胍基乙酸的生理作用和机理及其在肉鸡、猪生产方面的应用

2018-12-13蒋庆友田科雄

动物营养学报 2018年12期

班博蒋庆友杨泰田科雄

(湖南农业大学动物科学技术学院，湖南畜禽安全生产协同创新中心，长沙410128)

胍基乙酸(guanidine acetic acid，GAA)又称胍乙酸、N-咪基甘氨酸，分子式为C3H7N3O2，摩尔质量为117.11 g/mol，白色或灰白色粉末或晶体状，无臭味，溶于水，极微溶于乙醇和乙醚[1-2]。Weber最早从尿液中发现并分离得到GAA，并提出GAA是合成肌酸的前体物质，但没有进行深入的研究[1]。Bloch等[3]发现机体内GAA是由精氨酸和甘氨酸合成的，因此GAA又属于甘氨酸衍生物。GAA在肝脏中通过甲基化的形式最终形成肌酸[4]，饲粮中添加GAA正是为了提高动物机体肌酸的含量，2009年10月欧盟开始将GAA用作饲料添加剂[5]。不含肌酸的植物性饲料原料的广泛使用[6]，提高了动物对精氨酸、甘氨酸的需求量，甚至造成肌酸缺乏症，由于在饲粮中直接添加肌酸成本较高且肌酸不稳定，目前通过在纯植物性饲粮中添加GAA来解决这一问题[7]。GAA的内源合成以及进一步合成肌酸的机理基本研究清楚，但GAA在动物体内的代谢途径、抗氧化机理还有待探索。GAA作为一种新型的饲料添加剂受到越来越多的畜禽生产科研学者的关注，因此，本文对目前GAA在肉鸡和猪多个方面的研究进展进行综述，以期对GAA的进一步研究和探索提供一定的参考。

1 GAA代谢途径

动物机体内存在GAA的内源合成反应，即L-精氨酸的咪基被L-精氨酸甘氨酸咪基转移酶(L-arginine:glycine amidinotranferase,AGAT)切开，甘氨酸与切下来的咪基结合转变为GAA[3]。L-精氨酸切掉咪基后转变为L-鸟氨酸，而L-鸟氨酸可以通过尿素循环重新转化为L-精氨酸。机体内源合成GAA最先在肾脏中被发现，随着进一步的研究发现肝脏和胰脏同样存在合成GAA的反应，但肾脏是合成GAA的主要场所。无论是内源合成的GAA还是通过采食饲粮摄取的GAA，都可以经血液循环运输到肝脏，通过甲基化的方式进一步合成肌酸。GAA到达肝脏后由S-腺苷蛋氨酸(S-adenosyl methionine，SAM)提供甲基在S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N-甲基转移酶(S-adenosylmethionine:guanidinoacetate N-methyltransferase，GAMT)的催化下，GAA接受甲基生成肌酸。SAM失去甲基后转化为S-腺苷高半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine，SAH)，SAH可以通过腺嘌呤核苷同型半胱氨酸水解酶水解形成腺嘌呤核苷和同型半胱氨酸。因此在机体内同型半胱氨酸的产生和GAA甲基化反应存在着紧密的联系[1]。Stead等[4]研究发现，GAA合成肌酸所需的甲基主要由SAM提供，而不是机体内存在的其他甲基化反应都可以提供，并且机体中超过85%的由SAM提供甲基的反应发生在肝脏中[8]。因此饲粮中过量添加GAA会增加甲基的需要量，同时提高同型半胱氨酸的含量，导致胱氨酸血症的发生，Setoue等[9]、Ohuchi等[10]在研究中也发现这一问题。在甜菜碱-高半胱氨酸S-甲基转移酶(betaine-homocysteine methyltransferase，BHMT)的催化下，甜菜碱的甲基可以将高半胱氨酸重新甲基化为甲硫氨酸，另外胆碱还具有增强BHMT活性的作用。所以在饲粮中添加GAA的同时添加胆碱和甜菜碱可以有效抑制胱氨酸血症的发生[11]。另外在大鼠上的研究结果表明，饲粮中添加高络蛋白、香菇嘌呤等也能有效抑制GAA诱导的胱氨酸血症[12]。

