動物小腸粘膜上皮細胞的能量營養(yǎng)

　　摘要 小腸粘膜承擔著動物體多種重要生理功能，粘膜上皮細胞的損傷及其功能的紊亂關系到消化系統(tǒng)自身穩(wěn)定和動物體的健康。小腸粘膜上皮細胞的自身更新、高度有序結構的維持和各種生理功能的進行需要能量，飼糧谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和動脈谷氨酰胺是上皮細胞的主要燃料。本文對小腸粘膜結構及上皮細胞遷移、粘膜上皮細胞能量流向、能量來源以及小腸粘膜營養(yǎng)對斷奶仔豬腸道發(fā)育的影響進行了綜述。

 

　　關鍵詞 小腸粘膜；上皮細胞；能量營養(yǎng)；谷氨酰胺

　　動物在生命活動中，必須經(jīng)常從外界環(huán)境攝取營養(yǎng)物質(zhì)，作為機體活動和組織生長的物質(zhì)和能量來源。食物中的營養(yǎng)物質(zhì)大多不能被動物直接吸收利用，必須經(jīng)消化道內(nèi)加工，轉(zhuǎn)變成結構簡單的可溶性小分子物質(zhì)，才能透過消化道上皮進入血液和淋巴，供機體組織利用。因而，營養(yǎng)的首要過程是消化吸收，腸道是動物消化吸收的主場所，腸道的正常發(fā)育和健康關系到動物整體健康和良好生產(chǎn)性能，意義甚大。

　　腸道不僅是營養(yǎng)物質(zhì)消化和吸收的重要場所，而且是營養(yǎng)物質(zhì)代謝的主要器官（張軍民，2000）。腸道局部營養(yǎng)尤其是小腸粘膜細胞的能量營養(yǎng)是營養(yǎng)學的重要組成部分，它不僅是小腸自身正常發(fā)育所必需的，也是消化、吸收等諸多生理過程能夠正常進行所必需的。重視小腸本身的營養(yǎng)，強調(diào)小腸粘膜營養(yǎng)在動物營養(yǎng)中的作用，盡量減少腸道結構和形態(tài)的變化，從而為動物正常生存和發(fā)育提供良好的物質(zhì)基礎。

　　1 小腸粘膜結構和細胞遷移

　　小腸壁的結構可分為四層，自內(nèi)向外依次為粘膜層、粘膜下層、肌層和外膜。粘膜層是由上皮、固有膜和粘膜肌層組成。小腸粘膜主要由腸上皮細胞和分散其間的杯狀細胞組成。

　　小腸粘膜層的表面形成指狀突起??小腸絨毛，在絨毛底部有成單管狀的隱窩，兩者的上皮互相連接。在胚胎時期，小腸上皮細胞由腸粘膜下層的細胞分化，分化的細胞停留于隱窩。隱窩底部的上皮細胞不斷進行有絲分裂，完成有絲分裂的細胞在其它細胞的推動下逐漸從隱窩向絨毛移行，最后到達小腸絨毛頂端并脫落，脫落的腸道上皮細胞進入腸腔并隨糞便排出體外，成為內(nèi)源性物質(zhì)的一部分。通過不斷分裂和脫落，小腸上皮細胞處于一種動態(tài)平衡，這種動態(tài)平衡持續(xù)于動物的一生。這個過程稱為粘膜細胞的遷移，遷移所需的時間稱為細胞周轉(zhuǎn)（向土壽，1990）。

　　粘膜上皮細胞間連接緊密，成熟的腸上皮細胞突出在絨毛的頂部，不斷被更新，在所有的組織中其周轉(zhuǎn)率最高。正常情況下，成年動物小腸粘膜上皮細胞大約2~4天全部更新一次，在新生動物，細胞周轉(zhuǎn)大約需7~10天（向土壽，1990），如果幼齡動物的腸粘膜上皮細胞被損害則其比成年動物更難恢復。

　　小腸的功能單位是絨毛，作為絨毛的功能細胞??腸上皮細胞起源于不同的隱窩細胞，在隱窩處腸上皮細胞是分泌性的，當它移行到絨毛的一側，成熟為吸收的絨毛細胞，微絨毛變長、細胞數(shù)目增多且消化酶發(fā)育，如果絨毛頂端被損害，成熟的吸收細胞丟失產(chǎn)生消化酶凈分泌的能力；選擇損傷不成熟的隱窩細胞，理論上應該產(chǎn)生有利的影響，但實際上造成嚴重的絨毛細胞更新紊亂，其后果與絨毛頂端損傷相同。組織學上絨毛變短和融合就是所謂的“絨毛萎縮”，它導致粘膜功能性表面積減少，吸收能力下降（張軍民，2000）。

