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组氨酸的生理功能及在动物生产中的应用

2018-01-24武书庚齐广海张海军

中国饲料 2018年7期
关键词:组氨酸肌肽组胺

胡 孟,武书庚,王 晶,齐广海,张海军

(中国农业科学院饲料研究所,农业部饲料生物技术重点开放试验室,北京朝阳100081)

随着社会的快速发展,人民生活水平不断提高,对肉制品的消费不仅只关注其营养特性,更对其维护健康的功能特性提出了更高的要求,如抗氧化、抗衰老等。作为一种内源功能性物质,肌肽具备抗氧化、抗衰老、抗疲劳、增强肌肉缓冲力、维持pH稳定等作用 (Guiotto等,2005;周宏博等,2003)。肌肽是由组氨酸和β-丙氨酸形成的二肽。

组氨酸在动物体内可自身合成,但是,幼龄动物体内组氨酸合成量不能满足机体生长需要,即使是成年动物,若不从食物中补充,体内合成量也不能满足需要,因此称为半必需氨基酸(鸡猪的必需氨基酸)。组氨酸在维持动物生产、调控肌肉生长、改善肉品质、提高肌肽含量等方面发挥重要作用。本文就组氨酸的来源和代谢、生理功能、营养需要量及在动物生产中的应用等方面进行综述,以期为其在畜牧生产中应用提供科学依据。

1 组氨酸的来源和代谢

1.1来源 组氨酸的来源有动物性来源和微生物发酵。动物性来源是通过水解血粉提取组氨酸,但生产工艺复杂,产率较低。微生物发酵是通过培育诱导突变性细菌生产组氨酸,逐渐受到关注。

1.1.1动物性来源 将血粉加入盐酸溶液,油浴回流水解,水解液1~4℃放置2 d,过滤去除络氨酸。滤液调pH至2.5,上柱,收集含有组氨酸的洗脱液,洗脱液浓缩至出现结晶,趁热调pH为2.5,立即加入2倍体积乙醇,静置、沉淀、过滤,即得组氨酸盐酸盐粗品(王精华等,1980)。由于反刍动物饲料中禁止使用动物源性饲料产品,并且产率较低等限制了该生产工艺进一步的发展。

1.1.2微生物发酵 发酵法主要通过对组氨酸产生菌(谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等)进行诱变,选育出营养缺陷型及组氨酸结构类似物抗性突变株,以解除代谢调节中的反馈抑制和反馈阻遏,从而达到过量积累组氨酸目的(宋佳等,2007)。5-磷酸核糖是组氨酸的前体物,也是嘌呤嘧啶的前体物,利用嘌呤结构类似物减少前体物的消耗,可促进组氨酸的合成。同时磷酸核糖-ATP焦磷酸化酶为组氨酸合成的限速酶(许益清等,2005),组氨酸对其有反馈抑制作用,通过选育解除组氨酸反馈调节结构类似物的菌体,以实现解除反馈调节目的。发酵法具有原料成本低,反应条件温和,极易实现大规模生产等优点(孙希叶等,2010),是一种非常经济有效的生产方法。

1.2代谢

1.2.1体内合成 在生物体内,组氨酸可以通过一些普通中间物质转化合成,合成过程简单,中间主要涉及HMP等。

组氨酸生物合成途径是由HMP途径的中间产物D-核酮糖经磷酸戊糖异构酶生成D-核糖,再在磷酸核糖焦磷酸激酶作用下生成磷酸核糖焦磷酸(PRPP),然后进入组氨酸合成途径。PRPP不仅是组氨酸的前体物,也是嘌吟、嘧啶的前体物,因此PRPP的合成不仅受到组氨酸的反馈调节,也受到嘌呤、嘧啶的反馈调节。

1.2.2体内降解 组氨酸降解主要有三个通路:脱氨反应、转氨反应和脱羧反应。其中脱氨生成尿刊酸,最终转化为亚氨甲基谷氨酸为主要通路。

组氨酸脱氨酶主要存在于肝脏和皮肤角质层中,其可以被胰高血糖素、糖皮质激素激活,加快组氨酸分解。雌激素能加强脱氨酶活性,有研究表明,卵巢切除雌性小鼠肝脏酶活性被抑制,注射17-β雌二醇后可恢复,加快了组氨酸的分解(Feigelson,1968)。尿刊酸是组氨酸脱氨代谢的一个中间产物,其能促进皮肤对紫外线的吸收,维持皮肤的正常功能。

