γ-氨基丁酸（英文名：gamma-氨酪酸 acid，縮寫GABA）是一種氨基酸，化學式為C?H?NO?，分子質量為103.12。γ-氨基丁酸作為一種重要的抑制性神經遞質廣泛存在于脊椎動物、植物和微生物中，但是其不參與構成蛋白質，為非蛋白氨基酸。具有豐富的生理功能，同時擁有良好的水溶性與熱穩定性。除此之外，γ-氨基丁酸在植物的代謝等生理過程中起到了重要作用。
γ-氨基丁酸在常溫常壓下是一種白色或近白色結晶粉末，沒有旋光性，味微苦，氣味微臭，易潮解。其熔點為195至204℃，在高于熔點時分解為水和吡咯烷酮。與水混溶，微溶于乙醇、丙酮，不溶于苯、乙醚。γ-氨基丁酸為兩性離子，羧基的pKa值（酸度系數）為4.03，氨基的pKa為10.56，等電點（pI值）為7.30。一般利用化學合成法、植物富集法、微生物發酵法制備γ-氨基丁酸，檢測γ-氨基丁酸常用的方法有比色法、高效液相色譜法、氨基酸分析儀法、紙上電泳法等。γ-氨基丁酸在醫學、食品、農業等領域均有廣泛的應用。
發現歷史
1883年，科學家成功合成γ-氨基丁酸，當時認為γ-氨基丁酸是植物、微生物的代謝產物。
1950年，美國科學家羅伯茨（Eugene Roberts）和阿瓦帕拉（Jorge Awapara）各自利用紙層析技術發現γ-氨基丁酸存在于哺乳動物的神經組織中。
1963年，加拿大科學家克恩杰維奇（Kresimir Krnjevic）提出γ-氨基丁酸可能是一種中樞神經遞質，但當時人們并不認可并冷落了這個發現。
1965年，澳大利亞科學家柯蒂斯（D. R. Curtis）等人發現γ-氨基丁酸對脊髓神經元有抑制作用。
20世紀70年代，人們通過特異性的γ-氨基丁酸受體抑制劑荷包牡丹堿，才認識到γ-氨基丁酸是一種抑制性中樞神經遞質。
理化性質
物理性質
γ-氨基丁酸在常溫常壓下是一種白色粉末狀固體，微臭，易潮解。γ-氨基丁酸的熔點為203 °C，在高于熔點溫度的情況下，分解為水和吡咯。γ-氨基丁酸微溶于水，可溶于許多非極性溶劑，不溶于乙醇，水中溶解度為1300 mg/mL，其油水分配系數（Log P）為-3.17。
化學性質
γ-氨基丁酸是一種兩性離子，既能接受質子又能釋放質子，其酸度系數（pKa值）具有兩個，羧基的pKa為4.03，氨基的pKa為10.56。
等電點
由于氨基接受質子的能力和羧基離去質子的能力不同，導致溶液中的陰陽離子不平衡。等電點（pI）是指在某一pH下，氨基酸解離成正負離子的趨勢相等，整體成電中性，電場中無凈電荷移動，該pH即為氨基酸的等電點。γ-氨基丁酸的等電點為7.3，在等電點時，其溶解度最小。
氨基酸的特殊反應
由于γ-氨基丁酸中既有酸性基團又有堿性基團，所以和強酸強堿均可以反應，具有氨基和羧基兩個官能團的化學特性，γ-氨基丁酸本身也同其他氨基酸一樣可以形成內鹽。
一分子γ-氨基丁酸的羧基可以在酶或酸的催化與另一分子γ-氨基丁酸的氨基發生羥醛縮合，所形成的的酰胺鍵稱為肽鍵，分子中剩余的羧基和氨基可以繼續發生縮合反應。
凡是具有游離氨基的氨基酸，其水溶液都可以和茚三酮反應生成紫色絡合物，因此γ-氨基丁酸可以與三酮反應，反應如下。
氨基酸中羧基的反應
γ-氨基丁酸中的羧基具有酸性，可以與氫氧化物發生酸堿反應。且γ-氨基丁酸的酸性比碳酸強，可以與碳酸根反應形成羧酸鹽并釋放出二氧化碳，羧酸鹽在強酸作用下又可恢復成游離酸。
