备课素材：γ－氨基丁酸及其功能 高二上学期生物人教版选择性必修1

γ－氨基丁酸及其功能先看一道试题：γ-氨基丁酸在神经兴奋传递过程中的作用机理如下图①所示；某种局部麻醉药单独使用时不能通过细胞膜，如与辣椒素同时注射才会发生如图②所示效果．仔细分析下图1和图2，据图回答下列问题．

（1）神经递质只能由释放，作用于，并可以使下一个神经元产生．在特定情况下，突触释放的神经递质，也能使和某些腺体分泌．

（2）由图1可知γ-氨基丁酸与的受体结合，促进Cl-内流，（促进或抑制）突触后膜产生兴奋．

（3）神经细胞兴奋时，膜外电位．由图2可知局麻药作用于突触后膜的Na+通道，阻碍Na+（内流或外流），抑制突触后膜产生兴奋．

（4）由图判断γ-氨基丁酸应该属于（兴奋性或抑制性）神经递质．局麻药（属于或不属于）神经递质．解析：据图分析：图1中，突触前膜释放的γ-氨基丁酸能够促进突触间隙的Cl-内流，所以是一种抑制性神经递质．图2中，局麻药和γ-氨基丁酸的作用效果相同，都可以阻止钠离子内流，但作用机理不同．（1）由于神经递质只存在于突触前膜的突触小泡中，只能由突触前膜释放，并作用于突触后膜，引起一个神经元兴奋或抑制．在特定情况下，突触释放的神经递质，也能使肌肉收缩和某些腺体分泌．

