精氨酸的生理功能及其在鱼类营养中的研究进展

■李培佳 赵红霞 彭 凯 曹俊明

（1.广东省农业科学院动物科学研究所，农业农村部华南动物营养与饲料重点实验室，广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广东 广州 510640；2.广东海洋大学水产学院，广东 湛江 524088；3.广州飞禧特生物科技有限公司，广东 广州 510640）

氨基酸是鱼类必需的营养素，在鱼体的生长、代谢、信号传导等过程中发挥了重要作用。精氨酸作为鱼类的必需氨基酸，其在饲料配比及饲料营养成分搭配上的差异，可能导致鱼体产生营养协同或颉颃作用，继而影响其氨基酸吸收率以及饲料适口性、利用率和蛋白质效率等。文章综述了精氨酸的理化特性、代谢途径及其对鱼类生长性能、营养代谢、肠道功能、免疫、抗氧化作用等的影响及作用机制，以期为精氨酸在鱼类生产中的应用提供参考。

1 精氨酸理化特性

精氨酸（Arginine），分子式C6H14N4O2，白色菱形晶体物质，经水重结晶后，105 ℃失去结晶水，其水溶性呈碱性，可从空气中吸收CO2，微溶于乙醇，不溶于乙醚。自然界存在L-Arg、D-Arg两种同分异构体。动物机体内发挥营养作用的主要为L-Arg。

2 精氨酸的代谢途径

精氨酸的代谢途径主要有以下几种：①经精氨酸酶分解成鸟氨酸、尿素等，鸟氨酸经脱羧酶形成多胺、脯氨酸、谷氨酰胺。研究表明，肌肉中精氨酸水平和血清中鸟氨酸含量成正比，饲料中精氨酸添加量与血清中谷氨酰胺含量成正比。②经一氧化氮合酶（NOS）生成一氧化氮（NO），可维持血管通透性，改善肠道缺血、缺氧。NO可在细胞内、细胞间及神经递质传递生物作用，参与细胞间及细胞内的信号传递，并且参与免疫调节及相关基因表达，饲料添加精氨酸显著提高鱼类血清NOS 活性，促进NO 产生。③经甘氨酸转脒酶分解成鸟氨酸、肌酐酸。④精氨酸在机体内经过一定途径最终分解成腐胺、谷氨酰胺等物质，腐胺分解成精胺、亚精胺。谷氨酰胺、精胺、亚精胺三者合称多胺。谷氨酰胺最终氧化供能生成CO2。精氨酸代谢过程见图1。

图1 精氨酸代谢过程（车东升等，2020）

3 精氨酸的生理功能

3.1 精氨酸对鱼类营养代谢的影响

精氨酸通过刺激生长激素、胰岛素等激素，进一步激活雷帕霉素靶蛋白（TOR）信号通路，调控蛋白质合成并调节鱼类机体代谢。鸟氨酸作为合成脯氨酸和多胺的底物，可以直接参与多种生长和发育途径。研究表明，饲料添加精氨酸可显著提高石斑鱼幼鱼（Epinephelinae）肌肉粗蛋白含量，过量添加则成反比。精氨酸通过激活葡萄糖转运体-4（GLUT-4）来刺激葡萄糖摄取，增加葡萄糖利用的潜力，调节鱼的碳水化合物摄入和脂质代谢。机体精氨酸在代谢过程中通过内分泌信号，调节腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），抑制机体内脂肪酸和类固醇的合成，影响其合成过程，降低粗脂肪含量。在大西洋鲑（Salmo salar）饲料中添加精氨酸可显著增加肝脏中肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT-1）的表达量，但过量添加导致脂肪累积。当饲料精氨酸添加量为1.5%～2.5%，与黑鲷（Acanthopagrus schlegelii）鱼体粗脂肪含量呈负相关。添加适量的精氨酸，显著提高机体总必需氨基酸，对机体非必需氨基酸总含量的影响不显著。精氨酸与赖氨酸之间存在竞争抑制现象，已被证明在多种鱼体内存在，饲料添加过量的精氨酸或赖氨酸对牙鲆（Paralichthysolivaceus）、斑点叉尾鮰（Ictalurus punctatus）未见显著颉颃影响，但在斑马鱼（Brachydanio rerio var）上却有随赖氨酸升高显著降低精氨酸利用率的情况，其颉颃作用是由于两者均为碱性，利用同种载体进行肠道吸收代谢，存在吸收竞争作用，赖氨酸对精氨酸抑制依赖于这两种氨基酸的相对浓度，而精氨酸对赖氨酸抑制则与浓度无关，精氨酸和赖氨酸竞争颉颃现象在不同鱼种之间存在不同现象，对此应对不同鱼种间作深入研究。