除此之外，羧基還可以與金屬氧化物發生反應，如MgO。
氨基酸中氨基的反應
γ-氨基丁酸中的氨基可以與亞硝酸反應釋放出氮氣。由于該反應是定量進行的，可以根據釋放氨氣的量計算分子中氨基的含量，這個反應還被稱為范斯萊克（van Slyke）氨基測定反應。
酰氯、酸酐、磺基可以與γ-氨基丁酸中氨基上的H發生取代反應生成酰胺或磺胺。
二甲基萘磺酰氯（DNC-Cl）是一種熒光試劑，可以與γ-氨基丁酸的氨基反應生成帶有熒光的氨基酸。
生理功能
哺乳動物
γ-氨基丁酸（GABA）廣泛分布在哺乳動物的體內，如腦組織、腎臟、肝臟、血管等，而這些組織、器官中均存在GABA受體。GABA在人體內的受體一般可分為三類，即受體、受體和受體。受體分布于細胞膜上，如神經元細胞的細胞膜；受體主要分布于突觸前末梢上；新發現的受體分布于視覺的神經通路中。
20世紀，科學家發現GABA存在于哺乳動物的中樞神經系統，并作為一種抑制性神經遞質介導抑制性神經傳導。同時，GABA也是一種神經營養因子，在神經系統發育過程中具有刺激神經元的遷移的作用，能夠影響神經胚的運動、蛋白質的合成以及神經相關蛋白和酶的表達，早期GABA受體激動劑還可以影響神經細胞超微結構。除此之外，GABA在哺乳動物中能夠降低血壓、預防癲癇、促進睡眠、增加記憶力，具有抗腦衰老、抗焦慮、解除氨毒、調節男性生殖功能的作用。
腦血管中有GABA能支配的神經并存在相應的受體，GABA與受體結合后能夠促進毛細血管的擴張從而降低血壓。同時，GABA可以抑制血管緊張素轉換酶（ACE）的活性，ACE會導致血管收縮、血壓升高。GABA可以與影響睡眠和抗焦慮腦受體結合并使其激活發揮促進睡覺、抗焦慮的功效。GABA在體內濃度過低有可能導致癲癇，癲癇病人腦組織和脊髓液的GABA濃度低于正常水平，因此可以檢測體內的GABA水平和補充GABA來預防癲癇疾病。衰老的腦組織中的GABA水平減弱，導致神經信號減弱從而影響視覺、聽覺的正常使用，一般情況下，老齡人腦組織的GABA含量明顯低于正常值。GABA可以與α-酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸可以與血液中的氨結合生成尿素并排出體外，降低人體患氨毒的危險。
GABA還參與了正常的胰島內分泌的調節。當體內的血糖較低時會促進谷氨酸和胰高血糖素的分泌，谷氨酸可與胰島β細胞表面結合，并促進β細胞釋放GABA，GABA又作用與胰島α細胞的從而抑制胰高血糖素的分泌。而且科學家們發現在人體β細胞上，GABA作用于自身的受體可以促進由6mM葡萄糖誘導的胰島素分泌。
高等植物
高等植物組織的γ-氨基丁酸（GABA）含量通常在0.3～32.5 μmol/g之間。已有文獻報道，植物中GABA富集與植物所經歷的脅迫應激反應有關，例如在受到缺氧、熱激、冷激、機械損傷、鹽脅迫等脅迫壓力時，GABA的濃度會迅速增加。其濃度可能超過某些蛋白類氨基酸。
作為臨時氮庫
當植物體內對谷氨酰胺（Gln）需求較小、抑制Gln的合成或降低蛋白質合成等條件時，L-谷氨酰胺（L-Gln）可以轉化為GABA。在蛋白質合成期間，GABA中的氮消失得較快，這表明了GABA起臨時氮庫的作用。
調節植物的生長發育