组氨酸转氨酶主要在肝脏中,通常与丙酮酸相连,生成丙酮酸和咪唑丙酮酸。在组氨酸酶缺乏的患者血液中组氨酸水平明显高于正常值,尿液中也含有大量组氨酸,Brand和Harper(1976)研究表明,组氨酸转氨酶是组氨酸降解的限速酶。

组氨酸在组氨酸脱羧酶的作用下转化为重要的神经胺-组胺,组胺广泛存在于动物体,在动物的胃、肝、肺、肌肉等都有存在,其具有强烈舒血管作用,同时又是一种神经递质,可参与神经系统调节,刺激胃酸和胃蛋白酶的分泌。可见,组氨酸在生物体内去路主要有合成蛋白质、肌肽、转化为咪唑乳酸、组胺等。

2 组氨酸的生理功能及其作用机制

组氨酸作为生物体的组成部分,在动物体内具有重要作用,主要包括参与合成蛋白质、调节神经系统、维持细胞pH稳定、维护机体健康等。

2.1参与机体蛋白质组成 组氨酸为构成蛋白质的23种氨基酸之一,参与机体蛋白质组成,是动物体血红蛋白等的重要组成部分,在血红蛋白中,与血红素接触的残基都位于血红素周围,当该部位发生残基置换时,就会产生各种异常血红蛋白,而异常血红蛋白几乎都能产生临床疾病(先天性青紫)。它们绝大多数由于络氨酸残基取代了近连和远连组氨酸残基。由于络氨酸残基所形成的负离子与Fe3+结合,使血红素固定在高铁状态,从而失去结合O2能力,造成先天性青紫(叶林奇,2000)。

2.2参与神经系统的调节 组氨酸主要通过组胺作用参与神经系统的调节,其在组氨酸脱羧酶作用下合成组胺。研究表明,哺乳动物组胺能神经元集中分布于下丘脑后部的结节乳头核(TMN),其神经纤维投射至全脑,在觉醒期TMN内的组胺神经元保持紧张性活动。组胺神经元主要有4种受体(H1~H4),均属于G-蛋白受体视紫红质样家族。组胺系统与中枢神经系统的多种功能均有关,如觉醒、焦虑、交感神经激活、压力相关垂体激素的释放、保水、抑制摄食等(Haas等,2008)。研究发现,中枢组胺的释放与觉醒呈正相关,觉醒期的释放量是睡眠期的4倍;前列腺素E2和神经肽阿立新(orexin)能激活TMN组胺能神经元,增加组胺释放,促进觉醒;前列腺素D2和腺苷能抑制组胺能神经元活性,诱导睡眠(刘天雅等,2011)。调节睡眠的作用机制可能是组胺能与新皮层、海马、杏仁核等脑区的H1受体结合引起神经元兴奋,促进动物觉醒(Haas等,2008)。同时作为脑部神经递质,组胺与多种中枢神经系统疾病有关。研究表明,癫痫易感小鼠脑中组胺含量远低于癫痫耐受性小鼠。电刺激小鼠单侧杏仁核引起癫痫发作的试验中发现,组胺水平下降是癫痫易感性增加的重要原因 (翟煜,2006;陈忠等,2004)。鉴于组胺的以上特性,可以开发组氨酸相关药物分别用于治疗嗜睡病、失眠症、癫痫等。小鼠怀孕期注射组氨酸可影响后代大脑皮质和海马体能量平衡,引起脑部氧化压力增大 (Rojas等,2012;Andrade 等,2012),脑部能量代谢和氧化压力改变会影响神经系统功能,具体机制有待进一步研究。

