備課素材：γ－氨基丁酸及其功能 高二上學(xué)期生物人教版選擇性必修1

γ－氨基丁酸及其功能先看一道試題：γ-氨基丁酸在神經(jīng)興奮傳遞過程中的作用機(jī)理如下圖①所示；某種局部麻醉藥單獨(dú)使用時(shí)不能通過細(xì)胞膜，如與辣椒素同時(shí)注射才會(huì)發(fā)生如圖②所示效果．仔細(xì)分析下圖1和圖2，據(jù)圖回答下列問題．

（1）神經(jīng)遞質(zhì)只能由釋放，作用于，并可以使下一個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生．在特定情況下，突觸釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，也能使和某些腺體分泌．

（2）由圖1可知γ-氨基丁酸與的受體結(jié)合，促進(jìn)Cl-內(nèi)流，（促進(jìn)或抑制）突觸后膜產(chǎn)生興奮．

（3）神經(jīng)細(xì)胞興奮時(shí)，膜外電位．由圖2可知局麻藥作用于突觸后膜的Na+通道，阻礙Na+（內(nèi)流或外流），抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮．

（4）由圖判斷γ-氨基丁酸應(yīng)該屬于（興奮性或抑制性）神經(jīng)遞質(zhì)．局麻藥（屬于或不屬于）神經(jīng)遞質(zhì)．解析：據(jù)圖分析：圖1中，突觸前膜釋放的γ-氨基丁酸能夠促進(jìn)突觸間隙的Cl-內(nèi)流，所以是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)．圖2中，局麻藥和γ-氨基丁酸的作用效果相同，都可以阻止鈉離子內(nèi)流，但作用機(jī)理不同．（1）由于神經(jīng)遞質(zhì)只存在于突觸前膜的突觸小泡中，只能由突觸前膜釋放，并作用于突觸后膜，引起一個(gè)神經(jīng)元興奮或抑制．在特定情況下，突觸釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，也能使肌肉收縮和某些腺體分泌．

（2）由圖1知，γ-氨基丁酸與突觸后膜的受體結(jié)合，Cl-通道打開，促進(jìn)Cl-內(nèi)流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮．

（3）神經(jīng)細(xì)胞興奮時(shí)，膜電位由內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)．據(jù)圖2知，局部麻醉藥單獨(dú)使用時(shí)，突觸后膜的Na+通道未打開，阻礙Na+內(nèi)流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮．

（4）γ-氨基丁酸屬于抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，而局麻藥不屬于神經(jīng)遞質(zhì)．

答案為

（1）突觸前膜

突觸后膜

興奮或抑制

肌肉收縮

（2）突觸后膜

抑制

（3）由正變負(fù)

