牛磺酸的生理功能及研究进展

2022-07-10何晓芳徐世永邓凯东朱红梅

国外畜牧学(猪与禽) 2022年1期

何晓芳，徐世永，邓凯东，朱红梅，高珊

(1.金陵科技学院动物科学与食品工程学院，江苏南京 211169；2.南京可莱威生物科技有限公司，江苏南京 210000)

1 牛磺酸的来源及代谢合成途径

牛磺酸(taurine) 属于有机酸，1827 年首次从牛胆汁中提取[1]。牛磺酸的分子简单，化学分子式为C2H7NO3S，含有一个酸性磺酸盐基、一个碱性氨基和两个碳原子。不同于α-氨基酸，它是一种β-氨基酸。牛磺酸没有tRNA 编码，其磺酸盐基取代了形成肽键所必需的羧基，因此，牛磺酸不能作为转化肽链的一部分[2]。在正常情况下，哺乳动物、鸟类、鱼类和水生无脊椎动物(如牡蛎和贻贝)的体内都含有牛磺酸。牛磺酸在植物中的含量不及动物体内的1%。藻类植物中的牛磺酸含量丰富[3]，海鲜和肉类中的含量也很高。许多脊椎动物可以合成牛磺酸，但某些动物，如猫无法合成牛磺酸，需要通过日粮补充[4]。

长期以来，牛磺酸被普遍认为是动物体内硫代谢的“无用之物”，尽管牛磺酸的许多作用已见报道。从生化上看，牛磺酸具有化学惰性，因为大部分从动物体内排出的牛磺酸与其在体内的结构无变化。在动物上，牛磺酸是硫代谢最终产物之一。牛磺酸的内源性合成通过半胱氨酸-亚磺酸途径在肝脏内进行。代谢反应首先由半胱氨酸双加氧酶将半胱氨酸巯基氧化为半胱氨酸亚磺酸。随后用胱氨酸亚硫酸脱羧酶将半胱氨酸亚磺酸脱羧基化为亚牛磺酸。最后通过亚牛磺酸脱氢酶的作用生成牛磺酸。牛磺酸的合成途径在不同的动物个体之间有差异，同时也与机体的营养状态、蛋白质摄入量和体内可用半胱氨酸的含量有关[5]。

2 牛磺酸的转运

牛磺酸是水溶性酸，通过一种特定的钠/ 氯依赖的牛磺酸转运体(taurine transporter，TauT) 被动物的肠上皮细胞吸收。有证据表明，牛磺酸及其转运蛋白，即TauT，在调节细胞周期和细胞凋亡上发挥重要的作用[6]。哺乳动物体内的TauT 由转运体基因编码，它广泛表达于哺乳动物组织中[7]。此外，一些化合物可特异性地抑制肠道中牛磺酸的摄取和吸收：如β-氨基酸、β-丙氨酸和亚牛磺酸，以及存在于芝麻籽中的血磷脂酰胆碱[8]。研究人员在哺乳动物、鸡、鲤鱼和罗非鱼等动物体内都发现了TauT[9-10]。Ito 等(2010)证明，敲除小鼠体内表达TauT 的基因后，牛磺酸无法被机体转运利用，心肌细胞对Ca2+的敏感度下降，心内压降低，从而使心脏正常功能受到影响[10]。TauT 表达缺乏会改变细胞内牛磺酸的含量。事实上，哺乳动物的有些疾病与TauT 的活性密切相关，如骨骼肌功能的破坏，视网膜光感受器的退化以及肾脏、心脏和中枢神经的异常发育等[11]。Warskulat等(2007)发现，敲除TauT 后，小鼠的骨骼肌功能会严重受损[11]。Liao 等(2007)研究发现，TauT 在大鼠的血管平滑肌细胞中也有表达，表明牛磺酸可能在维持血管平滑肌细胞功能上发挥一定的作用[12]。

3 牛磺酸的生理功能

作为动物机体内含量最丰富的游离氨基酸，牛磺酸广泛存在于体内各组织器官。在肝脏、肾脏、肌肉和大脑中，牛磺酸分别占各组织或器官中总游离氨基酸的25%、50%、53%和19%[13]。牛磺酸在不同组织中发挥着不同的生理作用，图1 简要总结了牛磺酸在生物体内的靶器官中发挥的主要功能及作用[14]。