（2）由图1知，γ-氨基丁酸与突触后膜的受体结合，Cl-通道打开，促进Cl-内流，抑制突触后膜产生兴奋．

（3）神经细胞兴奋时，膜电位由内负外正变为内正外负．据图2知，局部麻醉药单独使用时，突触后膜的Na+通道未打开，阻碍Na+内流，抑制突触后膜产生兴奋．

（4）γ-氨基丁酸属于抑制性神经递质，而局麻药不属于神经递质．

答案为

（1）突触前膜

突触后膜

兴奋或抑制

肌肉收缩

（2）突触后膜

抑制

（3）由正变负

内流

（4）抑制性

不属于本题以γ－氨基丁酸为情境材料考查神经兴奋在突触间传递过程的相关知识，意在考查考生获取信息的能力和运用这些信息，结合所学知识解决相关生物学问题的能力。教材对“γ－氨基丁酸”没有提到。那么，γ－氨基丁酸是什么？有哪些功能？γ－氨基丁酸是一种化合物，化学式是C₄H9NO₂，别名4－氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，简称GABA），是一种氨基酸，在脊椎动物、植物和微生物中广泛存在。GABA呈白色结晶体粉末状，没有旋光性。熔点195-204℃（分解），与水混溶，微溶于乙醇、丙酮，不溶于苯、乙醚，分解时会失水生成吡咯烷酮。GABA在溶液中常以两性离子（带负电荷的羧基和带正电荷的氨基）形式存在，由于正负电荷基团间的静电相互作用，使得GABA在溶液中能够兼具气态（折叠态）和固态（伸展态）时的分子构象，而GABA在溶液中多分子构象共存的形式，使其能够结合多种受体蛋白并发挥多种重要生理功能。植物组织中GABA的含量极低，通常在0.3～32.5μmol/g之间。已有文献报道，植物中GABA富集与植物所经历胁迫应激反应有关，在受到缺氧、热激、冷激、机械损伤、盐胁迫等胁迫压力时，会导致GABA的迅速积累。对植物性食品原料采用某种胁迫方式处理后，或通过微生物发酵作用使其体内GABA含量增加，用这种原料加工成富含GABA的功能产品已成为研究热点。GABA作为一种新型功能性因子，已被广泛应用于食品工业领域。利用富含GABA的发芽糙米、大豆和蚕豆等原料开发的食品已面市。GABA相关的研究实验实验一：研究口服给予γ-氨基丁酸对改善小鼠睡眠的影响。方法：将小鼠分为A,B,C三批进行实验，每批五组，分别为阴性对照组，阳性对照组和低、中、高剂量组.连续给予γ-氨基丁酸(50，100，150mg/kg)30天，进行了四项睡眠功效评价实验。结果：中、高剂量γ-氨基丁酸口服后，可以延长睡眠时间，增加阈下剂量入睡动物数，不能缩短睡眠潜伏期.各组均无直接睡眠作用.结论:本实验条件下，γ-氨基丁酸经口服具有改善睡眠的功效。实验二：富含GABA酸奶80mg/kg，160mg/kg剂量组小鼠入睡率均由0显著提高至60%(p<0.05)；富含GABA酸奶(80mg/kg)组能将小鼠睡眠时长由43.40min显著延长至156.20min(p<0.05);在失眠实验中，与失眠模型组比，富含GABA酸奶能够显著增加失眠小鼠脑组织中抑制性氨基酸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.本研究结果显示,富含GABA酸奶能够有效延长ICR小鼠的睡眠时长，改善小鼠的失眠状态，其机制与增加小鼠脑内抑制性递质GABA及Gly的含量有关。GABA长久以来被认为与植物多种应激和防御系统有关。GABA会随着植物受到刺激而升高，被认为是植物中响应于各种外界变化、内部刺激和离子环境等因素如pH、温度、外部天敌刺激的一种有效机制。GABA还可以调节植物内环境如抗氧化、催熟、保鲜植物等作用。近年来GABA在植物中也被发现作为信号分子在植物中传递扩大信息。GABA曾在大豆、拟南芥、茉莉、草莓等植物中相继发现。低浓度的GABA有助于植物生长发育，高浓度下又会起相反的作用。对外部酸化的响应低pH下GABA会在细胞内快速增加，这种GABA的积累在微生物和动物中也存在。植物在酸性pH下细胞内H+随之升高，诱导细胞内GABA含量增加。该GABA的合成过程消耗H+，使得细胞内酸化得到缓解。在微生物中也存在这种快速的反应机制，在产生GABA的同时，会增加质子呼吸链复合物的表达，促进ATP合成。并且上调F1F0-ATP水解酶活性，促进酸性条件下ATP依赖的H+排出过程。