核苷酸对幼龄动物肠道发育和免疫功能的影响

■C.D.Mateo H.H.Stein

(美国南达科他州立大学动物科学系，美国布鲁金斯市南达科他州 57007)

1 核苷酸

核苷酸是自然界普遍存在的分子，其结构多种多样。核苷酸是由一个含氮碱基连接在至少有一个磷酸基团的戊糖上（见图1）。戊糖在RNA中是核糖，而在DNA中是2'-脱氧核糖。核苷酸的碱基可能是嘌呤、嘧啶中的一种。嘧啶碱基是一个六环结构，包括尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶（见表1）。磷酸基团可以是一个、两个、三个磷酸的结构，而且通常与戊糖的C-5'羟基结合(Rudolph,1994)。

图1 核苷酸结构

表1 核苷酸术语

当未结合磷酸基团时,核苷酸变为核苷。碱基(嘧啶的N-1氮与嘌呤N-3氮)和戊糖(C-1碳)之间由糖苷键连接形成核苷(Voet等,1995)。在相邻核苷酸戊糖的3'、5'位点之间形成磷酸二酯键从而形成核苷酸链,我们称之为核酸。核酸与蛋白结合形成核蛋白。

2 食品和饲料中的核苷酸

在高蛋白食品中富含核苷酸，特别是肌酐酸IMP(Carver等，1995)。通常来说，由细胞组成的饲料或食品都是日粮核苷酸（以核蛋白的形式）的来源。肉类内脏、鸡肉和海产品中富含核蛋白(Kojima，1974；Clifford等，1976；Barness，1994)。单细胞蛋白、面包酵母、啤酒酵母、酵母提取物是核苷酸含量较高的原料（Maloney，1998；Ingledew，1999；Tibbets，2002）。饲料原料通常不会分析其中核苷酸的含量，大部分常用的原料核苷酸含量都相对较低。一些原料的核苷酸含量见表2。

不同动物乳汁中核苷酸的含量不同，而且哺乳期不同核苷酸含量也会有变动(Johke，1963；Gil等，1981；Gil等，1982a；Mateo等，2004b)。在本试验室最近的一项试验中，我们发现母猪乳汁中5'AMP、5'CMP、5'GMP、5'IMP和5'UMP在哺乳期前两周有变化，在之后变化浓度相对比较稳定(Mateo等，2004b)（具体见表3）。

由于不同动物乳汁中核苷酸含量的不同，那么很可能不同动物对核苷酸的需要量也会不同，但是我们现在没有关于动物核苷酸需要量的任何数据。在应激和快速生长阶段，动物对核苷酸的需要量增加。因此，家畜在断奶阶段对核苷酸的需要量可能会增加。本试验的目的就是研究如何解决这个问题。

3 核苷酸的消化、吸收和代谢

日粮中的核蛋白、核酸、核苷酸在吸收前需经过酶解，因为只有核苷、碱基和少量的核苷酸能被直接吸收。小肠是消化吸收的主要位点。内切核苷酸酶、磷酸二酯酶、核苷磷酯化酶是消化吸收过程中的主要酶类(见图2)。这些酶来源于小肠的刷状缘上皮(Markiewicz，1983；Morley等，1987)、胰液(Weickman 等，1981)和胆汁(Holdsworth等，1975)。与成年人不同，婴幼儿对核苷酸确切的消化机理还未知(Carver等，1995)。但是，Thorell等(1996)评估了婴幼儿对核酸和核苷酸的消化代谢能力，研究结果表明，胎儿小肠中存在核苷酸代谢相关酶类。