內(nèi)流

（4）抑制性

不屬于本題以γ－氨基丁酸為情境材料考查神經(jīng)興奮在突觸間傳遞過程的相關(guān)知識(shí)，意在考查考生獲取信息的能力和運(yùn)用這些信息，結(jié)合所學(xué)知識(shí)解決相關(guān)生物學(xué)問題的能力。教材對(duì)“γ－氨基丁酸”沒有提到。那么，γ－氨基丁酸是什么？有哪些功能？γ－氨基丁酸是一種化合物，化學(xué)式是C?H9NO?，別名4－氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，簡(jiǎn)稱GABA），是一種氨基酸，在脊椎動(dòng)物、植物和微生物中廣泛存在。GABA呈白色結(jié)晶體粉末狀，沒有旋光性。熔點(diǎn)195-204℃（分解），與水混溶，微溶于乙醇、丙酮，不溶于苯、乙醚，分解時(shí)會(huì)失水生成吡咯烷酮。GABA在溶液中常以兩性離子（帶負(fù)電荷的羧基和帶正電荷的氨基）形式存在，由于正負(fù)電荷基團(tuán)間的靜電相互作用，使得GABA在溶液中能夠兼具氣態(tài)（折疊態(tài)）和固態(tài)（伸展態(tài)）時(shí)的分子構(gòu)象，而GABA在溶液中多分子構(gòu)象共存的形式，使其能夠結(jié)合多種受體蛋白并發(fā)揮多種重要生理功能。植物組織中GABA的含量極低，通常在0.3～32.5μmol/g之間。已有文獻(xiàn)報(bào)道，植物中GABA富集與植物所經(jīng)歷脅迫應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，在受到缺氧、熱激、冷激、機(jī)械損傷、鹽脅迫等脅迫壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致GABA的迅速積累。對(duì)植物性食品原料采用某種脅迫方式處理后，或通過微生物發(fā)酵作用使其體內(nèi)GABA含量增加，用這種原料加工成富含GABA的功能產(chǎn)品已成為研究熱點(diǎn)。GABA作為一種新型功能性因子，已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。利用富含GABA的發(fā)芽糙米、大豆和蠶豆等原料開發(fā)的食品已面市。GABA相關(guān)的研究實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一：研究口服給予γ-氨基丁酸對(duì)改善小鼠睡眠的影響。方法：將小鼠分為A,B,C三批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每批五組，分別為陰性對(duì)照組，陽性對(duì)照組和低、中、高劑量組.連續(xù)給予γ-氨基丁酸(50，100，150mg/kg)30天，進(jìn)行了四項(xiàng)睡眠功效評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：中、高劑量γ-氨基丁酸口服后，可以延長(zhǎng)睡眠時(shí)間，增加閾下劑量入睡動(dòng)物數(shù)，不能縮短睡眠潛伏期.各組均無直接睡眠作用.結(jié)論:本實(shí)驗(yàn)條件下，γ-氨基丁酸經(jīng)口服具有改善睡眠的功效。實(shí)驗(yàn)二：富含GABA酸奶80mg/kg，160mg/kg劑量組小鼠入睡率均由0顯著提高至60%(p<0.05)；富含GABA酸奶(80mg/kg)組能將小鼠睡眠時(shí)長(zhǎng)由43.40min顯著延長(zhǎng)至156.20min(p<0.05);在失眠實(shí)驗(yàn)中，與失眠模型組比，富含GABA酸奶能夠顯著增加失眠小鼠腦組織中抑制性氨基酸GABA和Gly的含量(p<0.05),GABA含量升至1.10ng/mL，Gly含量升至28.78ng/mL.本研究結(jié)果顯示,富含GABA酸奶能夠有效延長(zhǎng)ICR小鼠的睡眠時(shí)長(zhǎng)，改善小鼠的失眠狀態(tài)，其機(jī)制與增加小鼠腦內(nèi)抑制性遞質(zhì)GABA及Gly的含量有關(guān)。GABA長(zhǎng)久以來被認(rèn)為與植物多種應(yīng)激和防御系統(tǒng)有關(guān)。