2.3机体保护作用 细胞内pH稳定是细胞维持一切生命活动的基础。组氨酸含有一个咪唑杂环,在pH 7附近有明显的缓冲能力 (pK’1(-COOH)为 1.82,pK’2(-NH3)为 9.17,pK’R(咪唑基)为6.00。细胞内pH稳定主要靠蛋白质中组氨酸咪唑残基及组氨酸相关物质维持(Andrade等,2012)。不同物种、部位和肌纤维类型,缓冲能力不同。研究鱼类肌肉中组氨酸相关物质缓冲能力发现,枪鱼白肌的缓冲能力是蛙鱼白肌缓冲能力的二倍(Abe等,1985)。缓冲能力不同可能是因为组氨酸及其相关物质在不同动物肌肉中含量不同,枪鱼白肌比蛙鱼白肌含更多的组氨酸及其相关物质。组氨酸具有心脏保护作用,其可恢复心肌异常,防止心肌损伤,阻止由阿霉素诱导的生物化学反应(Obata等,1999)。心肌保护作用可能是通过降低游离自由基毒害作用,抑制活性氧和保留高能磷酸阻止离体心脏缺血再充盈损伤(Farshid等,2010),以及由于心肌缺血时细胞糖酵解作用增强,组氨酸及其相关物质可维持细胞pH稳定,从而维护心肌的正常功能。同时脑外伤的神经保护也与组胺有关,研究表明脑外伤后自身神经修复是非常有限的,组胺在脑发育和神经再生中具有重要作用,其作用机理主要是通过激活组胺能神经系统,进而激活神经干细胞上的H1受体,促进受伤神经纤维的再生(廖儒佳,2017)。组氨酸具有抗炎、抗氧化作用(Feng等,2013),其主要通过NF-κB和PPARγ两条路径实现,C-反应蛋白、白介素-6和细胞肿瘤坏死因子α等均能促进炎症反应 (Trayhurn等,2014),NF-κB是炎症反应基因的重要转录因子(Dev,2010),可促进以上因子的合成,脂联素为脂肪组织分泌的一种蛋白质,具有减轻炎症作用(Kwon等,2013),组氨酸可通过抑制NF-κB激活和下调促炎因子的生成而发挥抗炎作用 (Andou等,2009),同时也可通过激活PPARγ增加脂联素分泌而发挥抗炎作用(Sun等,2014)。可见组氨酸可通过不同途径实现抗炎和抗氧化。在急性肝衰竭患者体内,由于酶代谢异常,不能及时清除谷氨酸代谢产物氨,导致人颅内氧化压力升高,脑水肿等症状。组氨酸可减轻氧化压力 (Rao等,2010),其机制也可能是组氨酸及其相关物质与代谢产物,抑制了细胞液pH上升,从而维持细胞液稳态,因此其可作为急性肝衰竭引起脑水肿的一种治疗手段。作为肌肽合成前体物质,组氨酸可通过肌肽作用减轻肾脏细胞免受高水平葡萄糖毒害,降低糖尿病小鼠心脏中甘油三酯水平及心肌线粒体损伤,(Janssen等,2005)。减轻细胞受到高水平毒害作用可能是通过降低肾脏细胞中葡萄糖水平实现,研究表明肌肽具有降低葡萄糖水平的作用(Ahshin等,2016),当摄入组氨酸时,动物体内肌肽合成增加,降低了葡萄糖水平。组氨酸可抑制糖尿病小鼠模型中糖尿病并发症, 降低肝和肺的损伤 (Yan等,2009;Lee等,2005)。可见,组氨酸作为一种半必需氨基酸,在保护机体方面发挥了重要作用。

2.4其他作用 组氨酸通过肌肽作用,在神经性疾病(老年痴呆、帕金森疾病等)方面也具有积极作用(Aloisi等,2015;Hipkiss等,2014)。

3 组氨酸在动物生产中的应用

目前,组氨酸对动物影响的研究尚不透彻,其对动物生产性能、饲料利用率影响的研究结果并不一致。作为肌肽合成的前体物质,组氨酸可调节动物体内肌肽含量。肌肽是一种内源功能性物质,在抗氧化、维持肉品质稳定、改善肉质等方面发挥重要作用(Guiotto等,2005;郭爽等,2004)。

