肌肽生理功能及其在动物养殖中的应用

李 栋， 朱传忠， 叶继丹

（1.集美大学水产学院，厦门市饲料检测与安全评价重点实验室，福建厦门 361021；2.北京大北农科技集团股份有限公司，北京 100088）

肌肽（L-Carnosine）的化学结构为β-丙氨酰L-组氨酸（分子式C9H14N4O3），是一种动物内源性二肽，动物的肌肉和神经组织含量最为丰富。早在1900 年俄国学者Gulewitsch 在牛肉提取物发现肌肽， 此后科学家陆续在不同动物肌肉发现肌肽及其甲基化衍生物鹅肌肽（β-丙氨酰-1-甲基L-组氨酸，anserine）和鲸肌肽（β-丙氨酰-3-甲基L-组氨酸，balenine）。 肌肽、鹅肌肽和鲸肌肽具有相似的结构和生理功能， 被统称为组氨酸二肽（HCDs）。 肌肽是陆生哺乳动物HCDs 主要存在形式，鹅肌肽是鱼类和鸟类主要的HCDs，而鲸肌肽则主要分布于海洋哺乳动物和蛇类（Boldyrev 等，2013）。 自肌肽发现以来，人们已发现其众多的生物学功能，主要有酸碱度缓冲、螯合金属离子、抗氧化、抗炎症、抗衰老等。 由于具有这些重要生物学功能，肌肽被广泛应用于神经、内分泌和营养与食品科学等领域（Wang 等，2021）。近年来，在养殖动物营养科学领域的应用也越来越多， 主要是利用肌肽的抗氧化和抗炎症作用用于改善养殖动物健康， 为人类提供富含肌肽的肉类产品（Derave等，2019；Guiotto 等，2005）。 特就肌肽的生理功能和其在动物养殖中的应用进行综述， 为肌肽作为饲料添加剂的使用提供一定参考。

1 肌肽的合成、代谢与组织分布

1.1 肌肽的合成和代谢 早在20 世纪50 年代，研究人员在动物肌肉、心、脑等组织中均发现肌肽合成酶（CS）的存在。 Drozak 等（2010）证实，CS 分布在细胞质内， 以β-丙氨酸和L-组氨酸作为底物，并在Mg2+和ATP 的参与下催化合成肌肽。 β-丙氨酸是唯一天然存在的β-氨基酸，不参与蛋白合成，主要存在豆科植物根瘤中，是细菌谷氨酸脱羧酶将L-天冬氨酸脱羧的产物。 动物体内的β-丙氨酸主要来自肝中尿嘧啶的降解 （齐博等，2016）。 近年发现，人和小鼠中存在一种将天冬氨酸转化为β-丙氨酸的谷氨酸脱羧酶样蛋白1（GADL1）， 从而促进肌肽的合成（Mahootchi 等，2020）。 因此，β-丙氨酸是哺乳动物合成肌肽的限制性氨基酸。 β-丙氨酸内源合成不足时可通过食物补充。 研究表明，饲料中添加β-丙氨酸促进了肉鸡肌肽的合成 （Qi 等，2018；Bukasiewicz 等，2016）。 L-组氨酸也可通过内源合成提供，但其是人、哺乳动物、禽类和鱼类的必需氨基酸，更多情况下仍需要通过富含组氨酸的动植物蛋白源提供。 研究已证实，在禽类和鱼类饲料中添加L-组氨酸可以促进肌肽的合成（胡孟等，2017；Kai 等，2015；Remo/等，2014）。

脊椎动物肌肽水解酶为肌肽酶Ⅰ（EC 3.4.13.20，CNDP1） 和肌肽酶Ⅱ （EC 3.4.13.18，CNDP2）， 其中CNDP1 是存在于血液中的血清肌肽酶，CNDP2 为存在于除血液之外的其他组织器官的组织肌肽酶，后者在肾脏的活性最高，而在肌肉中则几乎没有该酶的存在（Oku 等，2012）。肌肽的水解产物为L-组氨酸和β-丙氨酸。 L-组氨酸进一步参与蛋白合成代谢，可转化为尿苷酸、丙酮酸或组胺（胡孟等，2018）。 β-丙氨酸不参与蛋白质代谢， 但可主要转化为丙二酰半醛并进一步转化为乙酰辅酶A 或乙酸（齐博等，2016）。