GABA會(huì)隨著植物受到刺激而升高，被認(rèn)為是植物中響應(yīng)于各種外界變化、內(nèi)部刺激和離子環(huán)境等因素如pH、溫度、外部天敵刺激的一種有效機(jī)制。GABA還可以調(diào)節(jié)植物內(nèi)環(huán)境如抗氧化、催熟、保鮮植物等作用。近年來GABA在植物中也被發(fā)現(xiàn)作為信號(hào)分子在植物中傳遞擴(kuò)大信息。GABA曾在大豆、擬南芥、茉莉、草莓等植物中相繼發(fā)現(xiàn)。低濃度的GABA有助于植物生長(zhǎng)發(fā)育，高濃度下又會(huì)起相反的作用。對(duì)外部酸化的響應(yīng)低pH下GABA會(huì)在細(xì)胞內(nèi)快速增加，這種GABA的積累在微生物和動(dòng)物中也存在。植物在酸性pH下細(xì)胞內(nèi)H+隨之升高，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)GABA含量增加。該GABA的合成過程消耗H+，使得細(xì)胞內(nèi)酸化得到緩解。在微生物中也存在這種快速的反應(yīng)機(jī)制，在產(chǎn)生GABA的同時(shí)，會(huì)增加質(zhì)子呼吸鏈復(fù)合物的表達(dá)，促進(jìn)ATP合成。并且上調(diào)F1F0-ATP水解酶活性，促進(jìn)酸性條件下ATP依賴的H+排出過程。在動(dòng)物中，細(xì)胞也會(huì)向外排出GABA和谷氨酸以此來改變細(xì)胞外環(huán)境的pH。更重要的是，GABA在生理環(huán)境下為兩性離子，因此在酸堿調(diào)節(jié)中發(fā)揮著一定作用。對(duì)昆蟲的防御作用GABA有助于植物對(duì)外界天敵的防御。當(dāng)昆蟲取食時(shí)由于植物受傷導(dǎo)致細(xì)胞破裂和組織受傷，這種機(jī)械切割會(huì)刺激植物中Ca2+的增加，植物在Ca2+刺激下分泌GABA作為一種抵御昆蟲取食的措施。在此過程中不存在茉莉酸類信號(hào)參與GABA的積累。昆蟲存在離子型GABA受體，其中果蠅的GABA門控氯離子通道亞基RDL（resistanttodieldrin）是許多殺蟲劑藥物的作用靶標(biāo)。GABA誘導(dǎo)使得GABA受體的單電流降低。具體為GABA在無脊椎動(dòng)物中通過GABA受體門控的氯離子通道起作用，與大多數(shù)殺蟲劑相同，通過GABA受體氯離子通道，使Cl－在電化學(xué)梯度的驅(qū)使下流向下游，導(dǎo)致質(zhì)膜超極化，并抑制昆蟲取食。而在過量表達(dá)GABA的煙草植物中，接種北方線蟲，發(fā)現(xiàn)其雌性成年線蟲的繁殖能力整體下降，這種方式可以使植物達(dá)到防御天敵的效果。在對(duì)女貞子被草食女娥幼蟲取食過程中，發(fā)現(xiàn)女貞子會(huì)降低自身賴氨酸活性使得蛋白質(zhì)無營(yíng)養(yǎng)，而女娥幼蟲在此期間會(huì)分泌甘氨酸、β-丙氨酸、胺等分子抑制植物賴氨酸的減少，這種植物與草食昆蟲的交流過程也證明了GABA作為信號(hào)分子的功能。對(duì)高等生物在高溫和冷凍下的保護(hù)作用在小麥開花期間噴灑GABA（200mg/L），可以調(diào)節(jié)膜穩(wěn)定性，增加抗氧化能力等，減少了小麥高溫下的損失；外源GABA的施用對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)也有明顯的作用。高溫會(huì)抑制中樞GABA能神經(jīng)元活性，激活膽堿類神經(jīng)系統(tǒng)并引起體溫升高。長(zhǎng)期處于高溫下，下丘腦的GABA能神經(jīng)元活性會(huì)增加以適應(yīng)環(huán)境和調(diào)節(jié)體溫。GABA會(huì)在血漿中升高進(jìn)而抑制冷敏神經(jīng)核血漿中兒茶酚胺的濃度，達(dá)到降低食道溫度的目的。低溫會(huì)降低植物的生物合成能力，對(duì)重要功能造成干擾，并產(chǎn)生永久性傷害。動(dòng)物在低溫下也會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷甚至造成更嚴(yán)重的傷害。低溫下生物GABA表達(dá)會(huì)上調(diào)，這與低溫的耐受性存在關(guān)聯(lián)。在低溫下，75%的代謝物會(huì)增加，包括氨基酸、糖類、抗壞血酸鹽、腐胺和一些三羧酸循環(huán)中間體。