类胡萝卜素的吸收代谢及其功能的研究进展

高玉云 毕英佐 谢青梅 马静云

（华南农业大学动物科学学院,广州 510642）

类胡萝卜素（carotenoid）是一类广泛存在于自然界的有色物质,它不仅是畜禽维生素A的重要来源,而且在体内还具有重要的生物学功能。通常人们将类胡萝卜素分成2类:第1类是不含氧原子的胡萝卜素类（只含有碳、氢）,主要有α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、番茄红素等;第2类是含有氧原子的叶黄素类（xan thophylls,含有碳、氢、氧）,包括叶黄素、玉米黄素等。此外,根据类胡萝卜素是否具有维生素A原的活性和着色能力,可以分为4类:1）无着色能力的维生素A原,如β-胡萝卜素;2）可着色的维生素A原,如隐黄质和斑蝥黄;3）不可着色的非维生素A原,如新黄质;4）可着色的非维生素A原,如叶黄素、玉米黄素。在禽类的实际生产中,主要添加的是含氧类胡萝卜素,包括叶黄素、玉米黄素和斑蝥黄。通常在饲养的禽类中添加叶黄素可以增加肤色和蛋黄颜色,以满足消费者对产品的要求。近年来,有试验研究表明类胡萝卜素在机体抗氧化和免疫、细胞增殖和分化调控、基因表达、信号传导和细胞间隙连接通讯等方面都有重要作用[1]。

1 类胡萝卜素的消化吸收和代谢转运

类胡萝卜素和饲粮中的其他脂类物质一起在肠道经胆汁乳化形成乳糜,然后由肠黏膜细胞吸收。关于类胡萝卜素裂解、消化吸收、代谢转运机制的研究,主要集中于β-胡萝卜素。β-胡萝卜素15, 15'-单氧酶（β-carotene 15,15'-m onooxygenase, BCMO1）是将具有维生素A原活性的类胡萝卜素转化成视黄醛的关键酶,可以将β-胡萝卜素裂解成视黄醛,而不产生阿朴胡萝卜醛[2]。虽然BCMO1已经发现近40年了,但是直到最近在鸡[3-4]、小鼠[4-6]、果蝇[7]和人[8]上成功克隆到编码此酶的cDNA后才纯化到此酶。BCMO1在鸡的十二指肠、肝脏、肾脏、脾脏和肺脏都有表达。第2个涉及类胡萝卜素代谢的是β-胡萝卜素9',10'-双氧酶（β-carotene 9',10'-dioxygenase,BCDO2）,它可以通过非中心裂解方式将β-胡萝卜素裂解成10'-阿朴胡萝卜醛和β-紫罗酮。阿朴胡萝卜醛通过β氧化缩短,因而1分子的β-胡萝卜素通过非中心裂解方式形成1分子的视黄酸。

Barua等[9]在大鼠上的研究表明β-胡萝卜素的中心裂解是产生维生素A的主要途径,而非中心裂解产生的阿朴胡萝卜醛小于5%。早期以为中心裂解酶的生化特性是一种双氧酶反应机理,近来的研究证明β-胡萝卜素的中心裂解是一种单氧酶机理[2]。

1.1 类胡萝卜素在肠道的消化吸收

在肠道,β-胡萝卜素的吸收依赖于3个步骤: 1）肠细胞刷状缘膜水平上的吸收,部分通过胆固醇转运载体和被动扩散吸收[10]。2）部分吸收的β-胡萝卜素被酶转化成视黄醛,包括通过BCMO1的中心裂解和BCDO2的非中心裂解[11]。此外,肠细胞β-胡萝卜素裂解的程度在不同种类的动物是不同的,人和一些动物如雪貂可以吸收大量完整的β-胡萝卜素,而啮齿类动物则不能[12]。视黄醛通过视黄醛脱氢酶（retinal dehydrogenases,RDHs）代谢成视黄醇,之后通过卵磷脂视黄醇酰基转移酶（lecithin retinolacyl transferase,LRAT）和酰基辅酶A视黄醇酰基转移酶（acyl-CoA retinol acyl transferase,ARAT）酯化成视黄酯[13]。视黄酯以及未转化的β-胡萝卜素之后形成乳糜微粒[14]。一小部分的视黄醛通过RDHs被氧化成视黄酸（retinoid acids）。而阿朴胡萝卜醛的代谢途径还不清楚,但是一部分可能被氧化成相关的阿朴视黄酸[12]。3）乳糜微粒与饲粮中的脂肪进入淋巴循环。此外,更多的亲水复合物,如非酯化的视黄醇和视黄酸,直接分泌进入血液[15]。

