γ-氨基丁酸
γ-氨基丁酸（英文名：gamma-氨酪酸 acid，缩写GABA）是一种氨基酸，化学式为C₄H₉NO₂。γ-氨基丁酸广泛存在于哺乳动物、植物、微生物中，但是其不参与构成蛋白质，为非蛋白氨基酸。γ-氨基丁酸在哺乳动物中作为一种抑制性神经递质，具有丰富的生理功能。除此之外，γ-氨基丁酸在植物的代谢等生理过程中起到了重要作用。
γ-氨基丁酸在常温常压下一种白色粉末状固体，微臭，易潮解，其熔点为203°C，在高于熔点时分解为水和吡咯烷酮。微溶于水，γ-氨基丁酸可溶于许多非极性溶剂，不溶于乙醇。γ-氨基丁酸为两性离子，羧基的pKa值（酸度系数）为4.03，氨基的pKa为10.56，等电点（pI值）为7.30。一般利用化学合成法、植物富集法、微生物发酵法制备γ-氨基丁酸，检测γ-氨基丁酸常用的方法有比色法、高效液相色谱法、氨基酸分析仪法、纸上电泳法等。γ-氨基丁酸在医学、食品、农业等领域均有广泛的应用。
发现历史
19世纪80年代，科学家成功合成γ-氨基丁酸，当时认为γ-氨基丁酸是植物、微生物的代谢产物。
1950年，美国科学家罗伯茨（Eugene Roberts）和阿瓦帕拉（Jorge Awapara）各自利用纸层析技术发现γ-氨基丁酸存在于哺乳动物的神经组织中。
1963年，加拿大科学家克恩杰维奇（Kresimir Krnjevic）提出γ-氨基丁酸可能是一种中枢神经递质，但当时人们并不认可并冷落了这个发现。
1965年，澳大利亚科学家柯蒂斯（D. R. Curtis）等人发现γ-氨基丁酸对脊髓神经元有抑制作用。
20世纪70年代，人们通过特异性的γ-氨基丁酸受体抑制剂荷包牡丹碱，才认识到γ-氨基丁酸是一种抑制性中枢神经递质。
理化性质
物理性质
γ-氨基丁酸在常温常压下是一种白色粉末状固体，微臭，易潮解。γ-氨基丁酸的熔点为203 °C，在高于熔点温度的情况下，分解为水和吡咯。γ-氨基丁酸微溶于水，可溶于许多非极性溶剂，不溶于乙醇，水中溶解度为1300 mg/mL，其油水分配系数（Log P）为-3.17。
化学性质
γ-氨基丁酸是一种两性离子，既能接受质子又能释放质子，其酸度系数（pKa值）具有两个，羧基的pKa为4.03，氨基的pKa为10.56。
等电点
由于氨基接受质子的能力和羧基离去质子的能力不同，导致溶液中的阴阳离子不平衡。等电点（pI）是指在某一pH下，氨基酸离解成正负离子的趋势相等，整体成电中性，电场中无净电荷移动，该pH即为氨基酸的等电点。γ-氨基丁酸的等电点为7.3，在等电点时，其溶解度最小。
氨基酸的特殊反应
由于γ-氨基丁酸中既有酸性基团又有碱性基团，所以和强酸强碱均可以反应，具有氨基和羧基两个官能团的化学特性，γ-氨基丁酸本身也同其他氨基酸一样可以形成内盐。
一分子γ-氨基丁酸的羧基可以在酶或酸的催化与另一分子γ-氨基丁酸的氨基发生缩合反应，所形成的的酰胺键称为肽键，分子中剩余的羧基和氨基可以继续发生缩合反应。
凡是具有游离氨基的氨基酸，其水溶液都可以和茚三酮反应生成紫色络合物，因此γ-氨基丁酸可以与三酮反应，反应如下。
氨基酸中羧基的反应
γ-氨基丁酸中的羧基具有酸性，可以与氢氧化物发生酸碱反应。且γ-氨基丁酸的酸性比碳酸强，可以与碳酸根反应形成羧酸盐并释放出二氧化碳，羧酸盐在强酸作用下又可恢复成游离酸。
除此之外，羧基还可以与金属氧化物发生反应，如MgO。
氨基酸中氨基的反应
γ-氨基丁酸中的氨基可以与亚硝酸反应释放出氮气。由于该反应是定量进行的，可以根据释放氨气的量计算分子中氨基的含量，这个反应还被称为范斯莱克（van Slyke）氨基测定反应。
酰氯、酸酐、磺基可以与γ-氨基丁酸中氨基上的H发生取代反应生成酰胺或磺胺。
二甲基萘磺酰氯（DNC-Cl）是一种荧光试剂，可以与γ-氨基丁酸的氨基反应生成带有荧光的氨基酸。
生理功能
哺乳动物