肌肽还可通过甲基化、乙酰化、脱羧等其他途径进行代谢。 由于鲸肌肽不是养殖动物HCDs 的主要形式，脱羧肌肽仅存于甲壳类，而乙酰肌肽及其类似物往往具有特殊的生理功能， 此处不做讨论，仅讨论鹅肌肽相关代谢。 在肌肽-N-甲基转移酶催化下，肌肽以S-腺苷-蛋氨酸为甲基供体，在1-N 位置发生甲基化生成鹅肌肽 （Boldyrev 等，2013）。 鹅肌肽同样可以被肌肽酶水解，但降解效率比肌肽要低得多， 说明鹅肌肽不是肌肽酶的适宜底物，在鱼类、两栖类等动物中，鹅肌肽是鹅肌肽酶（EC 3.4.13.5，ANSN）的适宜底物（Pirone 等，2019）。 鹅肌肽的水解产物为β-丙氨酸和1-甲基-L-组氨酸。 由于甲基组氨酸既不参与HCDs、蛋白质的合成，也不能去甲基化转化为组氨酸，其最终去向是直接随尿液排出体外 （ Felix 等，2019）。 人和动物可通过血清肌肽、鹅肌肽以及尿液1-甲基-L-组氨酸的含量反映其摄食哪种富含肌肽或鹅肌肽的肉类 （Cuparencu 等，2021；Mitry等，2019；Cheung 等，2017）。

1.2 肌肽的吸收和转运 肌肽的吸收和转运依赖跨越细胞膜的主动运输， 其转运载体为质子偶联寡肽转运蛋白家族（POT-family）。 在哺乳动物中主要包括肽转运蛋白1 和2 （PepT1 和PepT2）以及肽/组氨酸转运蛋白1 和2（PHT1 和PHT2）。PepT 主要转运二肽和三肽，其中PepT1 分布于肠道，PepT2 分布于非肠道组织。食物中的肌肽进入肠道后， 在肠上皮细胞纹状缘侧细胞膜上的PepT1 作用下转运至肠细胞内， 肠细胞内的肌肽再借助PHT1 和PHT2 通过基底侧细胞膜转运进入小肠黏膜固有层。 经肠道吸收的肌肽先由肝门静脉进入肝脏，随后进入心脏，最终随血液循环进入肌肉、肾脏等全身组织（Asatoor 等，1970）。 如图1 所示（Wu 等，2020）。

图1 肌肽的吸收和转运

1.3 肌肽的组织分布与含量 肌肽在动物肌肉、脑及心脏、肝脏、肾脏等组织均有分布，其中以肌肉中肌肽的含量最为丰富。同为肌肉组织，不同肌肉类型所含的肌肽含量存在差异，如白肌细胞（Ⅱ型肌细胞）的肌肽含量普遍高于红肌细胞（Ⅰ型肌细胞），因此，白肌比红肌具有更强的pH 缓冲能力（Dolan 等，2019）。同为一种动物，不同部位的肌肉组织中肌肽含量也存在差异， 如猪腿肌肉和猪腰部肌肉中的肌肽含量分别为32.7、23.3 mmol，鸡腿肌肉和鸡胸脯肌肉中含量分别为22.9、43.5 mmol（Abe 等，2000）。由于肌肽含量因组织分布的差异而不同， 不同来源动物组织部位加工而成副产物中的肌肽含量变差很大（Li 等，2020）。

肌肽在神经系统中的含量也十分丰富（Berezhnoy 等，2019）。鲣鱼、大鼠等动物脑部组织中有较高含量的肌肽 （赵善志等，2020；Li 等，2019）。在斑马鱼发育过程中肌肽主要存在于嗅觉和视觉功能相关的神经组织中（Senut 等，2009）。