由于BCDO2的生理功能仍然未知,故推测BCDO2可能作为BCMO1缺乏时,从维生素A原形成维生素A的替代路径。为了验证这种可能, Hessel等[16]用敲除BCMO1基因的小鼠做了试验,结果表明,饲喂含β-胡萝卜素饲粮（饲粮中维生素A含量极低）的敲除BCMO1基因的小鼠在组织中积累了β-胡萝卜素,而且血浆中的β-胡萝卜素比饲喂相同饲粮的野生型小鼠高35倍。此外,敲除BCMO1基因的小鼠不能从β-胡萝卜素产生维生素A。敲除BCMO1基因的小鼠内脏脂肪组织中BCDO2m RNA的表达也未升高,说明酶的非中心裂解并不是维生素A原形成维生素A的替代途径。所以到现在为止,还没有对BCDO2生理功能的合理解释[12]。

在小鼠上,BCMO1是过氧化物酶体增殖激活受体（peroxisome pro liferator activated recep tor, PPARγ）的靶基因。过氧化物酶体增殖反应元件（peroxisome p ro lifera tor response elemen t, PPRE）位于BCMO1基因的启动子区域,PPRE是PPARγ的识别位点,也是BCMO1基因的重要调控器。此外,维甲酸X受体（retinoic acid X receptors,RXRs）的同源二聚体或PPAR/RXRs异源二聚体对于BCMO1的转录是必需的[17],其中异源二聚体对于启动BCMO1的转录最有效。营养状态可以显著影响BCMO1的活性[18]。现已证实β-胡萝卜素的转化效率至少部分与机体维生素A状态相关[19],这可能与视黄酸对BCMO1 m RNA表达的负反馈相关[20-21]。在大鼠,维生素A缺乏组BCMO1的活性是对照组的2倍多,而低蛋白质饲粮组BCMO1的活性只有对照组活性的25%[18]。在鸡和大鼠上,视黄酸的添加可以降低肠道BCMO1的活性,并下调BCMO1mRNA的水平[2]。大鼠饲喂维甲酸受体α（retinoic acid receptorα,RARα）的拮抗剂会导致BCMO1活性有所增加[22]。此外,氨基酸顺序的比较研究表明人、大鼠、鸡和果蝇的BCMO1有大体的序列同源性[8]。

1.2 类胡萝卜素的代谢转运

视黄醇大部分以脂肪酸酯的形式存储在细胞中（主要是肝脏星状细胞）。视黄醇可以结合到血浆视黄醇结合蛋白（retino l binding p rotein,RBP4）以视黄醇-RBP4复合物的形式分泌入血液,此过程受到紧密调控以保持其在血浆浓度中的恒定性[12]。RBP4是血浆中视黄醇的主要转运载体,并将视黄醇转运到靶组织[23-24]。此外,视黄醇亦是储存在禽蛋中最主要的类维生素A,并通过血浆RBP4转运。STRA 6是一组可以由视黄酸诱导的基因,该组基因可以表达跨膜蛋白质和其他蛋白质,这些蛋白质的作用还不是很清楚[25]。STRA 6是视黄醇-RBP4复合物的特异性受体,位于靶组织的细胞膜上。人的STRA6特异性与RBP4结合并介导视黄醇的转运和吸收[25-26]。之后在靶细胞内,视黄醇结合到细胞内的RBP1（或RBP2）,然后视黄醇-RBP1复合物通过LRAT将视黄醇转化成视黄酯,或者通过脱氢酶的作用将视黄醇氧化成视黄醛和视黄酸,从而调控视黄醇的代谢。RBP1和LRAT在视黄醇的酯化过程中起重要作用,且它们在肝星状细胞高度表达[27]。

2 类胡萝卜素参与基因代谢的调控

通过RDHs催化,视黄醇可逆地代谢成视黄醛,视黄醛可以氧化成视黄酸。视黄酸可调控哺乳动物基因的表达,主要是通过调节2种类型的核激素受体:RXRs（RXRα、RXRβ和RXRγ）和RARs （RARα、RARβ和RARγ）。RXRs可以对9-顺式视黄酸产生反应,RARs可以对全反式视黄酸和9-顺式视黄酸产生反应。这些核受体对机体的稳态有广泛的调节作用。RXRs可以和其他Ⅱ型核受体（如甲状腺激素受体、维生素D受体、PPAR、法尼酯X受体和肝X受体）一起作用从而产生多种生物学功能[28]。同样的,RARs和RXRs通过异源二聚体作用也可以产生多种生物学效应,调控形态发生、器官发生到细胞生长、分化和凋亡。此外,非中心裂解产物β-阿朴-14'-胡萝卜醛（而不是β-阿朴-8'-胡萝卜醛和β-阿朴-12'-胡萝卜醛）可以通过抑制PPARα、PPARγ和RXRs的激活,从而抑制前脂肪细胞的分化[29]。因此,β-阿朴-14'-胡萝卜醛、视黄醛和视黄酸在调控核受体的活性中起重要作用。