肌酸在肌酸激酶(creatine kinase，CK)的催化下生成磷酸肌酸。在细胞内，肌酸和磷酸肌酸自发环化形成肌酸酐，这是肌酸和磷酸肌酸代谢的唯一已知最终产物。肌酸酐不主动或被动运输，但被动地扩散穿过细胞膜并最终在尿液中排泄[13]。据估计，一名年轻的70 kg男性人体肌酐损失约为身体肌酸总量的1.7%或2 g/d[14]，所以必须从饮食中获取或从头合成来弥补损失的肌酸。

2 肌酸合成与转运

在脊椎动物体内，GAA是合成肌酸的前体物质，其在肝脏中通过甲基化的形式最终形成肌酸[4]。在动物体内，L-精氨酸和甘氨酸在AGAT的催化下生成GAA[3]。GAA最重要的生理功能就是进一步合成肌酸，肌酸的合成主要在肝脏中发生，虽然已有报道胰腺中存在关于肌酸合成所需要的酶，但该器官在肌酸合成中的任何可能的作用还不清楚[15]。主要由肾脏合成的GAA通过血液循环被运输到肝脏后和SAM在GAMT的催化下生成肌酸和SAH[4,16]。SAH严重抑制包括GAMT在内的大部分SAM依赖性甲基转移酶，GAMT是催化合成肌酸反应中最后一步的酶，据报道在人体中，75%的SAM用于肌酸的生物合成[9]。因此GAMT是脊椎动物中SAM代谢转化为SAH的主要酶[17]。有研究表明，在人和小鼠的肝脏中发现高水平的GAMTmRNA[18]，这直接证实了肝脏是负责肌酸生物合成的主要器官。机体内源合成肌酸的反应中存在反馈调节机制，机体可以调节GAMT的表达，但是不能调节AGAT的表达[19]。这一结论表明肌酸合成的反应中GAA的合成为限速反应。同时为在饲粮中添加GAA以提高机体肌酸含量这一想法提供了理论依据。

肝细胞不能从精氨酸和甘氨酸直接合成肌酸，而很容易将GAA转化为肌酸[11]。因此GAA需要从血液递送到肝细胞，从而进一步合成肌酸。GAA转运是由肌酸转运蛋白(recombinant creatine transporter，CRT)[20]和牛磺酸转运蛋白(recombinant taurine transporter，TauT)介导的[21]，有研究表明肝细胞摄取GAA还存在其他转运蛋白，即γ-氨基丁酸转运蛋白[22]，并指出γ-氨基丁酸转运蛋白Ⅱ(γ-aminobutyric acid transporter Ⅱ，GAT2)对肝细胞摄取GAA的贡献至少为64.4%[23]。GAT2主要定位于肝细胞的窦状膜上，主要位于门静脉周围区域。这种分布模式与GAMT的分布模式非常一致。GAT2和GAMT之间的功能耦合，调节GAA的供应途径和门静脉肝细胞中的肌酸合成[23]。

3 GAA的生理作用和机理

3.1 提高能量代谢作用

GAA通过影响与糖代谢有关的以及呼吸链中的关键酶的活性来促进体内分解代谢，提高三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)水平进而增加储能物质的合成。此外，GAA通过进一步合成肌酸来提高机体能量代谢。由GAA进一步合成的肌酸，在高能量需求的组织中对磷酸基团的储存和传输起着重要作用[23]。当动物机体内能量充足时，肌酸可以接受能量生成磷酸肌酸，充当暂时储存能量的场所，磷酸肌酸是动物组织中的关键能量储备[24-26]。磷酸肌酸在机体能量短缺时通过肌酸激酶释放ATP快速提高机体ATP水平，因此磷酸肌酸起到高能磷酸盐缓冲液的作用[27-29]。磷酸肌酸与肌酸组成磷酸原系统，该系统被公认为细胞内能量利用的主要调节部门，其控制细胞ATP的水平或积累即时可用的细胞能量[30]。