　　2 小腸粘膜上皮細胞的能量流向

　　活細胞的生命活動表現(xiàn)為遺傳、代謝和生理等活動。這些活動無不與物質(zhì)的有關化學反應有關。與非生物界一樣，細胞的化學反應也涉及到能量的轉(zhuǎn)化。細胞是高度有序的復雜結構，要維持這樣的有序結構要消耗能量，細胞一旦失去能量供應，就要解體死亡。從本質(zhì)上講，細胞生命活動就是能量轉(zhuǎn)化過程。

　　2.1 細胞分裂

　　小腸粘膜上皮細胞的分裂即有絲分裂包括核分裂和細胞質(zhì)分裂。分裂是上皮細胞增殖的前提和物質(zhì)基礎，失去分裂能力的細胞，增殖就無從談起。

　　2.2 胞質(zhì)分裂

　　動物的小腸粘膜上皮細胞在有絲分裂后中央形成一個收縮環(huán)，將一個細胞分裂成兩個子細胞，這個過程稱為胞質(zhì)分裂。通過胞質(zhì)分裂，小腸粘膜上皮細胞一分為二，新細胞形成后，逐步向絨毛頂端遷移，以補充小腸粘膜脫落的細胞，維持動物小腸粘膜的完整和健康。

　　2.3 細胞運動

　　肌肉收縮是一種特殊的細胞運動。動物的小腸粘膜上皮細胞具有類似肌肉收縮的運動和類似肌絲滑動模型的分子運動機理。上皮細胞中排列有整齊的激動蛋白絲，依靠這些微絲，小腸絨毛可以不停的運動，促進小腸吸收營養(yǎng)物質(zhì)。

　　2.4 物質(zhì)運輸

　　物質(zhì)運輸是小腸粘膜上皮細胞最重要的生物學功能，依靠這種功能，上皮細胞可以把多種消化后的營養(yǎng)物質(zhì)由腸腔轉(zhuǎn)運至血液和淋巴系統(tǒng)，供給腸外組織利用。小腸粘膜上皮細胞的主動吸收過程主要靠細胞的代謝活動，是一種需要消耗能量的、逆電化學梯度的吸收過程。營養(yǎng)物質(zhì)的主動吸收需要由細胞膜上載體協(xié)助，須有酶的催化和供給能量。

　　2.5 信號轉(zhuǎn)導

　　信號轉(zhuǎn)導是生物細胞的一種重要功能。小腸粘膜細胞也存在著類似過程。酸性胃食糜刺激十二指腸和空腸的粘膜，使腸粘膜分泌促胰液素的過程就存在著一系列信號的轉(zhuǎn)導過程。信號的轉(zhuǎn)導也需消耗粘膜上皮細胞的能量。

　　3 小腸粘膜上皮細胞的能量來源

　　小腸粘膜上皮細胞除維持自身結構完整外，還承擔機體多種重要生理功能，如營養(yǎng)吸收、各類活性分子的轉(zhuǎn)運和分泌等，這些生理過程的進行以及自身結構完整的維持、更新都需消耗能量。小腸粘膜細胞能量供應不足，就會引起上皮細胞損傷及其功能紊亂，進而引起消化系統(tǒng)的重要疾病、感染甚至整個動物機體的病理狀態(tài)。

　　3.1 谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸

　　飼糧谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和動脈谷氨酰胺是小腸粘膜的主要燃料，為諸如營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移和高效率的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)等腸道ATP依賴性的代謝過程提供能量（Burrin和Reeds，1977），谷氨酰胺亦是腸道粘膜細胞分裂及組織生長所必需（徐永平等，2000）。