3 类胡萝卜素的抗氧化/促氧化作用和免疫调节作用

3.1 类胡萝卜素的抗氧化/促氧化作用

许多试验观察到了类胡萝卜素的抗氧化和促氧化作用,一些试验同时观察到了这2种作用[30]。β-胡萝卜素的抗氧化与促氧化效果可能依赖于氧压和β-胡萝卜素的浓度。Zhang等[31]测定了β-胡萝卜素、α-生育酚和维生素C在不同的氧压下对人肺细胞的抗氧化和促氧化作用。试验表明,在低氧条件下,3种物质都产生浓度依赖性抗氧化效果。但在高氧压时,β-胡萝卜素表现出了促氧化作用,而α-生育酚和维生素C的抗氧化作用在高氧压时也减弱。此外,类胡萝卜素与维生素E和维生素A之间存在相互作用[32]。β-胡萝卜素和维生素E、叶黄素和维生素E的混合物可以更有效地抑制氢过氧化物形成[33]。

一些流行病学的研究表明β-胡萝卜素对肺癌的发生有负面作用[34]。β-胡萝卜素对吸烟者的负面作用可能与膳食中添加了大量的β-胡萝卜素以及吸烟者肺中产生的大量自由基有关[35]。一些学者推测添加高剂量的β-胡萝卜素和吸烟会造成RARβ基因表达的抑制和AP-1的过表达,导致类维生素A的信号减弱,从而形成肺肿瘤[34]。此外, β-胡萝卜素的氧化产物（如β-阿朴胡萝卜醛和β-胡萝卜素环氧化物）可以通过某些方面促进肺肿瘤生成,如视黄酸分解代谢的增强[36]、RARβ的下调和原癌基因（c-jun和c-fos）表达的上调[35]。

因此,类胡萝卜素的抗氧化和促氧化结果的不同可能与以下原因相关:1）体外试验中溶解类胡萝卜素使用的溶剂不同;2）诱导氧化应激所使用的方法不同;3）其他抗氧化的使用（维生素C和维生素E）;4）试验中所使用的动物不同;5）测定各种类胡萝卜素效果的方法和指标不同;6）在不同的氧压下观察到的效果不同。

3.2 类胡萝卜素对免疫功能的影响

免疫细胞类胡萝卜素的含量可能会影响其免疫应答。例如,单核细胞β-胡萝卜素的含量是其他非免疫组织的10倍[37]。因此,免疫细胞含有大量饲粮或胚胎来源的类胡萝卜素,可能对其炎症免疫应答起重要作用。此外,由各种抗原导致的机体炎症和体液免疫应答等免疫激活会降低血液循环中的类胡萝卜素水平[38-41]。

关于类胡萝卜素对免疫功能影响的研究大量集中在β-胡萝卜素。β-胡萝卜素可以刺激大鼠、猪和牛淋巴细胞的增殖[42]。在人的研究上,β-胡萝卜素的添加可以增加辅助性T细胞和T淋巴细胞的数量、增强自然杀伤细胞的活性[37]。在体外,β-胡萝卜素可以诱导仓鼠巨噬细胞产生肿瘤坏死因子-α（TNF-α）。给围产期的牛饲喂β-胡萝卜素,可以增强血液中的中性粒细胞的杀伤力[38]。斑蝥黄增加了人外周血淋巴细胞中辅助性T细胞和自然杀伤细胞活性分子的表达。用猫等（不能有效地将类胡萝卜素转化成维生素A）动物做试验,表明非维生素A前体的类胡萝卜素也能够增加免疫力[42]。叶黄素和虾青素可以增加离体小鼠脾细胞对T细胞抗原的抗体应答,此外,叶黄素还会影响抗体的产生、B细胞的增殖和分化、迟发型超敏反应、T细胞亚群比例[43]。在增强细胞免疫和体液免疫应答方面,一些非维生素A原的类胡萝卜素有时比β-胡萝卜素更有效[42]。

虾青素、斑蝥黄、叶黄素和β-胡萝卜素都有抑制肿瘤生长的作用。叶黄素可以阻止肿瘤相关的淋巴细胞亚群的改变。此外,饲粮中叶黄素的添加提高了带瘤小鼠脾细胞IFN-γmRNA的表达,减少了IL-10的表达[42]。饲粮中的叶黄素减少了带瘤小鼠血液粒细胞的凋亡,因此增强了机体免疫状态。此外,类胡萝卜素对幼年动物早期的免疫功能起重要调节作用。小鼠胎儿免疫系统的个体发育需要母源饲粮中的类胡萝卜素刺激[44]。类胡萝卜素在禽类免疫系统早期发育中的作用可能与胚胎形成过程中法氏囊B细胞的发育和出生后法氏囊中大量存在的类胡萝卜素有关[1,38]。