表3 不同动物乳汁中AMP、GMP、IMP、CMP、UMP的含量(μmoles/100 ml)ab

图2 核苷酸的消化吸收（来源于Quan等，1991）

十二指肠对核苷酸类物质的吸收能力最强(Bronk等，1987)。不同核苷酸的吸收效率不同，而鸟苷的吸收速度最快(Sanderson等，1994)。在生理状态下，核苷酸通过细胞膜的能力有限(Sanderson等，1994)。可能是因为缺乏相关核苷酸转运系统。核苷酸还含有高负电荷的磷酸基团，阻碍了其吸收。因此，核苷是嘌呤和嘧啶进入上皮细胞的主要形式。日粮和内源的核苷及碱基的90%以上被吸收进入上皮细胞(Salati等，1984；Uauy，1989)。核苷进入上皮细胞通过协助扩散和特定的Na+依赖性转运机制(Bronk等，1987)。

部分吸收的核苷酸和核苷从上皮细胞中进入肝门静脉。这些分子转运至肝细胞中进一步代谢。部分分子分解释放至血液循环中，进入肌肉组织中。如果这些产物未被重新利用生成核酸，或者未被某些组织吸收利用，嘌呤和嘧啶将其分解为尿酸和β-丙氨酸或β-氨基异丁酸(Rudolph，1994；Carver等，1995；Thorell等，1996)。除灵长类外的哺乳动物，尿酸进一步被尿酸酶分解为尿囊素，然后尿囊素排入尿液中。在禽类和灵长类动物中，尿酸通过尿液直接排出。嘧啶的分解代谢产物（如β-丙氨酸或β-氨基异丁酸）进一步分解为NH3、CO2和乙酰辅酶A。

4 核苷酸的合成

如果原料具备，人类和动物都能从头合成核苷酸。这个过程在上皮细胞的胞液中进行，其中含嘌呤和嘧啶合成所需的各种酶。肌苷酸是由α-D-核糖-5-磷酸通过11个反应合成的。在第一个反应中，α-D-核糖-5-磷酸在碳1位点与ATP供应的磷酸基团磷酸化形成磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。在第二个反应中，一个N-糖苷键合成5-磷酸核糖胺，谷氨酰胺是氮的提供者。甘氨酸、天冬氨酸和四氢叶酸是IMP合成过程中需要的其他前体物。IMP通过腺苷酸基琥珀酸和单磷酸黄嘌呤核苷分别合成腺嘌呤和鸟嘌呤（Rodwell，2000）。嘧啶合成的前体物有氨甲酰磷酸和天冬氨酸。尿嘧啶的合成需要6步反应。尿嘧啶（UMP）脱磷酸生成二磷酸尿嘧啶，随后转化为胞嘧啶和胸腺嘧啶。胞嘧啶和胸腺嘧啶的合成过程中分别需要谷氨酰胺和N5N10-甲烯四氢叶酸（Rodwell，2000）。内源合成嘌呤和嘧啶是一个需要消耗大量ATP的过程。

从核苷和无机磷酸合成核苷酸是一个内源补救合成途径。其中核苷可能来源于日粮中的核苷酸，因为大部分核苷酸在吸收前都降解为核苷。这个途径同样也能将核苷酸分解生成的核苷磷酸化重新生成核苷酸。这个途径能有效节省能量，而且能让不能从头合成核苷酸的细胞（如：白细胞、红细胞、骨髓细胞、肠道黏膜细胞、淋巴细胞）能维持其核苷酸池(Sanderson等，1994)。

嘌呤和嘧啶合成的摩尔量是相同的。合成受到反馈调节和变构调节的严格控制(Rodwell，2000)。

5 核苷酸的储存

核苷酸代谢以稳定的合成和分解为特点。动物示踪素的研究结果表明，2%～5%的日粮核苷酸存留在小肠、肝脏和骨骼肌代谢池中（Saviano等，1978）。也有研究表明，当动物为幼龄动物（Kobota，1969）或者处于饥饿状态（Saviano 等，1978；Gross等，1991）时，组织中存留的核苷酸会增加，这可能是生理需求的表现。核苷酸代谢池在分化细胞中（如癌细胞）比未分化细胞中（如正常细胞）更大（Sanderson等，1994）。这表明未分化细胞更依赖于日粮提供的核苷酸。