3.1动物的营养需要量 动物对组氨酸营养需要量研究不多,且不同动物对组氨酸需要量不同,对于促进动物生产的最佳添加量还未达成共识,随着育种工作和饲养管理的改善,动物对其需要量也在不断变化。研究认为仔猪可消化组氨酸和赖氨酸比例为32%(Gloaguen,2013)或33%(Wessels等,2016),与 NRC(2012)推荐量34%基本一致。Heger等(2003)的氮平衡试验表明,猪组氨酸维持需要评估为14 mg/kg BW0.75,但随后的研究发现,猪组氨酸维持需要仅为4.1 mg/kg BW0.75,远低于前期评估水平,可能是因为该试验前期预试期较短,体内自身不稳定蛋白未被全部消耗,导致氮存留降低,高估了组氨酸维持需要(Heger等,2007)。 Dorigam 等(2016)在肉鸡中研究表明,当日粮可消化组氨酸和赖氨酸比例为35%时,肉鸡生长性能最佳,然而Franco等(2016)研究结果为38%,存在差异原因可能是试验动物周龄不同对组氨酸维持需要量也不同。小鱼(卡特拉魮)日粮中添加0.67%的组氨酸时,其生长性能、氮沉积等指标达到最优,再增加组氨酸浓度时,各项指标保持不变(Zehra等,2014)。可见,适量添加组氨酸可提高鱼类生产性能,过量添加对鱼类无负面作用。作为动物的半必需氨基酸(鸡猪的必需氨基酸),饲喂组氨酸缺乏日粮时,动物采食量、生长速度、饲料利用率均降低(Kasaoka等,2005),同时高剂量组氨酸不利于动物采食,组氨酸有苦味,会降低饲料适口性,因此在动物生产中组氨酸添加应适量。综上可知,不同动物对组氨酸需要量差别较大,其需要量也受其他氨基酸水平影响,此外动物生长阶段、饲料中组氨酸消化率、蛋白质来源、能量、环境等都会影响动物对组氨酸的需要量。由于组氨酸为大多数动物的半必需氨基酸,以往对于组氨酸在动物生产中添加量的研究较少,但作为功能性物质肌肽的前体物质,组氨酸在生产功能性肉制品方面的研究日渐受到重视。

3.2对生产性能的影响 组氨酸为动物的一种半必需氨基酸,其供应量和机体蛋白周转具有明显的线性关系 (Wantanee等,2002)。研究表明,长期摄入低组氨酸日粮,动物体重和采食量显著降低,活动减少,精神不振,甚至死亡(Cianciaruso等,1981)。 Haug等(2008)研究表明,肉仔鸡日粮添加0.3%组氨酸,42 d体重降低15%,可能是日粮中添加过量组氨酸抑制了肉仔鸡采食(Kasaoka等,2004),降低了其生长性能。Kopec等(2013)在日粮中添加0.217%组氨酸未对42 d肉仔鸡体重及饲料效率产生显著影响。以上结果表明,组氨酸可影响动物生产性能,缺乏组氨酸日粮会降低动物生产性能,过量时对生产性能也不利,肉仔鸡日粮中组氨酸低于0.3%时才不影响其生产性能,然而过量添加对鱼类无显著影响,可见不同动物对过量添加组氨酸反应不同,由于鱼类生活在水中,可能组氨酸过量时,鱼类会启动保护机制,通过水溶液加速组氨酸的排泄。对于日粮中添加组氨酸会降低动物生产性能,Masaki等(2001)研究表明,组氨酸可通过上调增加能量消耗的解偶联蛋白(ucp-1)mRNA表达,抑制动物脂肪沉积,增加能量消耗。Bernal-Mizrach等(2002)报道,不考虑食物摄入,ucp-1转基因小鼠减少了体重,增加了耗氧量。可见组氨酸可通过调节基因表达影响动物体内能量代谢。同时当日粮添加组氨酸后,动物体内组胺生成增多,可促进动物觉醒,活动量增大,但可能会导致饲料效率降低。Tomonaga(2004)通过给肉仔鸡中枢神经系统供给肌肽发现,肉仔鸡机体功能亢进,饲料摄入减少,因此日粮添加组氨酸动物生产性能降低也可能是动物体内肌肽含量增加作用的结果。另有研究表明,日粮中添加组氨酸可改善动物体胰岛素抗性(Feng等,2013),所以其也可通过胰岛素作用影响动物的生长。Zhao等(2012)研究表明,适量添加组氨酸可提高幼年鲤鱼生产性能和小肠酶活性,Son等(2005)研究报道,组氨酸可抑制人小肠上皮细胞氧化应激引起的炎症反应,改善肠道健康,同时组氨酸含有咪唑基,其可以与Cu2+、Zn2+等金属离子相结合,促进肠道对Cu2+、Zn2+的吸收,改变金属离子体内分布,Cu2+、Zn2+可参与体内多种酶的组成,在促进动物生产方面具有重要作用。可见组氨酸作为动物的一种半必需氨基酸,其可通过多种途径调节动物的生长,过量添加时会抑制动物采食,降低生产性能。