2 肌肽的主要生理功能

2.1 调节酸碱度和维持金属离子稳态 肌肽含有游离氨基和羧基，是典型两性电解质，加之组氨酸残基上的咪唑环（C3H4N2）是一种含有两个间位N 原子的五元芳杂环化合物，在生理pH 7 时表现出路易斯酸碱性， 可以缓解无氧酵解造成的pH下降。因此，肌肽是肌肉组织中重要的非碳酸氢盐类pH 缓冲剂（Moro 等，2020）。肌肉中肌肽含量与运动能力和运动损伤的修复有直接关系（程家伟，2019）。肌肽组氨酸残基的咪唑环也可以与二价金属离子螯合，形成稳定的金属螯合物，既减少了游离金属离子对细胞的毒性， 又有助于促进肠道对金属离子的吸收， 肌肽还通过调节内质网钙离子的释放来调节神经兴奋和肌肉舒张 （Dutka 等，2012；Trombley 等，2000）。

2.2 抗脂质过氧化作用 脂质过氧化是指强氧化剂（如过氧化氢或超氧化物）能使油脂的不饱和脂肪酸经非酶氧化途径生成氢过氧化物的过程。肌肽可以抑制氧化剂诱导的超氧阴离子生成，清除羟基自由基，显著减少细胞损伤和脂质过氧化，并具有剂量依赖效应（韩立强等，2006） 。 与包括谷胱甘肽（GSH）等在内的多种天然抗氧化寡肽相比， 肌肽在亚油酸模拟体系中具有较强的抗氧化能力（胡晓赟，2012）。

肌肽主要通过螯合金属离子、 清除自由基等作用抑制脂质过氧化。 一些金属离子比如Fe2+、Cu2+是脂质氧化的催化剂， 而肌肽分子中的咪唑环可以螯合金属离子，防止Fenton 反应引起一系列氧化自由基释放（Klebanov 等，1998）。肌肽对金属离子催化脂质氧化的抑制机理有两种观点：一种认为肌肽与金属离子结合后降低了金属离子的催化活力，另一种则认为，肌肽金属离子的催化活力并没有受到影响， 肌肽与金属离子的结合使得肌肽更加靠近活性氧自由基（ROS）产生点，可以在ROS 产生后立即清除， 从而减缓氧化反应（Decker 等，2001）。 肌肽与金属离子的螯合是否降低了ROS 的产生，目前尚缺少试验证据。 对于非金属离子催化的脂质过氧化反应， 肌肽可以直接与ROS 反应而终止自由基氧化链式反应，肌肽则被氧化为2-氧-肌肽（Ihara 等，2019）。 此外，肌肽通过激活Nrf2-Keap1 信号通路，促进多种抗氧化酶的合成从而发挥间接的抗氧化功能。

2.3 抗羰基化与蛋白质、核酸保护作用 脂肪氧化过程中产生的活性羰基化合物可与蛋白质分子中的亲核基团发生反应，形成交联产物，称为晚期脂质氧化终产物 （ALEs）， 而晚期糖化终产物（AGEs） 是指蛋白质的氨基与还原糖及其衍生物的羰基发生非酶促反应后生成的不可逆的糖化产物， 二者统称为活性羰基化合物（RCCs）（Goldin等，2013；Negre-Salvayre 等，2008）。 RCCs 可攻击蛋白质分子，引起以加合和交联为特征的蛋白羰基化，造成蛋白功能失效，是一种不可逆的氧化损伤。少量的羰基化蛋白可被蛋白酶分解，严重时羰基化蛋白的聚合体无法被蛋白酶分解。蛋白羰基化对生物体具有广泛的影响，包括诱发基因突变、致癌、衰老及其他退行性疾病（Ayala 等，2014；Zarkovic 等，2013）。 肌肽既可以作为自由基清除剂和抗氧化剂减少RCCs 的产生，也可以作为羰基清除剂中和羰基化合物， 从而起到抗交联的作用（Dalle-Donne等，2006）。 在多种醛类或H2O2诱导蛋白羰基化模型中， 肌肽可有效抑制羰基化蛋白的生成（Hipkiss等，2009；Hobart 等，2004）。

肌肽对DNA 同样具有保护作用。 在NH4Cl、H2O2或致癌剂佛波酯（PMA）诱导的细胞DNA 损伤模型中，肌肽可有效抑制DNA 断裂（Kang 等，2002；Suzuki 等，1999）。肌肽对胎儿肺成纤维细胞的端粒缩短比率和末端着丝粒的DNA 损伤有保护作用， 可能是肌肽发挥抗衰老作用的重要机制（Shao 等，2004）。