GABA可以調節植物的生長發育，但是抑制其生長還是促進其生長取決于植物種類和GABA的濃度。例如在向日葵中，低濃度GABA促進其生長，反之抑制其生長。這是因為在向日葵中GABA能夠促進乙烯的生成，低濃度的乙烯可以促進向日葵的生長，乙烯濃度過高時則會抑制向日葵的生長。又如，浮萍在5 mmol/L的GABA和營養液中培育時，其生長速度加快2-3倍，但在添加0.5 mmol/L的GABA溶液中培育時，浮萍的生長反而被抑制了。
信號的轉導和防御反應
GABA是植物能感受外界刺激的重要因素，具有信號傳遞的作用。由于科學家發現GABA能夠影響雌蕊花粉管的通信，這證明了GABA在植物中起到了信號傳遞的作用。低濃度的GABA促進花粉管的伸長。當GABA的濃度較高時，花粉生長異常，胚珠受精卵。當植物受到厭氧、低溫或高溫、病原菌感染等刺激時，體內的GABA會大幅度的增加，發生防御反應。例如將外界環境的溫度從室溫下降到1 ℃時，植物天門冬屬中的葉肉細胞的GABA濃度在15分鐘內從2.7 nmol·(10? cell)?1上升到5.6 nmol·(10? cell)?1，使其抵御外界低溫的刺激。
制備方法
制備γ-氨基丁酸的方法一般有化學合成法、植物富集法、全細胞催化法和微生物發酵法，不同的制備方法具有不同的應用價值。
化學合成法
可以利用多種原料以化學合成法制備γ-氨基丁酸，例如2-吡啶烷酮、γ-丁內酯、γ-氯丁氰等。這些反應的具體條件和產率如下圖所示。雖然化學合成法制備的γ-氨基丁酸純度較高，但具有能耗和成本較高、溫度需嚴格控制、安全性較差、工藝過程中污染環境等缺點，且制備的γ-氨基丁酸可能會有化學試劑的殘留，所以其應用較為局限。
2-吡烷酮在堿性條件可以直接開環生成γ-氨基丁酸。
γ-丁內酯與氯化亞砜經過氯化、酰化等一系列反應產出γ-氨基丁酸。
表1：化學合成法制備γ-氨基丁酸（GABA）反應名稱、原料、條件
植物富集法
植物存在于小麥、大豆等多種植物中。植物在受到厭氧、低溫、高溫等外界脅迫條件時，會開啟自我防御，體內的γ-氨基丁酸濃度會大幅度增加，此時可以富集植物中的γ-氨基丁酸。常用的從植物中分離純化得到γ-氨基丁酸的方法有溶劑萃取法、柱分離制備法等。
溶劑萃取法是利用γ-氨基丁酸在植物和溶劑中的分配系數不同，將γ-氨基丁酸從植物轉移至溶劑從而分離的原理。常用的萃取提取劑有水/醇，醇易揮發，所以水/醇法會比單純的水提法較好，萃取所得的γ-氨基丁酸的純度較高。還可以選擇鹽溶液作為萃取劑，如5-磺基水楊酸、檸檬酸緩沖鹽等。
柱分離是根據植物中各組分在固定相和流動相中具有不同的分配系數，在固定相滯留時間不相同導致洗脫時間的不同，從而分離得到γ-氨基丁酸的方法。固定相一般可以選擇沒藥樹、硅膠、活性炭等材料。這種分離方法能夠減短分離時間并減少有害物質的產生。
雖然植物富集法的生產環境要求較低、生產工藝過程較安全，但是即使是植物在防御狀態下，體內的γ-氨基丁酸質量分數仍然較低，因此植物富集法不適用于大規模生產γ-氨基丁酸。
微生物發酵法
微生物發酵法是利用生物發酵技術，在微生物體內利用左旋谷氨酸脫羧酶（GAD）將L-谷氨酰胺（L-Glu）轉換為γ-氨基丁酸。該方法的關鍵在于選擇品種優良、遺傳穩定且無毒無害的菌種，這些菌種在生長繁殖過程中可通過自身代謝活動高效合成GABA。利用不同的菌種和培養條件所獲得的γ-氨基丁酸和產率有一定的差異，常用的微生物有乳酸菌、酵母菌、大腸桿菌、曲霉菌等。