γ-氨基丁酸（GABA）广泛分布在哺乳动物的体内，如脑组织、肾脏、肝脏、血管等，而这些组织、器官中均存在GABA受体。GABA在人体内的受体一般可分为三类，即受体、受体和受体。受体分布于细胞膜上，如神经元细胞的细胞膜；受体主要分布于突触前末梢上；新发现的受体分布于视觉的神经通路中。
20世纪，科学家发现GABA存在于哺乳动物的中枢神经系统，并作为一种抑制性神经递质介导抑制性神经传导。同时，GABA也是一种神经营养因子，在神经系统发育过程中具有刺激神经元的迁移的作用，能够影响神经胚的运动、蛋白质的合成以及神经相关蛋白和酶的表达，早期GABA受体激动剂还可以影响神经细胞超微结构。除此之外，GABA在哺乳动物中能够降低血压、预防癫痫、促进睡眠、增加记忆力，具有抗脑衰老、抗焦虑、解除氨毒、调节男性生殖功能的作用。
脑血管中有GABA能支配的神经并存在相应的受体，GABA与受体结合后能够促进毛细血管的扩张从而降低血压。同时，GABA可以抑制血管紧张素转换酶（ACE）的活性，ACE会导致血管收缩、血压升高。GABA可以与影响睡眠和抗焦虑脑受体结合并使其激活发挥促进睡觉、抗焦虑的功效。GABA在体内浓度过低有可能导致癫痫，癫痫病人脑组织和脊髓液的GABA浓度低于正常水平，因此可以检测体内的GABA水平和补充GABA来预防癫痫疾病。衰老的脑组织中的GABA水平减弱，导致神经信号减弱从而影响视觉、听觉的正常使用，一般情况下，老龄人脑组织的GABA含量明显低于正常值。GABA可以与α-酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸可以与血液中的氨结合生成尿素并排出体外，降低人体患氨毒的危险。
GABA还参与了正常的胰岛内分泌的调节。当体内的血糖较低时会促进谷氨酸和胰高血糖素的分泌，谷氨酸可与胰岛β细胞表面结合，并促进β细胞释放GABA，GABA又作用与胰岛α细胞的从而抑制胰高血糖素的分泌。而且科学家们发现在人体β细胞上，GABA作用于自身的受体可以促进由6mM葡萄糖诱导的胰岛素分泌。
高等植物
高等植物组织的γ-氨基丁酸（GABA）含量较高，约0.3-32.5 μ摩尔g⁻¹，其浓度已经超过某些蛋白类氨基酸，而且当植物受到厌氧、植物激素等刺激时浓度会增加。GABA在植物的代谢等生理过程中起到了重要作用。
作为临时氮库
当植物体内对谷氨酰胺（Gln）需求较小、抑制Gln的合成或降低蛋白质合成等条件时，L-谷氨酰胺（L-Gln）可以转化为GABA。在蛋白质合成期间，GABA中的氮消失得较快，这表明了GABA起临时氮库的作用。
调节植物的生长发育
GABA可以调节植物的生长发育，但是抑制其生长还是促进其生长取决于植物种类和GABA的浓度。例如在向日葵中，低浓度GABA促进其生长，反之抑制其生长。这是因为在向日葵中GABA能够促进乙烯的生成，低浓度的乙烯可以促进向日葵的生长，乙烯浓度过高时则会抑制向日葵的生长。又如，浮萍在5 mmol/L的GABA和营养液中培育时，其生长速度加快2-3倍，但在添加0.5 mmol/L的GABA溶液中培育时，浮萍的生长反而被抑制了。
信号的转导和防御反应
GABA是植物能感受外界刺激的重要因素，具有信号传递的作用。由于科学家发现GABA能够影响雌蕊花粉管的通信，这证明了GABA在植物中起到了信号传递的作用。低浓度的GABA促进花粉管的伸长。当GABA的浓度较高时，花粉生长异常，胚珠受精卵。当植物受到厌氧、低温或高温、病原菌感染等刺激时，体内的GABA会大幅度的增加，发生防御反应。例如将外界环境的温度从室温下降到1 ℃时，植物天门冬属中的叶肉细胞的GABA浓度在15分钟内从2.7 nmol·(10⁶ cell)⁻¹上升到5.6 nmol·(10⁶ cell)⁻¹，使其抵御外界低温的刺激。
制备方法
制备γ-氨基丁酸的方法一般有化学合成法、植物富集法、微生物发酵法，不同的制备方法具有不同的应用价值。
化学合成法