4 母源类胡萝卜素对胚胎发育的作用

类胡萝卜素是天然的脂溶性抗氧化剂,可以增强胚胎的抗氧化能力,从而保护生长发育的组织免受活性氧（reactive oxygen species,ROS）和自由基的损伤[45-46]。这些保护作用是十分重要的,因为禽类胚胎组织含有大量易受自由基攻击的不饱和脂肪酸。此外,对早熟性的禽类（如鸡）而言,在孵化后从尿囊过渡到肺呼吸,需要代谢率和耗氧量快速增加以维持机体体温和活动的需要。禽类胚胎有完整的抗氧化系统,包括蛋黄来源的（如维生素E、类胡萝卜素、硒）和胚胎合成的（如维生素C、谷胱甘肽）抗氧化剂,各种组分之间相互协同形成有机统一的抗氧化系统。类胡萝卜素在抗氧化系统中起重要作用,可以有效淬灭单线态氧和清除自由基,特别是在胚胎组织的低氧条件下[45]。研究表明类胡萝卜素含量高的鸡蛋可以降低仔鸡孵出后体组织脂质的过氧化。母鸡饲粮中添加类胡萝卜素3周,所产蛋的蛋黄中类胡萝卜素的含量就达到新的稳定状态[1],许多蛋黄中的类胡萝卜素大部分储存到胚胎的肝脏中,而仔鸡饲粮中添加的类胡萝卜素广泛沉积于体内各部位。此外,母源饲粮中的类胡萝卜素至少在孵化后1周内起主要作用,而从第2周开始,仔鸡饲粮中类胡萝卜素的添加逐渐影响机体类胡萝卜素的沉积。由于类胡萝卜素的抗氧化和免疫调控作用对出生后的仔鸡有重要作用,因此,母源性的类胡萝卜素可能会对仔鸡的活力产生很大影响[1]。

5 卵巢中与类胡萝卜素代谢相关基因的表达

大量的研究集中在饲粮中类维生素A和类胡萝卜素的转运以及它们在卵细胞中的沉积,但是近来在哺乳动物和鱼类的研究也表明卵巢是类维生素A和类胡萝卜素代谢的重要位点。类维生素A对于生殖细胞的凋亡、卵母细胞的成熟、存活和活力是非常重要的,并影响卵泡的类固醇合成[47-48]。视黄醇在牛优势卵泡的卵泡液中存在,在非闭锁卵泡浓度最高,而在闭锁的小卵泡浓度最低[49],而且β-胡萝卜素转化成视黄醇与卵泡成熟的进程相关[27]。

此外,牛卵丘颗粒细胞合成视黄酸并表达RXRs、醛脱氢酶-1家族和PPARγ,表明卵泡成熟过程中相关基因的转录调控[50]。Brown等[49]研究表明牛卵泡膜细胞和颗粒细胞可以表达和合成RBP4和RBP1,从而转运视黄醇通过卵泡基底膜。Levi等[27]用原位杂交测定了虹鳟鱼卵泡膜层、颗粒细胞、基质细胞和卵黄发生的卵母细胞中与类胡萝卜素代谢相关基因的表达（BCMO1、BCDO2、RBP1、LRAT、RBP4和STRA6）。结果表明与β-胡萝卜素裂解相关的酶、与视黄酯储存和转运相关的酶以及与视黄醇结合蛋白合成相关的酶在卵巢细胞都有表达,这些基因在虹鳟鱼卵巢中的高表达表明卵巢也起着肝外组织储存视黄酯和视黄醇合成的作用。

6 小 结

人们对类胡萝卜素消化吸收、代谢转运、抗氧化作用、免疫调节作用及其在基因表达调控中的研究逐渐阐明了类胡萝卜素的功能和作用机理,特别是最近BCMO1的纯化和STRA 6转运蛋白的发现,对类胡萝卜素的研究具有重大意义。但关于类胡萝卜素的研究主要集中在β-胡萝卜素,对其他一些类胡萝卜素的研究较少。我们需要进一步研究其他一些类胡萝卜素（特别是非维生素A前体的类胡萝卜素）是否存在代谢相关的酶,其代谢产物是否具有生物学活性和功能,不同类胡萝卜素在机体不同组织部位是否有特异性转运载体,这些载体对不同类胡萝卜素的转运是否存在顺、反和结构特异性。此外,炎症产生的氧化产物也可以与类胡萝卜素相互作用,因此,类胡萝卜素和炎症之间的关系也需进一步研究。

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*Correspond ing au thor,p rofessor,E-m ail:yzbi@scau.edu.cn

（编辑 何丽霞）