能量代謝涉及的氨基酸代謝，酶類的轉(zhuǎn)錄豐度均會(huì)增加?？梢酝ㄟ^增強(qiáng)GABA分流途徑產(chǎn)生ATP以及積累GHB。另外低溫下利用褪黑霉素可以使精胺、亞精胺和脯氨酸積累，促使二胺氧化酶表達(dá)升高。通過腐胺途徑合成GABA，使得H2O2積累和苯丙烷途徑通量下降以達(dá)到防腐和抗寒的效果。在抗氧化和氧化過程中的作用GABA分流作為三羧酸循環(huán)分支途徑的中間產(chǎn)物，與能量循環(huán)關(guān)系密切。同時(shí)GABA作為氧化代謝物的調(diào)控者發(fā)揮作用。將擬南芥SSADH突變體暴露于高溫下生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)其活性氧中間體（reactiveoxygenintermediate，ROI）積累，使得植株死亡，證明ROI與GABA存在關(guān)系。同樣SSADH和GABA－T基因的突變株在高溫下存在大量的ROI，利用ROI消除劑N－叔丁基－α－苯基硝酮（PBN）可使GABA大量積累，從而提高酵母的存活率。因此，認(rèn)為GABA分流途徑在抑制高溫下ROI具有作用。在GABA分流過程中，SSA可以經(jīng)由GLYR/SSAR轉(zhuǎn)化為GHB，而GHB與ROI存在密切關(guān)系。在SSADH缺失突變株中的GHB與ROI存在大量積累，而瓜巴特林可以抑制這種GHB與ROI的積累，并抑制了過氧化死亡。GABA分流過程可以減少ROI的積累使得生物免于高溫帶來的氧化損傷以及過氧化衰亡。維持碳氮平衡碳氮代謝平衡涉及許多生理過程，包括能量代謝、氨基酸代謝等。由于GABA合成和分流途徑涉及氮代謝，GABA也是能量循環(huán)中三羧酸循環(huán)的重要組成部分，GABA分流途徑與呼吸鏈競(jìng)爭(zhēng)SSADH，因此長(zhǎng)時(shí)間以來GABA被認(rèn)為是碳氮代謝的重要一環(huán)。三羧酸循環(huán)分支的谷氨酸合成GABA途徑是植物快速響應(yīng)外部刺激的關(guān)鍵因素之一。絕大部分NH4+是通過谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途徑合成（glutaminesynthetase/gluta-matesynthetase，GS/GOGAT），被認(rèn)為是氨基酸的主要合成途徑。游離的氨基分子大部分通過谷氨酰胺固定，谷氨酸被認(rèn)為是植物老根中氮主要的積累形式，氮存儲(chǔ)于精氨酸等氨基酸中，同時(shí)精氨酸也可用于運(yùn)輸，滿足生物體的氮需求。同樣氨基酸也通過轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)的前體或中間體參與能量代謝過程。在對(duì)菠菜的研究中發(fā)現(xiàn)脯氨酸占總游離氨基酸的8.1%～36.%，GABA占12.8%～22.2%，谷氨酸占5.6%～21.5%。谷氨酸是GABA和脯氨酸的前體物質(zhì)，低溫下植物會(huì)使谷氨酸的氮分流進(jìn)入GABA和脯氨酸調(diào)控氮的代謝途徑。另外在50mmol/LGABA下培養(yǎng)的擬南芥中除NADP+依賴性檸檬酸脫氫酶、根和芽中谷氨酰胺合成酶、芽中磷酸烯醇丙酮酸羧化酶外，幾乎所有的初級(jí)氮代謝和硝酸鹽吸收有關(guān)的酶活性均受到影響。而在NaCl條件下培養(yǎng)的擬南芥中，發(fā)現(xiàn)GABA積累的同時(shí)帶動(dòng)擬南芥整體氨基酸的增加。在分別利用不同氮化合物（10mmol/LNH4Cl，5mmol/LNH4NO3，5mmol/L谷氨酸和5mmol/L的谷氨酰胺）作為唯一氮源培養(yǎng)的擬南芥葉片中，其GAD活性和蛋白質(zhì)水平不同，說明GAD在氮代謝中發(fā)揮作用。在NO脅迫下的香蕉中也發(fā)現(xiàn)了GAD活性上升、GABA和香蕉多巴胺增加的現(xiàn)象。鹽脅迫下谷氨酸脫氫酶活性與GAD的表達(dá)瞬時(shí)上升，進(jìn)而提高GABA分流等相關(guān)途徑的通量以調(diào)節(jié)碳氮平衡。應(yīng)激下NADH：NAD+和ADP：ATP的比值也能影響GABA-T，從而使GABA積累。鹽脅迫下植物更多地利用C/N平衡途徑緩解壓力。在干旱和水澇中的作用20世紀(jì)末，人們就發(fā)現(xiàn)干旱可以降低根的固氮和O2的擴(kuò)散，使得植物缺氧而導(dǎo)致GABA的積累。