可以利用多种原料以化学合成法制备γ-氨基丁酸，例如2-吡啶烷酮、γ-丁内酯、γ-氯丁氰等。这些反应的具体条件和产率如下图所示。虽然化学合成法制备的γ-氨基丁酸纯度较高，但具有能耗和成本较高、温度需严格控制、安全性较差、工艺过程中污染环境等缺点，且制备的γ-氨基丁酸可能会有化学试剂的残留，所以其应用较为局限。
2-吡烷酮在碱性条件可以直接开环生成γ-氨基丁酸。
γ-丁内酯与氯化亚砜经过氯化、酰化等一系列反应产出γ-氨基丁酸。
表1：化学合成法制备γ-氨基丁酸（GABA）反应名称、原料、条件
植物富集法
植物存在于小麦、大豆等多种植物中。植物在受到厌氧、低温、高温等外界胁迫条件时，会开启自我防御，体内的γ-氨基丁酸浓度会大幅度增加，此时可以富集植物中的γ-氨基丁酸。常用的从植物中分离纯化得到γ-氨基丁酸的方法有溶剂萃取法、柱分离制备法等。
溶剂萃取法是利用γ-氨基丁酸在植物和溶剂中的分配系数不同，将γ-氨基丁酸从植物转移至溶剂从而分离的原理。常用的萃取提取剂有水/醇，醇易挥发，所以水/醇法会比单纯的水提法较好，萃取所得的γ-氨基丁酸的纯度较高。还可以选择盐溶液作为萃取剂，如5-磺基水杨酸、柠檬酸缓冲盐等。
柱分离是根据植物中各组分在固定相和流动相中具有不同的分配系数，在固定相滞留时间不相同导致洗脱时间的不同，从而分离得到γ-氨基丁酸的方法。固定相一般可以选择树脂、硅胶、活性炭等材料。这种分离方法能够减短分离时间并减少有害物质的产生。
虽然植物富集法的生产环境要求较低、生产工艺过程较安全，但是即使是植物在防御状态下，体内的γ-氨基丁酸质量分数仍然较低，因此植物富集法不适用于大规模生产γ-氨基丁酸。
微生物发酵法
微生物发酵法是利用生物发酵技术，在微生物体内利用左旋谷氨酸脱羧酶（GAD）将L-谷氨酰胺（L-Glu）转换为γ-氨基丁酸。利用不同的菌种和培养条件所获得的γ-氨基丁酸和产率有一定的差异，常用的微生物有乳酸菌、酵母菌、大肠杆菌、曲霉菌等。
乳酸菌发酵法
乳酸菌是一种食品安全级、具有多种益生功能的细菌，现已分离出多株高产γ-氨基丁酸的乳酸菌。例如，利用短乳杆菌GABA 100在不同温度和pH值下发酵黑树莓汁生产γ-氨基丁酸15天，发现在30 ℃培养条件时发酵果汁中的γ-氨基丁酸在12天达到最高水平。而且，即使活菌数量明显减少，γ-氨基丁酸也会持续产生。
酵母菌发酵法
酵母菌体内具有较高的左旋谷氨酸脱羧酶（GAD酶）活性，可以用于制备γ-氨基丁酸，但其生产效率一般较低，所以经常是使用突变型酵母菌株或和乳酸菌联用来增加产率。例如，野生型酵母菌K701的突变体GAB7-1和GAB7-2，这两种突变体比生型K701发酵生产γ-氨基丁酸高出2.0倍和2.1倍。
微生物法具有成本低、设备简单、条件温和、安全系数较高、环保等优势，适合大规模生产γ-氨基丁酸。虽然该方法所制得的γ-氨基丁酸纯度较低，但是可以直接用作食品的添加剂。
含量测定
由于γ-氨基丁酸无紫外吸收、电化学感应较弱，因此检测方法上存在很大的局限性。现可以测定γ-氨基丁酸含量的方法有比色法、高效液相色谱法、氨基酸分析仪法、纸上电泳法
等。
比色法
比色法是根据不同物质在紫外可见光谱区吸收辐射的波长和程度不同来进行分析的。比色法中较常用的反应是Berthelot反应和茚三酮反应。Berthelot反应是苯酚、次氯酸与γ-氨基丁酸中的氨基反应生成蓝色的靛酚。茚三酮反应是茚三酮和反应γ-氨基丁酸中的氨基生成紫色的配位化合物。这都是可定量的显色反应，最后利用紫外分光光度计检测即可确定γ-氨基丁酸的含量。这种方法简单速度快、重现性较高，但测量的样品中不能有游离氨或胺盐的存在。
高效液相色谱法
高效液相色谱法（HPLC）是利用不同极性的溶液作为流动相，采用高压输液系统，使样品在固体相和流动相之间反复多次分配，进行梯度洗脱。由于γ-氨基丁酸在紫外区间无吸收，所以需要经过柱前衍生才可以检测，柱前衍生试剂一般有6-氨基喹啉基-N-羟基琥珀酰亚氨基氨基甲酸酯（AQC）、邻苯二甲醛（OPA）等。例如，利用AQC作为柱前衍生剂，以HPLC法检测发芽糙米中的γ-氨基丁酸。HPLC法具有进样量少、灵敏度高、准确性好的优点。