6 核苷酸的生理功能

所有细胞中核苷酸的浓度基本保持不变，而脱氧核苷酸在细胞的不同周期含量变化较大(Barness，1994)。核苷酸是核酸（如DNA和RNA）的基本组成单位。但是，核苷酸在机体内还有其他的生理功能，如能量来源（ATP和GTP）、氧化反应的辅因子(如FAD、NAD+和 NADP+)、生理调节因子(如cAMP和 cGMP)和转运活性物质(如UDP-葡萄糖、CMP-唾液酸和CDP-胆碱)和辅酶基团(如 CoA)。

快速分裂组织中DNA复制和RNA的合成速度都有提高（Cory，1992）。因为核苷酸是RNA合成的单位，在受伤或营养缺乏后新组织的再生加速了（Iwasa等，1997；Yamauchi等，1998）。发生在细胞周期S阶段的DNA复制时，嘌呤和嘧啶的合成酶活性增加，核苷酸相互转化增加（Carver等，1995）。因此，在细胞分化和生长期间核苷酸的需要增加（Tsujinaka等，1999）。

日粮核苷酸同时还与细胞免疫和体液免疫相关，但是其确切的机理还不清楚。核苷酸的缺乏引起T细胞停留在细胞周期的G阶段，阻止对在转化成S阶段时产生的各种免疫信号的反应(Kulkarni等，1994)。同时缺乏核苷酸还能引起吞噬活性、淋巴因子生成的降低，阻碍淋巴细胞的成熟(Paubert-Braquet等，1992)。日粮核苷酸有助于增加可利用的核苷，促进白细胞的生成(Kulkarni等，1994；Carver等，1995)。因此，在免疫激发期间，动物对核苷酸的需要量增加。

婴幼儿的抗体免疫反应中日粮因素发挥了一定的作用。婴儿食用强化的核苷酸奶粉有更好的免疫反应，因为可以增强体液免疫反应（Fanslow等，1988；Pickering等，1998），增加细胞因子生产（Carver等，1991）。老鼠日粮中添加核苷酸的活体试验结果与此类似(Jyonouchi等，1993；Jyonouchi，1994)。无核苷酸日粮中添加单核苷酸(如AMP、GMP或UMP)可以增加免疫球蛋白的浓度(Navarro等，1996)。脂多糖攻毒的新生公牛代乳粉中补充纯核苷酸有提高IgG水平的趋势(Oliver等，2003)。核苷酸同样能增加50%和30%植物血凝素和伴刀豆球蛋白A攻毒断奶仔猪的淋巴细胞水平(Zomborsky-Kovacs等，1998)。给受血蓝蛋白和非特异性T细胞分裂素攻毒的仔猪饲喂酵母RNA也能得到类似的结果(Cameron等，2001)。 受大肠杆菌感染的仔猪日粮中添加酵母提取物作为核苷酸来源可以减少腹泻，改善增重和饲料转化效率(Maribo，2003)。这些试验的研究结果表明，日粮核苷酸在维持、发育、提高免疫系统功能方面具有一定的作用。

日粮核苷酸提高肠道对铁的吸收，影响脂蛋白和多不饱和脂肪酸的代谢，改善肠道黏膜和肝的营养，降低腹泻几率（Cosgrove，1998；Schlimme等，2000）。喂食添加了核苷酸奶粉的婴儿粪便菌群中，双歧杆菌占优势（Tanaka等，1980），而在未添加核苷酸的粪便中肠细菌占优势（Uauy，1994）。这些研究结果表明核苷酸能改善肠道中的菌群，从而导致肠道pH值较低，阻碍病原菌的增殖，表现为较少腹泻（Yu，1998）。

核苷酸能增强接种白色念珠菌(Fanslow等，1988)和金黄色葡萄球菌(Kulkarni等，1986；Carver，1994)的老鼠对细菌的抵抗力。腹腔注射核苷酸和核苷能减少细菌转移和菌落数，增加耐受甲氧西林金黄色葡萄球菌攻毒小鼠的存活率(Yamamoto等，1997)。因此，核苷酸能提高动物对许多病原菌的抵抗力。