3.2 精氨酸对鱼类肠道功能的影响

肠道是营养素消化吸收的重要部位，肠道中的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶能促进食物消化，肠道形态结构发育也会影响肠道消化能力。研究表明，饲料添加精氨酸，显著提高了肠道消化酶活性，促进肠道发育。杂交条纹鲈（Morone chrysops×Morone saxatilis）饲料中添加精氨酸或谷氨酰胺，可显著提高前肠和中肠的皱壁和微绒毛的高度，增加肠道吸收面积，促进肠道对营养素的消化。外源精氨酸添加可显著提高黑鲷幼鱼胃、前肠和中肠胃蛋白酶、胰蛋白酶、淀粉酶的活性，进而提高其消化机能，显著提高其对饲料的消化率和吸收率。谷氨酰胺可以促进建鲤（Cyprinus carpiovar Jian）肠道蛋白酶和脂肪酶的活性，并验证了在饲料中添加适宜水平的精氨酸可以提高肠道内消化酶的活性，进而促进肠道对营养物质的消化吸收。饲料添加1%精氨酸可显著提高杂交条纹鲈后肠绒毛和肠上皮细胞的高度，添加2%时，中肠、后肠褶皱高度显著提高。黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）饲料添加0.2%～0.4%谷氨酰胺，显著提高肠道绒毛和皱襞的高度，显著降低肌层厚度，促进了鱼体的肠道发育，精氨酸促进鱼体肠道的发育可能与谷氨酰胺有关。谷氨酰胺作为肠道细胞发育的代谢底物，具有维持肠道免疫机能、防止肠绒毛萎缩、改善肠道健康和促进机体生长的作用。精氨酸通过下调Toll 样受体4（TLR4）、核转录因子-κB p65（NF-κB p65）、p38 蛋白（p38 MAPK）的mRNA 表达量，抑制TLR4-Myd88 信号通路的过度激活，防止白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）的增加，减少脂多糖（LPS）诱导肠道炎症，从而起到保护肠道的作用。精氨酸可通过上调TOR 和紧密连接蛋白mRNA 的表达，增强草鱼（Ctenopharyngodon idella）肠道上皮细胞完整性，磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）-蛋白激酶B（Akt）-TOR信号通路在调节细胞增殖、分化、凋亡和细胞间紧密连接中起着关键作用，研究应趋于PI3K/Akt/TOR 信号通路和紧密连接基因表达来判断精氨酸对肠道屏障的保护性。

3.3 精氨酸对鱼类免疫机能的影响

鱼类属于低等变温动物，其免疫系统由免疫器官、免疫组织、免疫细胞、免疫因子组成，机体存在特异性、非特异性免疫反应，由于特异性免疫反应依赖于较高温度，所以鱼类免疫反应主要依赖于非特异性免疫反应。氨基酸参与免疫反应蛋白的合成和免疫相关信号通路的调控，哺乳动物能够维持精氨酸合成代谢与分解代谢之间的平衡，而在严重炎症条件下，精氨酸分解合成代谢失衡，精氨酸可促进机体生成免疫球蛋白，提高体液免疫特性，促进产生胰岛素、泌乳素、生长激素等，从而参与免疫调节作用。精氨酸在机体内代谢产生NO，NO 可激活机体巨噬细胞，产生吞噬活性作用。研究表明，精氨酸可保护鱼体物理屏障如鱼鳃等部位，提高鱼类机体自身吞噬细胞吞噬能力、杀菌酶杀菌活性、补体免疫效应、特异性抗体效价等免疫活性。精氨酸是脯氨酸的前体物质，脯氨酸参与构成胶原蛋白，补充精氨酸有助于严重外伤、烧伤等的组织修护，具有抗感染及抗炎作用。精氨酸可显著提高血清中溶菌酶、NOS 活性，增加NO 含量，增强机体免疫活性，调节TOR及真核起始因子4结合蛋白（4E-BP）的mRNA 表达量，增强建鲤的免疫抗病力。溶菌酶可溶解细菌细胞壁，激活补体旁路和吞噬细胞活性，参与非特异性免疫防御，饲料添加精氨酸显著提高杂交条纹鲈溶菌酶活性。此外，通过抑制TLR4和MAPK 通路、上调抗炎因子的表达、下调促炎因子的表达发挥抗炎作用，保护鱼体免受免疫应答的自我损伤。炎症是外界或自身因素刺激机体而产生的一种病理过程，IL-1β、IL-6、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等细胞因子参与机体炎症反应，饲料添加精氨酸可显著降低黄颡鱼血清和肠道促炎因子含量，表明精氨酸可显著缓解炎症反应。精氨酸可提高斑点叉尾鮰巨噬细胞的杀伤和吞噬能力，提高溶菌酶活性和红细胞数量，并增强有丝分裂后淋巴细胞的增殖。NOS在各种刺激下催化NO，NOS 的活性依赖于细胞外精氨酸水平，在致病性机制或氨氮胁迫下，鱼血浆中精氨酸水平显著降低，需要提供充足的饲料精氨酸来维持足够的免疫应答，增加头肾白细胞NO的产生，增强有丝分裂刺激下的呼吸爆发活性，上调建鲤头肾中肿瘤坏死因子-β（TGF-β）和白介素-10（IL-10）mRNA 的表达水平，下调炎症细胞因子TNF-α和IL-1βmRNA 的表达，小剂量NO 释放可激活热休克蛋白等巨噬细胞功能，保护细胞凋亡。然而，过量的NO释放可通过激活内质网应激途径或其他途径诱导细胞凋亡。在草鱼白细胞和建鲤肠道细胞的培养基中添加适量精氨酸可抑制NF-κB途径，抑制TLR4-MyD88信号通路的过度激活，下调TNF-α、IL-1β、IL-6 mRNA 和p38 MAPK mRNA 的表达水平，提高细胞和体液免疫水平，增强其在面对病原体入侵时的抗病力。当应用精氨酸改善鱼类免疫防御时，应考虑鱼类自身免疫反应以及外部环境参数。