在动物中，细胞也会向外排出GABA和谷氨酸以此来改变细胞外环境的pH。更重要的是，GABA在生理环境下为两性离子，因此在酸碱调节中发挥着一定作用。对昆虫的防御作用GABA有助于植物对外界天敌的防御。当昆虫取食时由于植物受伤导致细胞破裂和组织受伤，这种机械切割会刺激植物中Ca2+的增加，植物在Ca2+刺激下分泌GABA作为一种抵御昆虫取食的措施。在此过程中不存在茉莉酸类信号参与GABA的积累。昆虫存在离子型GABA受体，其中果蝇的GABA门控氯离子通道亚基RDL（resistanttodieldrin）是许多杀虫剂药物的作用靶标。GABA诱导使得GABA受体的单电流降低。具体为GABA在无脊椎动物中通过GABA受体门控的氯离子通道起作用，与大多数杀虫剂相同，通过GABA受体氯离子通道，使Cl－在电化学梯度的驱使下流向下游，导致质膜超极化，并抑制昆虫取食。而在过量表达GABA的烟草植物中，接种北方线虫，发现其雌性成年线虫的繁殖能力整体下降，这种方式可以使植物达到防御天敌的效果。在对女贞子被草食女娥幼虫取食过程中，发现女贞子会降低自身赖氨酸活性使得蛋白质无营养，而女娥幼虫在此期间会分泌甘氨酸、β-丙氨酸、胺等分子抑制植物赖氨酸的减少，这种植物与草食昆虫的交流过程也证明了GABA作为信号分子的功能。对高等生物在高温和冷冻下的保护作用在小麦开花期间喷洒GABA（200mg/L），可以调节膜稳定性，增加抗氧化能力等，减少了小麦高温下的损失；外源GABA的施用对黄瓜幼苗生长也有明显的作用。高温会抑制中枢GABA能神经元活性，激活胆碱类神经系统并引起体温升高。长期处于高温下，下丘脑的GABA能神经元活性会增加以适应环境和调节体温。GABA会在血浆中升高进而抑制冷敏神经核血浆中儿茶酚胺的浓度，达到降低食道温度的目的。低温会降低植物的生物合成能力，对重要功能造成干扰，并产生永久性伤害。动物在低温下也会导致损伤甚至造成更严重的伤害。低温下生物GABA表达会上调，这与低温的耐受性存在关联。在低温下，75%的代谢物会增加，包括氨基酸、糖类、抗坏血酸盐、腐胺和一些三羧酸循环中间体。能量代谢涉及的氨基酸代谢，酶类的转录丰度均会增加。可以通过增强GABA分流途径产生ATP以及积累GHB。另外低温下利用褪黑霉素可以使精胺、亚精胺和脯氨酸积累，促使二胺氧化酶表达升高。通过腐胺途径合成GABA，使得H2O2积累和苯丙烷途径通量下降以达到防腐和抗寒的效果。在抗氧化和氧化过程中的作用GABA分流作为三羧酸循环分支途径的中间产物，与能量循环关系密切。同时GABA作为氧化代谢物的调控者发挥作用。将拟南芥SSADH突变体暴露于高温下生长，发现其活性氧中间体（reactiveoxygenintermediate，ROI）积累，使得植株死亡，证明ROI与GABA存在关系。同样SSADH和GABA－T基因的突变株在高温下存在大量的ROI，利用ROI消除剂N－叔丁基－α－苯基硝酮（PBN）可使GABA大量积累，从而提高酵母的存活率。因此，认为GABA分流途径在抑制高温下ROI具有作用。在GABA分流过程中，SSA可以经由GLYR/SSAR转化为GHB，而GHB与ROI存在密切关系。在SSADH缺失突变株中的GHB与ROI存在大量积累，而瓜巴特林可以抑制这种GHB与ROI的积累，并抑制了过氧化死亡。GABA分流过程可以减少ROI的积累使得生物免于高温带来的氧化损伤以及过氧化衰亡。维持碳氮平衡碳氮代谢平衡涉及许多生理过程，包括能量代谢、氨基酸代谢等。由于GABA合成和分流途径涉及氮代谢，GABA也是能量循环中三羧酸循环的重要组成部分，GABA分流途径与呼吸链竞争SSADH，因此长时间以来GABA被认为是碳氮代谢的重要一环。三羧酸循环分支的谷氨酸合成GABA途径是植物快速响应外部刺激的关键因素之一。绝大部分NH4+是通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途径合成（glutaminesynthetase/gluta-matesynthetase，GS/GOGAT），被认为是氨基酸的主要合成途径。游离的氨基分子大部分通过谷氨酰胺固定，谷氨酸被认为是植物老根中氮主要的积累形式，氮存储于精氨酸等氨基酸中，同时精氨酸也可用于运输，满足生物体的氮需求。同样氨基酸也通过转化为三羧酸循环的前体或中间体参与能量代谢过程。