低氧條件下谷氨酸和天冬氨酸含量增加。干旱下GAD活性提高，GABA-T快速積累。干旱條件下，根系、莖的生長(zhǎng)和葉面積伸展被抑制，活性氧增加，低分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如GABA等氨基酸、多元醇、有機(jī)酸產(chǎn)量增加，以及抗氧化損傷的酶表達(dá)均上調(diào)。研究表明，干旱條件下，與細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、活性氧的清除、結(jié)構(gòu)蛋白穩(wěn)定保護(hù)、滲透調(diào)節(jié)劑、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等有關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。外源GABA使得植物保持較高的相對(duì)含水量，降低電解質(zhì)滲漏、脂質(zhì)、過氧化物、碳代謝并能提高膜穩(wěn)定性。此外，外源GABA也可以誘導(dǎo)GABA-T和α-戊酸脫氫酶活性上升，抑制GAD活性使得GABA和谷氨酸增加。同時(shí)GABA加速多胺合成，抑制多胺分解，并進(jìn)一步激活σ-1-吡咯林-5-羧酸合成酶和脯氨酸脫氫酶以及鳥氨酸-σ-氨基轉(zhuǎn)移酶活性，致使GABA預(yù)富集物的高度積累和代謝。GABA還可以通過促進(jìn)葉綠素表達(dá)，進(jìn)而使得過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POX）活性增加，提高脯氨酸和糖含量，調(diào)節(jié)滲透和降低氧化。植物在水澇下pH會(huì)下降。長(zhǎng)時(shí)間水澇會(huì)使土壤缺氧且短時(shí)間內(nèi)水澇使得GABA升高。而水澇下氣孔關(guān)閉與脫落酸存在直接關(guān)系。由于H+上升和缺氧會(huì)導(dǎo)致GABA增加。同時(shí)丙氨酸的積累可提高缺氧條件下植物的生存能力。在缺氧條件下GABA可以通過間接調(diào)節(jié)使得光合作用增強(qiáng)，降低氣孔限制值，使得通氧量加大。缺氧條件下GAD活性上升，而GABA可以緩解缺氧對(duì)植物幼苗的傷害，而且外源GABA可以使低氧條件下根生長(zhǎng)抑制得以緩解，快速生長(zhǎng)出不定根。不定根生長(zhǎng)也可以緩解植物的缺氧情況。另外，水澇缺氧條件下除GABA、谷氨酸以及丙氨酸外其他與三羧酸循環(huán)有關(guān)的氨基酸水平均下降。GABA與谷氨酸可作為丙氨酸的直接合成底物，通過這種厭氧途徑生成2倍于糖酵解產(chǎn)生的ATP，保證供能。GABA還具有消除活性氧中間體以及為植物解毒和間接通過H2O2信號(hào)作用防止細(xì)胞程序性死亡（programmedcelleath，PCD），以及發(fā)揮其他作用。其他生理作用50mmol/LGABA和不同鹽濃度會(huì)對(duì)植物幼苗產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)NO3-離子低于40mmol/L時(shí)，GABA會(huì)刺激根伸長(zhǎng)，當(dāng)NO3-離子大于40mmol/L時(shí)GABA會(huì)抑制根伸長(zhǎng)。并且GABA刺激低濃度的NO3-吸收，抑制高濃度NO3-的攝取，而GS等酶被氮調(diào)控，以上研究認(rèn)為氮對(duì)調(diào)控植物生長(zhǎng)有一定作用。在NaCl（50mmol/L）刺激下，植物的糖基化代謝會(huì)發(fā)起變化，并影響包括三羧酸循環(huán)、GABA代謝、氨基酸合成和莽草酸介導(dǎo)的次級(jí)代謝等發(fā)生變化。較高的鹽離子會(huì)導(dǎo)致大豆的多胺氧化降解為GABA。植物GABA受體具有調(diào)節(jié)pH和Al3+的根耐受性。細(xì)菌侵染過程中的植物GAD表達(dá)量和γ-羥基丁酸轉(zhuǎn)錄豐度會(huì)上升，致使GABA升高。高GABA合成水平的煙草對(duì)根癌土壤桿菌C58感染敏感性有所下降。GABA可誘導(dǎo)農(nóng)桿菌ATTKLM操縱子表達(dá)，使得N-（3-氧代辛?；└呓z氨酸內(nèi)酯的濃度