3.1 牛磺酸的促生长功能

生长是动物或植物在将摄入的营养物质用于维持机体基本的能量需求后将多余的沉积到组织中的结果。牛磺酸的缺乏常会导致机体的生长受到抑制。有研究表明，牛磺酸是水产饲料中最好的诱食剂，添加牛磺酸可显著刺激水产动物的食欲，提高饲料利用率[15]。除了直接刺激动物的食欲外，牛磺酸还可以调节体内微量元素的平衡，促进动物的健康，保护机体的正常功能[5]。牛磺酸是动物正常发育所必需的，当牛磺酸缺乏时，生长、组织分化和免疫发育都会出现缺陷[12]。有研究证明，添加牛磺酸可显著提高肉鸡的日增重，改善饲料转化率，牛磺酸缺乏会导致生产性能下降，饲料转化率升高[16]。有研究证明，在育雏期给AA 肉鸡补充牛磺酸，可显著提高生产性能[17]。此外，有报道称，添加牛磺酸可显著提高蛋鸭的日采食量、日增重，降低料重比，提高生长性能[18]。马子力(2013)也发现，在日粮中添加适量的牛磺酸可显著提高蛋鸡的产蛋率[19]。Lee 等(2004)的研究表明，在日粮中添加0.75%的牛磺酸能够显著改善肉仔鸡的采食量、饲料转化率及生长性能[20]。

3.2 牛磺酸与肠道功能

肠道是动物主要的消化器官，也是最大的免疫器官。肠道黏膜层的完整性对维护肠道的屏障功能至关重要。牛磺酸是动物体内分布广泛的化合物，是维持渗透压、阳离子稳态、酶活性、受体调节、细胞发育和细胞信号传导等基本生命过程的重要因子[21]。Egan 等(2001)发现，在脂多糖刺激下，牛磺酸能增强大鼠肠道上皮细胞增殖和杯状细胞功能，并能通过改善线粒体膜通透性降低上皮细胞的凋亡[22]。此外，添加牛磺酸还可提高还原型谷胱甘肽的含量和还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽的比值，增加家兔十二指肠超氧化物歧化酶的活性，降低丙二醛的含量，保护十二指肠免受脂多糖诱导的氧化应激，提高黏膜屏障功能[23]。有研究证明，Tau 可以增强小鼠内源性抗氧化酶的活性，提高还原型谷胱甘肽的活性，增加大鼠肠道杯状细胞的密度[24]。Zhang 等(2008)证明，在小鼠肠道缺血再灌注的情况下，添加牛磺酸可以防止肠道黏膜上皮的损伤，修复肠道上皮黏膜损伤，抑制肠道上皮细胞凋亡[25]。有研究证明，添加牛磺酸增加了大鼠肠道黏膜重量，提示肠道细胞代谢增强，从组织学上看，添加牛磺酸后增加了空肠和回肠绒毛高度，表明肠道的吸收表面积增大，而这与细胞质量增加密切相关[26]。此外，有研究表明，牛磺酸能显著抑制大鼠肠道易位，保护动物免受内毒素损伤，发挥脱毒作用[27]。