　　用離體大鼠小腸的灌注標本及自動灌注大鼠空腸的活體標本，Windmueller和Spaeth（1978）以示蹤法研究了谷氨酰胺碳和氮的代謝終產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)近三分之二的谷氨酰胺碳被氧化為二氧化碳，谷氨酰胺氮則以氨、丙氨酸、瓜氨酸和脯氨酸出現(xiàn)。在粘膜細胞谷氨酰胺的調(diào)節(jié)下，其終產(chǎn)物進入門脈循環(huán)，因此，谷氨酰胺無論從小腸粘膜刷狀緣或從動脈經(jīng)基底側膜進入粘膜細胞有相同的代謝方式。在隨后的一系列研究中，Windmueller和同事們也發(fā)現(xiàn)腸腔中的谷氨酸和天冬氨酸的廣泛利用情況。發(fā)現(xiàn)成年鼠吸收這些氨基酸后，小腸可利用25%~33%的動脈谷氨酰胺，占全身谷氨酰胺利用的30%，但與谷氨酰胺相比，動脈谷氨酸和天冬氨酸在小腸中的周轉(zhuǎn)微不足道。然而腸內(nèi)給予谷氨酸和天冬氨酸，象谷氨酰胺一樣被小腸粘膜代謝，鼠空腸分別代謝大約66%、99%和大于99%的腸內(nèi)谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸，日糧中絕大多數(shù)谷氨酰胺和幾乎所有的谷氨酸和天冬氨酸不進入門脈循環(huán)，從而不被腸外組織所利用（張軍民，2000）。

　　谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸的代謝途徑及代謝酶的活性在大鼠小腸中已被量化，大鼠空腸谷氨酰胺代謝所產(chǎn)生的氨、瓜氨酸、丙氨酸和脯氨酸各占37.9%、27.6%、24.4%和7.2%。與谷氨酰胺相比，谷氨酸和天冬氨酸在小腸中很少或不產(chǎn)生氨，揭示了轉(zhuǎn)氨基在代謝中很少或不產(chǎn)生氨，揭示了轉(zhuǎn)氨基在代謝中的主要作用。成年大鼠小腸中二氧化碳、乳糖、丙氨酸和血糖各占粘膜谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸總碳代謝的56%~64%、16%~20%、4%~8%和2%~10%。在同一次相同飼喂條件下，動脈谷氨酰胺的氧化、腸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腸產(chǎn)生二氧化碳中各占38%、39%和6%。這些結果表明氨基酸而非血糖是小腸粘膜的主要燃料（Dudley，1998）。

　　3.2 葡萄糖、酮體和短鏈脂肪酸

　　小腸細胞葡萄糖的攝入率與谷氨酰胺的攝入率相同，而對小腸上皮細胞的氧化燃料而言，谷氨酰胺比葡萄糖重要。

　　靜脈灌注酮體可以促進實施了結腸吻合術的大鼠的傷口的愈合，較使用葡萄糖或氨基酸時的恢復速度要快。酮體是否能促進小腸粘膜的損傷修復和更新以及在某些條件下，酮體是否是上皮細胞的燃料，目前有關資料較少。

　　富含復雜碳水化合物的飼糧在大腸中經(jīng)細菌的發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸而被吸收。研究結果表明：短鏈脂肪酸在維持腸道健康上起著巨大作用，富含可發(fā)酵纖維的飼糧通過向腸道提供短鏈脂肪酸形式的即時可用燃料來防止腸道的萎縮。短鏈脂肪酸，特別是丁酸是后部腸道首選的可氧化燃料。研究表明，到達后腸的飼糧纖維產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可能反過來影響小腸的腸道結構和能量代謝。許多研究發(fā)現(xiàn)，飼喂高纖維飼糧的生長豬與飼喂低纖維飼糧的相比，在空腸有更高的隱窩相對增殖率，這相當于增加了小腸粘膜上皮細胞的相對周轉(zhuǎn)率。小腸隱窩加深的原因可能是大腸產(chǎn)生短鏈脂肪酸增加，其反過來刺激小腸隱窩產(chǎn)生。

　　絕大多數(shù)飼糧纖維的發(fā)酵需要24~72h，而短鏈脂肪酸的吸收滯后于攝食。在進食后而小腸尚無局部可利用養(yǎng)分的情況下，后腸中飼糧纖維的發(fā)酵可以調(diào)節(jié)氮架和碳架的分解代謝以維持胃腸道上皮細胞的正常增殖和功能。這對于以間斷進食為特征的單胃動物可能是必要的，有利于提高其代謝效率。

　　4 小腸粘膜細胞的能量營養(yǎng)對仔豬腸道發(fā)育的影響

　　豬的小腸一生可發(fā)生兩次形態(tài)學、組織學的變化，其一為初生，其次為斷奶。仔豬從胚胎開始通過細胞增殖、生長及組織變化過程，促進上皮細胞分裂、成熟及其功能的分化，但其在小腸結構和功能不太健全的狀態(tài)下出生（韓仁圭，2000）。