3.2 提高能量代谢的机理

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)参与糖酵解反应的最后一步反应，也是糖酵解反应中的限速酶之一。PK催化伴随ATP生成的去磷酸化反应，可调节细胞ATP、腺苷二磷酸(adenosine diphosphate，ADP)和糖酵解中间产物的含量，其活性的变化可迅速反映糖酵解能力的水平[31]。在糖酵解的过程中已糖激酶(hexokinase，HK)、果糖-6-磷酸激酶(phosphofructokinase，PFK)催化磷酸化反应，反应过程中将消耗ATP。在三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)催化的异柠檬酸氧化脱羧反应和苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase，MDH)催化的苹果酸脱氢反应都伴有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)的生成，NADH可直接进入呼吸链与氧在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-辅酶Q还原酶(nicotinamide adeninedinucleotide coenzyme Q reductase，NADH-CoQ)和三磷酸腺苷合成酶(adenosine triphosphate synthase，ATPase)的催化下生成ATP，1 mol NADH可生成2.5 mol ATP。CK是与细胞内能量运转、肌肉收缩、ATP再生有直接关系的一种激酶，磷酸肌酸与ATP之间高能磷酸键的转换由其催化，其活性的变化反映肌肉组织能量储存和转换功能状况的改变。李洁蕾等[32]在保育猪饲粮中添加600 mg/kg GAA，测得血浆中催化产生ATP的PK、IDH、MDH、NADH-CoQ和ATPase活性分别升高253%、312%、151%、492%和183%，催化消耗ATP反应的PFK和CK活性分别升高252%和202%，结果表明ATP合成的增加量远大于消耗量。

动物采食添加GAA的饲粮后肌肉中肌酸含量显著提高[33]，而肌肉细胞中磷酸肌酸含量与肌酸含量呈正比，有磷酸肌酸存在时ADP磷酸化反应需要的磷酸基团由其提供，直到磷酸肌酸消耗殆尽，糖原才酵解继续提供ADP生成ATP需要的磷酸基团[34]。另外磷酸肌酸可不同程度地提高脂多糖诱导的人静脉细胞线粒体呼吸链复合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的活性，促进线粒体内ATP的生成，进而促进能量代谢[35]。

综上所述，GAA一方面通过提高糖代谢和呼吸链相关酶的活性来增加ATP的合成直接影响能量代谢；另一方面GAA通过增加磷酸肌酸的含量来促进线粒体生产ATP间接影响能量代谢。

3.3 抗氧化作用

人和动物在呼吸的过程中，以及与外界污染物、放射线、有害气体等的接触中会在体内产生并积累一些自由基。当机体内自由基浓度太高时，机体将会受到损害，主要包括3个方面：损坏细胞膜、蛋白酶失活、损伤基因。由于细胞膜化学结构松散，松散结构上的电子易丢失，这也是细胞膜容易遭受自由基攻击的原因。细胞膜中的脂质与自由基发生过氧化反应最终生成丙二醛(malonic dialdehyde，MDA)，因此血清中MDA的含量是判断过氧化反应程度的重要指标。饲粮中添加GAA可以提高动物血清中总抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)以及超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)活性，并且降低血清MDA含量[36]。

3.4 抗氧化作用的机理

4 GAA在肉鸡和猪生产中的应用

4.1 GAA对肉鸡和猪生产性能的影响

饲粮中添加GAA有助于肌酸的大量合成，提高饲料转化率，促进肉鸡和猪的生长，提高其生产性能[42-43]。江涛[44]在爱拔益加(AA)肉鸡饲粮中分别添加200、400、600、800 mg/kg GAA，与对照组相比平均日增重均显著提高，料重比显著降低，添加量为600、800 mg/kg GAA时效果最好。育肥猪饲粮中添加300～600 mg/kg GAA可显著提高平均日增重和饲料转化率，对平均日采食量无显著影响[45-47]。饲粮中添加GAA能促进动物生长，可能是因为减少了GAA的内源合成。由于GAA在体内合成的过程中甘氨酸、精氨酸是必不可少的物质，饲粮中GAA的添加减少了甘氨酸、精氨酸的消耗量，精氨酸和甘氨酸更大程度地参与机体氨基酸、蛋白质的合成，从而促进机体的生长[48-49]。精氨酸作为生长育肥猪和肉鸡的一种必需氨基酸，饲粮中缺乏时可通过添加GAA来有效缓解这一问题。另外添加GAA还可降低肉鸡因腹水导致的死亡率[50]。GAA的添加有效提高了肌肉中肌酸、磷酸肌酸的含量，碳水化合物、脂肪和蛋白质的分解供能因此减少。肌酸能够加强细胞的水合作用，通过促进液体渗透进入细胞内的方式使肌肉细胞体积增大，从而增大肌肉体积，另外水合作用加强能抑制蛋白质分解并促进蛋白质、糖原的合成，从而加快动物的生长[51]。GAA还可通过影响γ-氨基丁酸的分泌从而促进下丘脑分泌促生长激素释放激素，最终促进垂体分泌生长激素[2]。此外GAA还可通过促进类胰岛素生长因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)的分泌来促进机体生长[33]。