乳酸菌發酵法
乳酸菌是一種食品安全級、具有多種益生功能的細菌，現已分離出多株高產γ-氨基丁酸的乳酸菌。例如，利用短乳桿菌GABA 100在不同溫度和pH值下發酵黑樹莓汁生產γ-氨基丁酸15天，發現在30 ℃培養條件時發酵果汁中的γ-氨基丁酸在12天達到最高水平。而且，即使活菌數量明顯減少，γ-氨基丁酸也會持續產生。
酵母菌發酵法
酵母菌體內具有較高的左旋谷氨酸脫羧酶（GAD酶）活性，可以用于制備γ-氨基丁酸，但其生產效率一般較低，所以經常是使用突變型酵母菌株或和乳酸菌聯用來增加產率。例如，野生型酵母菌K701的突變體GAB7-1和GAB7-2，這兩種突變體比生型K701發酵生產γ-氨基丁酸高出2.0倍和2.1倍。
微生物法具有成本低、設備簡單、條件溫和、產量高、安全系數較高、環保等優勢，適合大規模生產γ-氨基丁酸。雖然該方法所制得的γ-氨基丁酸純度較低，但是可以直接用作食品的添加劑，且此種方法已逐漸向產業化生產發展。
含量測定
由于γ-氨基丁酸無紫外吸收、電化學感應較弱，因此檢測方法上存在很大的局限性。現可以測定γ-氨基丁酸含量的方法有比色法、高效液相色譜法、氨基酸分析儀法、紙上電泳法
等。
比色法
比色法是根據不同物質在紫外可見光譜區吸收輻射的波長和程度不同來進行分析的。比色法中較常用的反應是Berthelot反應和茚三酮反應。Berthelot反應是苯酚、次氯酸與γ-氨基丁酸中的氨基反應生成藍色的靛酚。茚三酮反應是茚三酮和反應γ-氨基丁酸中的氨基生成紫色的配位化合物。這都是可定量的顯色反應，最后利用紫外分光光度計檢測即可確定γ-氨基丁酸的含量。這種方法簡單速度快、重現性較高，但測量的樣品中不能有游離氨或胺鹽的存在。
高效液相色譜法
高效液相色譜法（HPLC）是利用不同極性的溶液作為流動相，采用高壓輸液系統，使樣品在固體相和流動相之間反復多次分配，進行梯度洗脫。由于γ-氨基丁酸在紫外區間無吸收，所以需要經過柱前衍生才可以檢測，柱前衍生試劑一般有6-氨基喹啉基-N-羥基琥珀酰亞氨基氨基甲酸酯（AQC）、鄰苯二甲醛（OPA）等。例如，利用AQC作為柱前衍生劑，以HPLC法檢測發芽糙米中的γ-氨基丁酸。HPLC法具有進樣量少、靈敏度高、準確性好的優點。
氨基酸分析儀法
氨基酸分析儀法是根據氨基酸之間結構、pH值、極性等的不同，利用各種氨基酸與陽離子交換樹脂的結合能力不同將其分離開，并用茚三酮進行顯示反應測定氨基酸的含量。例如，被洗脫的γ-氨基丁酸與茚三酮生成紫色配位化合物，并用紫外可見分光光度計在570 nm下進行測定。氨基酸分析儀法具有操作簡單、靈敏度高、穩定性高、檢出限低、無需提前處理等優點，可以檢測多種氨基酸。
紙上電泳法
紙上電泳法是在外加電場的作用下，由于檢測樣品中的各種氨基酸在濾紙上的移動速度不同從而達到分離的作用。紙上電泳法對γ-氨基丁酸進行檢測具有分離較好、斑點清晰、靈敏度高等優勢，且結果的準確性與氨基酸分析儀相當。紙上電泳法雖然具有以上優點，但是耗能大且反應過程中的pH需嚴格控制使得其無法大規模使用。
應用領域
在醫學領域中的應用