3.3调控肌肉中肌肽含量 肌肽是一种内源功能性二肽,主要存在于动物的骨骼肌和脑中,在心脏、肾脏和肝脏中也有存在(Suidasari等,2016),其具有抗氧化、抗衰老、抗疲劳、维持pH稳定等特性(Pierro等,2011)。研究表明,其在治疗老年痴呆和帕金森等疾病方面具有重要作用(Aloisi等,2015;Hipkiss,2014)。鉴于肌肽诸多有益的生理学特性,生产富含肌肽的功能性肉制品具有重要意义。

组氨酸是肌肽合成的前体物质(鹅肌肽为肌肽甲基衍生物),日粮中添加组氨酸可提高动物体内肌肽含量。当前国内外关于日粮中添加组氨酸对肌肽含量影响在家禽方面研究较多。Haug等(2008)研究表明,日粮中添加0.1%的组氨酸,肉鸡胸肉中肌肽含量增加64%。当日粮组氨酸含量是NRC(1994)推荐量的2倍时,肉鸡胸肉中肌肽含量增加72%,鹅肌肽含量增加13%(Kai等,2015)。 Kopec 等(2013)研究表明,日粮中添加0.18%组氨酸,肉鸡胸肉中肌肽和鹅肌肽分别增加了 35.24%和 23.33%,Joonghyuck等(2010)在日粮中添加0.5%富含组氨酸血粉,第五周时,肉鸡胸肉中肌肽含量增加了27.76%。Kralik等(2015)在肉鸡后期日粮中添加0.5%组氨酸,胸肉中肌肽含量增加了25.97%。可见,日粮中添加组氨酸可增加肉鸡胸肉中肌肽等二肽含量,添加剂量不同肌肽含量增加不同,但过量添加时会导致生长受阻,因此有必要研究组氨酸的适宜添加剂量,既增加肌肽含量同时又不影响动物生长。在其他动物上也有少量研究,Ogata(2002)在鱼日粮中添加β-丙氨酸和组氨酸 (0.1%+0.25%)发现鱼肉中二肽含量未增加,可能因为鱼类需要更高水平组氨酸,因此为提高鱼类肌肉中肌肽含量应添加更高水平组氨酸。Nagasawa等(2001)在小鼠上的研究表明,日粮中添加2%组氨酸时,肌肉肌肽含量增加了43.52%。综上可知,日粮中添加组氨酸可调节动物体内肌肽含量。不同动物对组氨酸的需要量、敏感性均不同,家禽只需添加较低剂量组氨酸即可使肌肽含量显著提升,而鱼类、小鼠等动物需要更高剂量组氨酸才可明显增加肌肽含量,这也可能是当前研究主要集中在家禽的原因之一。