祁永旺等[52]在育肥猪饲粮中添加500、1 000 mg/kg GAA，发现屠宰率分别提高了3.19%、5.57%；瘦肉率分别提高了10.38%、18.55%；眼肌面积分别提高了2.57%、4.83%，GAA添加量为1 000 mg/kg时极显著提高瘦肉率。江涛[44]在AA肉鸡饲粮中分别添加200、400、600、800 mg/kg GAA，屠宰率分别提高了2.74%、3.36%、4.99%、5.03%；胸肌率分别提高了3.33%、14.84%、21.98%、23.00%；腿肌率分别提高了12.02%、15.40%、21.55%、22.23%。潘宝海等[47]在育肥猪饲粮中添加500 mg/kg GAA，屠宰率提高了3.82%，眼肌面积提高了8.48%。屠宰率和瘦肉率的显著提高也得益于GAA对蛋白质合成的促进作用，机体消化吸收的营养物质在肌肉组织中以蛋白质的形式沉积，并非转化为脂肪储存。磷酸肌酸在肌肉、神经组织中大量存在，而在脂肪组织中含量极微，因此可以促进能量在肌肉组织中存储和分配，改善畜禽体型。

4.2 GAA对肉品质的改善作用

动物饲喂添加GAA的饲粮，屠宰后可有效提高肌肉pH，减小剪切力和滴水损失，改善肉品质。Wang等[36]研究表明，育肥猪饲粮中添加800、1 200、2 000 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH分别升高了0.44、0.03、0.21；滴水损失分别降低了38.84%、26.03%、9.09%；剪切力分别降低了13.69%、11.43%、6.38%。刘洋等[53]在育肥猪饲粮中添加1 000 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.2，PH24 h提高了0.21，滴水损失降低了2.45%，剪切力降低了15.66%。潘宝海等[47]在育肥猪饲粮中添加500 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.14，pH24 h提高了0.10。陈政宽等[54]在育肥猪饲粮中添加500 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.15，pH24 h提高了0.25，滴水损失降低了21.93%，剪切力降低了17.24%。一般宰后血液循环停止中断了氧气的供给，导致ATP水平降低，肌肉中发生无氧酵解产生乳酸，肌肉pH有下降的趋势。但饲粮中GAA的添加有效提高了肌酸、磷酸肌酸的储备，同时增加了ATP的水平，在宰后有效延缓肌肉中无氧酵解反应，从而提高pH。Rahman等[55]研究发现，肌肉系水力的提高可以降低肉质的硬度。蛋白质与水的相互作用增强时，肌肉系水力将会提高，肌肉中较高的pH通过减少蛋白质的变性可使肌原纤维蛋白偏离等电点，导致蛋白质所带负电荷增多，蛋白质所带负电荷增多会促进与水的互相作用。在屠宰后肌肉pH下降到最低点之前，钙离子从肌细胞中肌浆内质网释放出来[56]，在能量的作用下肌肉将发生收缩。一般肌肉收缩时短缩度达到40%时硬度最大，而超过40%时反而变得柔软，这是由于肌动蛋白的细丝过度插入而引起的Z线断裂所致[33]，GAA的添加提高了ATP的水平，在这种存在足够能量的情况下肌肉发生超收缩，从而提高嫩度。