酸在O充足时参与TCA循环，为组织细胞提供能量。与Gln相同，Glu和Asp均可作为合成嘌呤或嘧啶的前体物质，也是主要通过氧化方式为细胞提供能量。

以上研究结果证明，氨基酸（Gln、Glu和Asp）在肠道内的代谢量高于其他组织，它们既是合成嘌呤、嘧啶和核甘酸的前体物质和必需底物，也是体内循环代谢的中间物。由此判断，氨基酸既是肠黏膜上皮细胞生命活动优先选择的能量供体，也是主要的氮源和碳骨架，也就是说氨基酸既是小肠黏膜上皮细胞的结构性需求物质，也是重要的消耗性能源物质。

4 肠黏膜上皮细胞对脂肪酸的利用和需求特点

脂肪酸也可作为肠上皮细胞的能源物质，同时也能构成细胞膜的脂质部分，还是细胞内部多种信号分子的组成物质。脂肪酸进入肠道细胞后，在胞浆中被活化，形成脂酰CoA后进入线粒体中发生-氧化，也可为肠黏膜上皮细胞的增殖和分化提供部分营养和能量。在肠上皮细胞中，中链脂肪酸（MCFA）可以直接快速供能，但大部分MCFA会直接经门静脉血输送至肝脏，为机体提供能量。短链脂肪酸与中链脂肪酸功能类似，但基本都是作为结肠上皮细胞的主要燃料，提供结肠上皮细胞所需能量的60%～70%，对维持结肠黏膜的正常代谢、调节结肠细胞的生长和增殖必不可少。近年来也有研究发现，短链脂肪酸在空肠中也发挥一定作用，能够促进空肠上皮细胞的增殖和生长。长链脂肪酸也可被吸收进入小肠上皮细胞，但需要脂肪酸结合蛋白（FABP）把大部分长链脂肪酸从细胞膜转运到氧化的部位。小肠黏膜上皮细胞的代谢需要脂肪酸参与，但杨袁研究发现，低浓度不同链长脂肪酸处理IPEC-J2 细胞后，会促进肠黏膜上皮细胞的分化，随着浓度和处理时间的增加，不同链长脂肪酸会抑制细胞增殖，甚至诱导细胞凋亡。而在不同的组织细胞中，脂肪酸的需求量存在较大差异，心肌60%～70%的供能来自脂肪，脂肪能够为其供给更长期稳定的能源。小肠黏膜上皮细胞的生命活动虽然离不开脂肪酸，但对脂肪酸的需求量较低，适当的供给量，可能会使肠黏膜上皮细胞的功能得到有效发挥。

5 小 结

综上所述，猪小肠黏膜上皮细胞功能的正常发挥，离不开葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，这些物质为肠上皮细胞的各种生命活动提供了营养和能量，但在需求量和利用方式上与其他组织细胞相比存在较大差异。猪小肠黏膜上皮细胞对氨基酸利用的最多，尤其是Gln、Glu和Asp。研究已证明氨基酸既是小肠黏膜上皮细胞的结构性需求物质，也是细胞的能量供体物质，而葡萄糖不能储存于细胞中，只能为细胞代谢过程提供瞬时且高效的能量；脂肪酸的需求较少，过高会对细胞产生负面影响。据此，需要按细胞的能量需求和生物合成需求考虑其对营养物质需求的差异性，同时结合细胞能量代谢和生物结构合成过程中的需求，保障肠黏膜上皮细胞生命活动的营养供给平衡，避免能源物质结构性失衡影响细胞生物学功能的发挥。探讨小肠黏膜上皮细胞代谢过程中能源物质的需求，可为仔猪肠道健康发育和精准营养的日粮配制提供参考依据。