3.4提高机体抗氧化能力 组氨酸可激活机体非酶和酶的抗氧化系统等。非酶抗氧化系统是指动物体内肌肽等咪唑二肽直接清除自由基、羰基蛋白、脂类过氧化产物(Pierro等,2011)。日粮中添加组氨酸可提高动物体内肌肽含量,减少体内自由基、羰基蛋白含量,降低抗氧化酶消耗,增强机体非酶抗氧化功能。Kralik等(2015)研究发现,日粮中添加0.5%组氨酸可使肉仔鸡胸肉中MDA含量降低30.5%,同时冷冻鸡肉中MDA也有降低趋势,可能是组氨酸增加了肌肉中肌肽含量,减少了脂肪的氧化,提高了肌肉氧化稳定性。酶抗氧化系统则主要是通过增加相关抗氧化酶合成量及活性实现。Hu等(2009)发现,日粮中添加肌肽可提高肉鸡血浆总抗氧化能力。组氨酸具有促进金属离子(Cu2+、Zn2+等)吸收作用,金属离子可参与体内多种酶(SOD等)的组成,因此抗氧化酶活性升高可能与体内金属离子增加而提高抗氧化酶合成量有关,Sun等(2014)研究表明,组氨酸可显著提高小鼠血浆SOD抗氧化能力、降低MDA含量、上调CuZnSOD的mRNA表达。Kopec等 (2015、2013)研究发现,日粮中添加0.18%组氨酸可显著增加火鸡血浆GSH-Px活性,添加4%富含组氨酸血粉可显著增加火鸡血浆GSH-Px和红细胞超氧化物歧化酶活性。组氨酸可剂量依赖性增加小鼠体内过氧化氢酶活性,提高过氧化氢酶mRNA的表达量,增加肝脏谷胱甘肽含量和谷胱甘肽过氧化物酶活性,但对谷胱甘肽过氧化物酶mRNA的表达无影响(Andou等,2009),以上结果表明,组氨酸对两种抗氧化酶的影响途径不同,GSH-Px可通过增加自身活性增强抗氧化能力,过氧化氢酶则通过增加自身合成增强抗氧化能力。综上可知,组氨酸可通过增加合成、降低消耗、提高抗氧化酶活性等方式直接提高机体抗氧化能力,也可通过合成肌肽间接实现抗氧化,减少动物氧化应激,在提高动物生产性能、改善肉品质和延长肉品保藏时间方面发挥重要作用。

4 小结

组氨酸在调控动物生长、提高肌肉抗氧化和肌肽含量等方面发挥重要作用,生产富含肌肽的功能性肉制品正引起科研工作者的高度关注。作为合成肌肽的前体物质,当前组氨酸在动物生产应用中研究较少,组氨酸在动物体内的作用机制还不清楚,仍需要在以下方面做更多的研究:(1)组氨酸对动物体神经系统的影响机制。当前大多数研究认为组氨酸对于神经系统的影响主要是通过组胺调节神经系统实现,Rojas等(2012)却发现添加组氨酸可影响小鼠后代大脑皮质和海马体能量代谢,改变脑部结构,因此组氨酸是否在动物脑部发育过程中也具有一定作用值得探讨;(2)不同动物中组氨酸的最佳添加量。最佳添加量又分为最佳生产性能添加量和最佳肌肽含量添加量,两者的添加水平是否相同,同时不同动物组氨酸的耐受量也尚不清楚;(3)肌肽由组氨酸和丙氨酸组成,为生产富含肌肽功能性肉制品,日粮中两者的最佳添加量仍需进一步研究;(4)体内肌肽含量受肌肽合成相关酶影响,主要有肌肽合成酶(CARNS)、肌肽酶-2(CNDP-2)、肌肽/组氨酸转运体(PHT1、PHT2)、组氨酸脱羧酶(HDC)等,研究表明,日粮中添加β-丙氨酸后可增强CARNS等基因表达,提高肌肽含量(Everaert等,2013;Miyaji等,2012), 而组氨酸是如何影响肌肽合成相关酶表达还不完全清楚;(5)组氨酸添加能增加动物体肌肽含量,但同时又有降低动物采食量,降低生产性能趋势,是否存在一些协同物,即可增加组氨酸向肌肽转化,同时可减少对动物生产性能的影响。可见组氨酸在动物生产中的合理利用,增加肌肉中肌肽含量作用机制及协同物还有待进一步探索,随着人们对组氨酸代谢及作用机制认识的不断深入,组氨酸在动物生产领域将发挥更大作用。

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