犊牛代乳粉中添加酵母提取物的核苷酸，从粪便评分中看出可改善肠道健康 (Oliver等，2002)。核苷酸（含量与人类乳汁中相似）可以保护小猪肠道免受缺血再灌注导致的炎症反应(Bustamante等，1994)。

日粮核苷通过增加小肠黏膜蛋白、DNA的表达，更高的绒毛，增加麦芽糖酶和乳糖酶的比值，表明其可以增强肠道上皮细胞的生长和成熟(Uauy等，1990；Carver，1994)。日粮核苷酸还能促进肠上皮细胞分化(Sanderson等，1994)。肠外补充核酸能提高黏膜湿重、蛋白和DNA含量、绒毛高度，降低空肠黏膜紧密连接的宽度(使连接更紧密)(Kishibuchi等，1997；Tsujinaka等，1999)。而胃肠道的发育情况直接影响营养物质的消化率，最终影响生长性能。由于核苷酸在维持肠道形态和成熟方面的作用，为了维持仔猪断奶阶段肠道的结构和功能，在日粮中补充核苷酸是必要的。

7 断奶仔猪日粮中是否需要补充核苷酸

动物处于免疫抑制、快速生长或应激阶段时对核苷酸的需要量增加。刚断奶仔猪，所有这些状况在刚断奶仔猪上都存在。因此，我们认为断奶仔猪对核苷酸需要量很高。由于核苷酸的合成需要能量和谷氨酰胺，断奶仔猪经常处于能量和谷氨酰胺缺乏的状况，有可能其不能合成足够的核苷酸满足需要。如果假设成立，那么在日粮中必须添加核苷酸。在一个典型断奶仔猪配方中，5'CMP的浓度与母猪哺乳后期乳汁干物质中的含量接近 ，但是5'AMP、5'GMP、5'IMP和 5'UMP比乳汁中的浓度低很多(见表4)。假设母猪乳汁中核苷酸的浓度代表了仔猪核苷酸的需要，那么很明显仔猪日粮中缺乏五种核苷酸中的四种。因此在这些日粮中添加核苷酸是有益的。本试验室最近做的一个试验研究了教槽料中添加核苷的效果。使用核苷的原因是核苷酸在吸收前必须降解为核苷。在断奶后0、7、14 d收集仔猪血液和粪便样品，血样分析IgG含量，粪便样品中分析微生物菌群。试验结果表明，添加核苷酸能降低粪便中产气荚膜杆菌数量。断奶后第14 d，核苷酸能提高粪便中嗜酸杆菌和双歧杆菌数量(Mateo等，2004a)。这些试验结果表明，断奶仔猪日粮中添加核苷酸能降低产气荚膜菌数量，增加嗜酸杆菌和双歧杆菌数量，从而改善肠道菌群。随后的体外试验结果也证明了这一点，核苷酸具有抑制产气荚膜菌和大肠杆菌的能力。结果表明，在仔猪日粮中添加核苷能改善肠道健康、减少腹泻，提高生长性能。尽管以上试验中并未发现提高血清IgG水平，但是核苷酸可能通过改善肠道健康改善机体免疫功能。肠细菌的减少和有益菌（嗜酸杆菌和双歧杆菌）的增加可能改善肠道形态，提高营养摄入。

表4 典型教槽料中核苷酸的含量（计算值）a

8 结论

核苷酸具有多种多样的分子结构。是由含氮碱基与至少含一个磷酸基团的戊糖连接而成。食品和饲料原料都能提供核苷酸。核苷酸在机体内发挥着重要的生理功能、胃肠道和免疫功能。幼龄动物代谢核酸的确切机理还不十分清楚。与补救合成相比，从头合成核苷酸需要消耗大量能量和底物。在快速生长发育、疾病、创伤或应激状态下，日粮中补充核苷酸能促进免疫系统发育，维持肠道健康，节省能量。即使这样，针对核苷酸营养我们还需要进一步的、更加深入的研究。