氨基酸分析仪法
氨基酸分析仪法是根据氨基酸之间结构、pH值、极性等的不同，利用各种氨基酸与阳离子交换树脂的结合能力不同将其分离开，并用茚三酮进行显示反应测定氨基酸的含量。例如，被洗脱的γ-氨基丁酸与茚三酮生成紫色络合物，并用紫外可见分光光度计在570 nm下进行测定。氨基酸分析仪法具有操作简单、灵敏度高、稳定性高、检出限低、无需提前处理等优点，可以检测多种氨基酸。
纸上电泳法
纸上电泳法是在外加电场的作用下，由于检测样品中的各种氨基酸在滤纸上的移动速度不同从而达到分离的作用。纸上电泳法对γ-氨基丁酸进行检测具有分离较好、斑点清晰、灵敏度高等优势，且结果的准确性与氨基酸分析仪相当。纸上电泳法虽然具有以上优点，但是耗能大且反应过程中的pH需严格控制使得其无法大规模使用。
应用领域
在医学领域中的应用
γ-氨基丁酸（GABA）是一种抑制性神经递质，能够降低血压、预防癫痫、促进睡眠，具有抗脑衰老、抗焦虑等作用。不仅如此，γ-氨基丁酸还可以用于预防和治疗某些疾病，或作为肝、肠、肾的保护剂。除此之外，γ-氨基丁酸还可以作为判断人体内骨质疏松症的重要依据。
GABA受体激动剂对缺血性脑血管病损伤也具有神经保护作用，可以通过服用GABA受体激动剂，保护神经元免受缺血诱导的凋亡。GABA也可以治疗和预防癫痫、脑血管疾病、抑郁症、失眠症等神经系统功能障碍疾病，GABA可以恢复多巴胺、去甲肾上腺素的水平，抑制神经退化，改善大脑的记忆和认知功能。同时，GABA具有抗炎性，可以诱导细胞凋亡、抑制增殖和转移，能够调节癌症和促使早期伤口愈合。
在食品领域中的应用
如上所述，γ-氨基丁酸（GABA）具有降血压、降血糖、抗焦虑、减轻压力、促进催眠、活化肝功能等作用，因此可以作为功能性食品因子，人们已经开发了多种含GABA的饮品和食物。例如，γ-氨基丁酸茶（Gabaron茶），是将茶叶放置于氮气氛围中6个小时得到的，此时，茶叶中的GABA从原先300 mg/kg增加至2000 mg/kg。经试验发现，Gabaron茶即无副作用又可以降低血压。还有科学家研发了一种富含GABA的米胚芽，通过酶反应加工，米胚芽中的蛋白质分解产生大量的谷氨酸，谷氨酸又在酶的催化下转化成GABA，此时米胚芽中的GABA含量增加。富含GABA的米胚芽具有降血压、肾功能和肝功能的活化、促进乙醇的代谢、预防肥胖、除臭等作用。
在农业领域中的应用
γ-氨基丁酸（GABA）可改善植物对某些农药的解毒作用。已有学者研究番茄时发现，GABA参与植物体内百菌清（CHT）的代谢，CHT是一种可用于植物、高效低毒的杀菌剂，随着外源性GABA水平的升高，CHT浓度持续降低。同时发现，GABA可以通过降低气孔导度和气孔直径来促进气孔关闭，从而降低植物对CHT的吸收。还有学者发现GABA能够缓轻植物重金属中毒现象，例如当芳香水稻中铅毒时，铅会抑制根/茎生长、影响光合能力和叶绿素合成、造成营养失衡等问题。除此之外，GABA可以缓解玉米、莴苣等植物的盐度胁迫，提高植物的耐盐性和光合能力。
安全事宜
GHS分类
H315（100%）：引起皮肤刺激
H319（100%）：引起严重眼睛刺激
H335（100%）：可能引起呼吸道刺激
消防措施
当由γ-氨基丁酸引发火灾时，应选择水雾、干粉、泡沫或二氧化碳灭火剂灭火，避免使用直流水灭火，直流水可能导致可燃性液体的飞溅，使火势扩散。
急救措施
如果不小心吸大量的γ-氨基丁酸粉末，请立即将患者转移至新鲜空气处；若皮肤接触到γ-氨基丁酸，请立即脱去污染的衣着，并用肥皂水和清水彻底清洗，若接触部分仍有不适感，请立即前往医院就医；若眼睛中不小心进入了γ-氨基丁酸，请立即分开眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，冲洗结束后立即前往医院就医。若不小心误食γ-氨基丁酸，请立即漱口并禁止催吐，漱口结束后立即前往医院就医。