　　仔豬斷奶后必需很快適應由流質(zhì)母乳轉(zhuǎn)變?yōu)楦煞酃腆w飼料這一過程，這對仔豬是一個很大的應激。由于斷奶仔豬不再能吮食母乳和短期內(nèi)的短采食量，可能引起小腸粘膜細胞代謝所需的供能物質(zhì)??谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸的缺乏，細胞不能獲得進行多種生理活動所需的能量，導致小腸粘膜的形態(tài)、結構異常，絨毛長度變短且隱窩變深，從而造成生產(chǎn)性能的下降（Wu等，1995）。

　　Wu等（1996）在21日齡斷乳仔豬的玉米?豆粕型飼糧中分別添加0.0%，0.2%，0.6%和1.0%的游離谷氨酰胺，結果證明，添加1.0%的谷氨酰胺在斷乳后第一周可防止空腸絨毛的萎縮，第二周可降低料重比，即提高飼料利用率。

　　谷氨酰胺和谷氨酸是腸道主要的能源物質(zhì)，在許多物種包括豬中，腸道都是利用谷氨酰胺和谷氨酸最多的器官。彭健等（2000）研究結果充分表明，在斷奶仔豬飼糧中添加1%的谷氨酰胺或谷氨酸，可維持小腸粘膜的正常形態(tài)、結構和功能，防止斷乳后7天內(nèi)空腸的萎縮。研究者認為，這可能是谷氨酰胺和谷氨酸作為小腸的主要能量物質(zhì)在斷奶應激時促進了腸粘膜細胞的增殖和受損腸上皮的修復。

　　另外，Pluske（1996）報道，連續(xù)5d飼喂羊奶的斷奶仔豬小腸粘膜上皮細胞谷氨酰胺的代謝增加，隱窩深度隨谷氨酰胺的采食線性降低。

　　5 結語

　　小腸粘膜上皮細胞是高度有序的復雜結構，要維持這樣的有序結構需要消耗能量。上皮細胞還承擔著多種重要生理功能，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、信號的轉(zhuǎn)導等均是需要消耗細胞能量的過程。因而，小腸粘膜細胞需要巨大的能量供給，一旦失去能量供應，細胞就要解體死亡。

　　大量研究證明，小腸粘膜上皮細胞的更新是一個耗能的過程，降低上皮細胞的更新可節(jié)約部分能量用于動物生長。Yen（1988）報道，在豬用于維持需要的能量中，腸道大約占24%。Menten等在仔豬飼糧中添加高銅，發(fā)現(xiàn)粘膜細胞有絲分裂指數(shù)發(fā)生了變化。另有研究表明，飼糧中添加卡巴氧可降低腸道對氧的需要量，這可能對降低腸道維持能量的需要有益。許多研究表明添加抗生素可以減輕動物的小腸重量，使腸壁變薄促進動物生長，結合小腸粘膜細胞的能量營養(yǎng)，原因可能是小腸重量的降低減少了維持的需要和改變了細胞的周轉(zhuǎn)。

　　許多研究表明，飼糧谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸和動脈谷氨酰胺是小腸粘膜的主要燃料，而非血糖，為諸多營養(yǎng)物質(zhì)吸收周轉(zhuǎn)和高效率的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)等腸道ATP依賴性的代謝過程提供能源。許多觀點支持飼糧氨基酸??谷氨酰胺和谷氨酸在維持腸道重量和完整性方面有重要作用。但短鏈脂肪酸、胴體等對小腸粘膜上皮細胞是否具有直接的營養(yǎng)作用，有關文獻較少，有待進一步研究。

　　隨著養(yǎng)豬技術的發(fā)展和生產(chǎn)集約化程度的不斷提高，隔離早期斷奶（SEW）將應用于畜牧生產(chǎn)實踐，盡管可提高母豬繁殖力，減少疾病的垂直傳播，但經(jīng)常導致斷奶仔豬小腸粘膜形態(tài)、結構和功能的異常。飼料中添加小腸粘膜細胞代謝所需的能量物質(zhì)，如谷氨酰胺和谷氨酸等，可以維持小腸粘膜上皮細胞形態(tài)、結構和功能的完整，緩解斷奶應激，提高斷奶仔豬的消化吸收能力，對養(yǎng)豬生產(chǎn)具有重要意義。