γ-氨基丁酸（GABA）是一種抑制性神經遞質，能夠降低血壓、預防癲癇、促進睡眠，具有抗腦衰老、抗焦慮等作用。不僅如此，γ-氨基丁酸還可以用于預防和治療某些疾病，或作為肝、腸、腎的保護劑。除此之外，γ-氨基丁酸還可以作為判斷人體內骨質疏松癥的重要依據。
GABA受體激動劑對缺血性腦血管病損傷也具有神經保護作用，可以通過服用GABA受體激動劑，保護神經元免受缺血誘導的凋亡。GABA也可以治療和預防癲癇、腦血管疾病、抑郁癥、失眠癥等神經系統功能障礙疾病，GABA可以恢復多巴胺、去甲腎上腺素的水平，抑制神經退化，改善大腦的記憶和認知功能。同時，GABA具有抗炎性，可以誘導細胞凋亡、抑制增殖和轉移，能夠調節癌癥和促使早期傷口愈合。
在食品領域中的應用
如上所述，γ-氨基丁酸（GABA）具有降血壓、降血糖、抗焦慮、減輕壓力、促進催眠、活化肝功能等作用，因此可以作為功能性食品因子，目前已開發出多種含γ-氨基丁酸（GABA）的飲品和食物。例如，γ-氨基丁酸茶（Gabaron茶），其制作工藝為將茶葉置于氮氣氛圍中處理6小時，處理后茶葉中的GABA含量從約300mg/kg提升至約2000mg/kg。相關試驗顯示，Gabaron茶在降低血壓方面具有一定作用且未發現明顯副作用。另有通過酶反應加工的富含GABA的米胚芽產品：該工藝通過分解米胚芽中的蛋白質生成大量谷氨酸，谷氨酸在酶催化下轉化為GABA，從而提高米胚芽中的GABA含量。研究表明，此類米胚芽產品具有輔助降血壓、活化腎功能和肝功能、促進乙醇代謝、預防肥胖及除臭等功能。除上述加工食品外，天然含GABA的食物主要包括發酵食品。發酵過程中微生物的代謝活動可促進GABA生成，常見的如酸奶、泡菜（包括韓國泡菜、日本味噌）、納豆等，此類食物中GABA含量相對較高。
在農業領域中的應用
γ-氨基丁酸（GABA）可改善植物對某些農藥的解毒作用。已有學者研究番茄時發現，GABA參與植物體內百菌清（CHT）的代謝，CHT是一種可用于植物、高效低毒的殺菌劑，隨著外源性GABA水平的升高，CHT濃度持續降低。同時發現，GABA可以通過降低氣孔導度和氣孔直徑來促進氣孔關閉，從而降低植物對CHT的吸收。還有學者發現GABA能夠緩輕植物重金屬中毒現象，例如當芳香水稻中鉛毒時，鉛會抑制根/莖生長、影響光合能力和葉綠素合成、造成營養失衡等問題。除此之外，GABA可以緩解玉蜀黍屬、萵苣等植物的鹽度脅迫，提高植物的耐鹽性和光合能力。
安全事宜
GHS分類
H315（100%）：引起皮膚刺激
H319（100%）：引起嚴重眼睛刺激
H335（100%）：可能引起呼吸道刺激
消防措施
當由γ-氨基丁酸引發火災時，應選擇水霧、干粉、泡沫或二氧化碳滅火劑滅火，避免使用直流水滅火，直流水可能導致可燃性液體的飛濺，使火勢擴散。
急救措施
如果不小心吸大量的γ-氨基丁酸粉末，請立即將患者轉移至新鮮空氣處；若皮膚接觸到γ-氨基丁酸，請立即脫去污染的衣著，并用肥皂水和清水徹底清洗，若接觸部分仍有不適感，請立即前往醫院就醫；若眼睛中不小心進入了γ-氨基丁酸，請立即分開眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，沖洗結束后立即前往醫院就醫。若不小心誤食γ-氨基丁酸，請立即漱口并禁止催吐，漱口結束后立即前往醫院就醫。
參考資料 >