在对菠菜的研究中发现脯氨酸占总游离氨基酸的8.1%～36.%，GABA占12.8%～22.2%，谷氨酸占5.6%～21.5%。谷氨酸是GABA和脯氨酸的前体物质，低温下植物会使谷氨酸的氮分流进入GABA和脯氨酸调控氮的代谢途径。另外在50mmol/LGABA下培养的拟南芥中除NADP+依赖性柠檬酸脱氢酶、根和芽中谷氨酰胺合成酶、芽中磷酸烯醇丙酮酸羧化酶外，几乎所有的初级氮代谢和硝酸盐吸收有关的酶活性均受到影响。而在NaCl条件下培养的拟南芥中，发现GABA积累的同时带动拟南芥整体氨基酸的增加。在分别利用不同氮化合物（10mmol/LNH4Cl，5mmol/LNH4NO3，5mmol/L谷氨酸和5mmol/L的谷氨酰胺）作为唯一氮源培养的拟南芥叶片中，其GAD活性和蛋白质水平不同，说明GAD在氮代谢中发挥作用。在NO胁迫下的香蕉中也发现了GAD活性上升、GABA和香蕉多巴胺增加的现象。盐胁迫下谷氨酸脱氢酶活性与GAD的表达瞬时上升，进而提高GABA分流等相关途径的通量以调节碳氮平衡。应激下NADH：NAD+和ADP：ATP的比值也能影响GABA-T，从而使GABA积累。盐胁迫下植物更多地利用C/N平衡途径缓解压力。在干旱和水涝中的作用20世纪末，人们就发现干旱可以降低根的固氮和O2的扩散，使得植物缺氧而导致GABA的积累。低氧条件下谷氨酸和天冬氨酸含量增加。干旱下GAD活性提高，GABA-T快速积累。干旱条件下，根系、茎的生长和叶面积伸展被抑制，活性氧增加，低分子渗透调节物质如GABA等氨基酸、多元醇、有机酸产量增加，以及抗氧化损伤的酶表达均上调。研究表明，干旱条件下，与细胞内稳态、活性氧的清除、结构蛋白稳定保护、渗透调节剂、转运蛋白等有关的基因表达上调。外源GABA使得植物保持较高的相对含水量，降低电解质渗漏、脂质、过氧化物、碳代谢并能提高膜稳定性。此外，外源GABA也可以诱导GABA-T和α-戊酸脱氢酶活性上升，抑制GAD活性使得GABA和谷氨酸增加。同时GABA加速多胺合成，抑制多胺分解，并进一步激活σ-1-吡咯林-5-羧酸合成酶和脯氨酸脱氢酶以及鸟氨酸-σ-氨基转移酶活性，致使GABA预富集物的高度积累和代谢。GABA还可以通过促进叶绿素表达，进而使得过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POX）活性增加，提高脯氨酸和糖含量，调节渗透和降低氧化。植物在水涝下pH会下降。长时间水涝会使土壤缺氧且短时间内水涝使得GABA升高。而水涝下气孔关闭与脱落酸存在直接关系。由于H+上升和缺氧会导致GABA增加。同时丙氨酸的积累可提高缺氧条件下植物的生存能力。在缺氧条件下GABA可以通过间接调节使得光合作用增强，降低气孔限制值，使得通氧量加大。缺氧条件下GAD活性上升，而GABA可以缓解缺氧对植物幼苗的伤害，而且外源GABA可以使低氧条件下根生长抑制得以缓解，快速生长出不定根。不定根生长也可以缓解植物的缺氧情况。另外，水涝缺氧条件下除GABA、谷氨酸以及丙氨酸外其他与三羧酸循环有关的氨基酸水平均下降。GABA与谷氨酸可作为丙氨酸的直接合成底物，通过这种厌氧途径生成2倍于糖酵解产生的ATP，保证供能。GABA还具有消除活性氧中间体以及为植物解毒和间接通过H2O2信号作用防止细胞程序性死亡（programmedcelleath，PCD），以及发挥其他作用。其他生理作用50mmol/LGABA和不同盐浓度会对植物幼苗产生不同的影响，当NO3-离子低于40mmol/L时，GABA会刺激根伸长，当NO3-离子大于40mmol/L时GABA会抑制根伸长。并且GABA刺激低浓度的NO3-吸收，抑制高浓度NO3-的摄取，而GS等酶被氮调控，以上研究认为氮对调控植物生长有一定作用。在NaCl（50mmol/L）刺激下，植物的糖基化代谢会发起变化，并影响包括三羧酸循环、GABA代谢、氨基酸合成和莽草酸介导的次级代谢等发生变化。较高的盐离子会导致大豆的多胺氧化降解为GABA。植物GABA受体具有调节pH和Al3+的根耐受性。细菌侵染过程中的植物GAD表达量和γ-羟基丁酸转录丰度会上升，致使GABA升高。高GABA合成水平的烟草对根癌土壤杆菌C58感染敏感性有所下降。GABA可诱导农杆菌ATTKLM操纵子表达，使得N-（3-氧代辛酰基）高丝氨酸内酯的浓度