3.4 精氨酸对鱼类抗氧化功能的影响

鱼类机体抗氧化防御系统大体由过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶体系和VE、VC 等非酶体系类组成，其中抗氧化酶可以清除机体自身氧自由基，保护核酸。此外，精氨酸可以通过AMPK-NO 信号通路促进NO 的产生，调节机体抗氧化能力。精氨酸能够通过Nrf2、NO、GSH 合成途径等发挥抗氧化应激作用，适量NO 可清除体内氧自由基，提高抗氧化酶活性，NO 过量会破坏机体氧化平衡，对机体造成损伤。精氨酸在机体内通过不同的代谢途径代谢，其代谢产物可以清除自身H2O2、氧自由基等，更好地发挥抗氧化作用。鱼类研究中发现，随饲料中精氨酸增加，可促进机体生成谷氨酰胺（Gln），进一步调控机体抗氧化系统，显著增强肠道上皮抗氧化能力。大菱鲆（Scophthalmus maximus）幼鱼饲料精氨酸水平对血清和肝脏中SOD 活性无显著影响。但饲料中添加适量精氨酸，可显著提高斑点叉尾鮰肝脏SOD 活性；杂交鲟（Acipenser schrenckii♀×Acipenser baeri♂）幼鱼肠道的SOD、GSH活性，显著降低丙二醛（MDA）含量，显著提高抗氧化能力；显著提高黄颡鱼血清GSH-Px、CAT活性，显著提高机体抗氧自由基能力。鱼类抗氧化防御系统中，抗氧化酶活性与其mRNA 水平密切相关，Nrf2已被证实是一个关键的转录因子，调控鱼体内抗氧化酶基因的表达，饲料中适宜的精氨酸水平可激活Nrf2 信号通路，抑制Keap1 的表达，对Cu/Zn-SOD、Mn-SOD 和CAT 均有促进作用。精氨酸参与调控鱼类肌肉Nrf2信号通路的抗氧化相关基因的表达，具体作用机制尚有待于深入研究。

4 鱼类的精氨酸需要量

由于成鱼体内鸟氨酸脱羧酶（ODC）和氨甲酰磷酸合成酶（CPS）Ⅲ的活性较低，因此，必须由外源补充精氨酸以满足鱼类生长和代谢所必需。精氨酸通过调节腺苷5′-单磷酸（AMP）激活AMPK通路来调节能量稳态，也可以通过激活TOR信号通路靶点来调节蛋白质合成，参与鸟氨酸循环，促进机体蛋白质沉积，促进生长。此外，精氨酸也发挥多种免疫调节功能，包括调节鱼自身免疫反应，抑制白细胞凋亡，以及调节鱼对细菌疾病的抵抗力。然而，精氨酸对鱼生长的影响可能因精氨酸添加量、鱼的健康状况和环境条件而异。精氨酸添加适量，显著提高饲料蛋白质效率；反之，添加量过高过低对机体生长机能、免疫代谢均有不良影响。不同鱼种精氨酸适宜需要量见表1。由表1 可以看出，促进不同鱼类生长的精氨酸适宜需要量各异，这可能与种间差异、饲料添加量、营养配比、氨基酸颉颃、实验鱼初始体质量、实验饲料蛋白质组成、投喂技术、实验周期、评价指标等不同有关。

表1 不同鱼种对精氨酸的需要量

5 结语

综上所述，饲料中适量添加精氨酸，可显著提高鱼类生长速率、生产性能，改善鱼体营养素代谢，提高鱼体免疫应答的能力，增强鱼体抗氧化活性等，但精氨酸在鱼类饲料中应用仍存在一些问题，需要进一步开展相关研究：①深入研究精氨酸在不同养殖鱼类中的适宜添加量、精氨酸与其他氨基酸产生的营养颉颃作用以及营养代谢调控对水环境造成的影响等；②细化研究不同养殖环境、养殖模式、养殖季节、养殖阶段的鱼类精氨酸的精准营养需要量；③基于实际鱼类生产情况，依照最佳生长性能、形体参数、繁殖性能、产品品质、抗病抗应激能力等不同评判标准，评估精氨酸的适宜需要量；④进一步探索精氨酸促进免疫因子分泌的作用机制以及精氨酸影响鱼类生理功能与代谢机能的细胞通路等。