3.3 牛磺酸与大脑神经系统

牛磺酸存在于动物的各种组织中，包括大脑[28]。与经典氨基酸不同，牛磺酸的化学结构是含硫磺酸(而不是羧酸)。牛磺酸在动物体内以游离形式存在，不参与蛋白质的代谢合成[29]。牛磺酸在动物体内由蛋氨酸和半胱氨酸合成，因此被认为是“半必需氨基酸”[14]。牛磺酸可以促进动物大脑的发育，尤其在幼龄阶段[13]。在神经系统和大脑发育过程中，牛磺酸会影响神经细胞的迁移，调节神经传递过程，并能加速大脑的发育；相反，谷氨酸、γ-氨基丁酸会减缓大脑的发育[30]。从大脑突触体分离出的一些小分子量的肽含有牛磺酸，其中含量最丰富的是磺乙谷酰胺，该物质可以发挥神经递质作用，增强突触传递过程[31]。甘氨酸受体是内源性牛磺酸发挥作用的主要靶点，另一方面，外源性牛磺酸具有广泛的神经保护作用，这其中可能与γ-氨基丁酸A 型受体的相互作用有关。有研究证明，给小鼠注射牛磺酸能够提高大脑中乙酰胆碱的水平，而乙酰胆碱是调节运动功能所必需的神经递质[32]。通过研究去极化过程中钙离子的移动，研究人员发现牛磺酸可稳定膜并影响谷氨酸的生成[33]。此外，牛磺酸可参与成年大鼠脑细胞的繁殖、黏附及存活调控，同时可增加S 期的细胞数量，降低细胞凋亡和坏死，提高细胞活力，改善线粒体功能，从而有助于维持大脑功能[34]。有研究表明，牛磺酸可以作为呼吸调控或急性低氧反应的神经调节因子[35]。此外，Gharibani 等(2013) 研究发现，牛磺酸作为一种直接抗氧化剂，可以保护大脑免受内质网应激[36]。

3.4 牛磺酸与心脏功能

牛磺酸在心脏中的作用可能是由于它能够保护心脏免受过量或不足钙离子(Ca2+) 水平引起的不利影响[37]。Ca2+在细胞内的过多积聚将导致细胞死亡，牛磺酸可通过调节电压依赖性Ca2+通道的活性和调节Na+通道，直接或间接地调节细胞内的Ca2+水平。有研究表明，在正常情况下，心脏中的牛磺酸更新非常缓慢，然而，机体渗透压的变化可以显著改变心肌细胞内牛磺酸的含量[38]。牛磺酸对肌肉的正常收缩非常重要，补充牛磺酸能增强机体功能，牛磺酸在心脏中的作用可能是因为牛磺酸可增强肌浆网Ca2+积累和释放[39]。

3.5 牛磺酸与胆汁代谢

牛磺酸在胆汁盐形成的过程中发挥重要作用，这对肠道消化和脂肪吸收至关重要[5]。胆汁盐结合了胆汁酸和胆汁醇，它们都是通过复杂途径由胆固醇衍生而成的[40]。胆汁盐是脊椎动物中已知的化学结构多样性最高的小分子，不同动物中胆汁的组成具有种属特异性。胆汁酸可能与D-半胱氨酸结合，后者在结构上类似于牛磺酸，一旦结合，亲水部分可防止肠上皮细胞被动再吸收。大多数结合物在远端肠腔内被主动吸收，确保胆汁在肠腔内维持足够的浓度，再吸收的胆汁被输送到肝脏，然后循环到胆囊，这一过程被称为肠肝循环。研究表明，补充牛磺酸会增加动物体内的胆盐含量，而这似乎与日粮中的脂质水平无关[41]。此外，日粮中蛋白质的来源(鱼粉、传统大豆粉或加工大豆粉)会影响食糜中的胆汁量以及胆汁的组成[42]。在牛磺酸缺乏的条件下，补充牛磺胆酸不能完全恢复生长和胆汁盐含量，但补充牛磺酸则可以恢复生长和胆汁盐的含量[43]。这表明，补充牛磺酸确实有利于脂质消化。

3.6 牛磺酸的其他功能

牛磺酸的其他作用包括维持膜稳定、调控渗透压、抗氧化、提高免疫力和繁殖性能等[44]。徐苏薇等证明在日粮中添加牛磺酸可促进肉鸡腿肌肌纤维由Ⅱb 型向Ⅰ型转化，降低肉鸡肌肉的糖酵解，进一步改善肉鸡的肉品质[45]。此外，Yang 等(2015)研究表明，牛磺酸能刺激雄性大鼠的睾酮分泌，促进生精过程和精子成熟，提高精子质量，延缓睾丸功能老化，增强繁殖性能[46]。Gordon 等(1992) 证明，牛磺酸可以作为间接抗氧化剂阻止氧化应激损害仓鼠膜渗透性[47]。吴振鸣(2017)研究表明，在日粮中添加适量的牛磺酸可增强肉鸡的耐热性，有利于缓解热应激的不利影响[48]。还有研究表明，牛磺酸可作为细胞氧化还原稳态和骨骼肌功能的调节因子，参与家禽机体中不同生理代谢过程[49]。