2.4 免疫调节作用 肌肽对免疫细胞功能有调节作用。 肌肽干预经PMA、SOD 抑制剂处理的巨噬细胞后，发现巨噬细胞内超氧阴离子浓度下降，酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶基因 （Nox1 和Nox2）和促炎因子TNF-α、IL-6 基因的表达下调，抗炎因子IL-4、IL-10 和TGF-β1 基因的表达上调，以及蛋白激酶B 磷酸化降低，从而促进巨噬细胞的免疫功能。 肌肽能明显降低NADP+/NADPH 比率，强烈抑制巨噬细胞内活性氧的产生（Caruso 等，2019）。 此外，肌肽可以调节中性粒细胞免疫功能（Tan 等，1998）。

在一项脂多糖（LPS）对线虫毒性的试验中发现，肌肽可以降低LPS 引起的线虫行为异常和死亡率， 它是通过调节p38 MAPK 信号通路对LPS引起的炎性反应和细胞凋亡起到保护作用（Ma等，2020）。 在另一项LPS 对大鼠离体培养星形胶质细胞毒性试验中发现，肌肽可以减少IL-1β 和TNF-α 因子的释放，其可能机制是抑制了核转录因子κB p65 （NF-κB p56） 的激活 （Fleisher-Berkovich 等，2009）。

2.5 线粒体功能调节作用 线粒体是机体细胞进行氧化磷酸化和能量合成的主要场所， 同时也与ROS 生成、炎症、凋亡直接相关，正常的线粒体功能对养殖动物健康和生长有重要意义。 肌肽可以通过抗氧化、 抗炎和钙离子调控等机制实现对线粒体功能的调节。在多数情况下，肌肽有利于维持线粒体正常的结构和功能，改善组织能量代谢。通过线粒体功能改善， 肌肽可以缓解衰老引起的认知障碍和阿尔茨海默病（Dai 等，2020）、高血氨引起的脑损伤 （Jamshidzadeh 等，2017）、 丙二醛（MDA）（Cheng 等，2011）和重金属（Ghanbarinejad等，2019）引起的神经毒性，从而发挥保护神经系统的作用。 此外， 肌肽对重金属引起的生殖毒性（Ommati 等，2019）和有机致癌物诱导的肾脏损伤（Ommati 等，2020）有保护作用，同样与其改善线粒体功能相关。值得一提的是，肌肽对线粒体功能的调节似乎是双向的。Cheng 等（2019）发现，肌肽在癌细胞中可以下调线粒体生物学功能以发挥抗癌作用。

3 肌肽对养殖动物健康、生长性能和肉品质的影响

3.1 肌肽对养殖动物健康的影响 养殖实践表明，肌肽可以增强机体抗氧化能力和免疫力，提高养殖动物健康水平。吕锦芳等（2006）研究发现，饮水中添加40、60 mg/L 的肌肽可显著促进肉鸡免疫器官的生长发育，提高疫苗抗体水平。吕锦芳等（2007）研究发现，饮水中添加20 ～60 mg/L 的肌肽均可显著提高肉鸡血清中超氧化物歧化酶（SOD）、 过氧化氢酶（CAT）、 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的活性，显著降低血清MDA 含量，提高机体抗氧化能力。初晖等（2021）研究发现，蛋鸡饲料中添加适宜肌肽水平（900 mg/kg）可获得较低的料蛋比，较高的蛋形指数、蛋黄颜色和蛋壳强度及较高的血清免疫球蛋白含量和抗氧化能力。健康福利是宠物养殖的主要关注点。 饲料中添加适宜水平的肌肽（600 mg/kg）可提高中华田园犬的感官评分，改善肠道消化吸收功能，降低血清胆固醇和丙二醛含量， 显著提高血清免疫球蛋白含量（陈雪薇等，2021）。 喂饲添加300 mg/kg 肌肽的猫粮169 d， 猫的瘦体重量得到显著提高（Panickar 等，2021）。 此外，在鱼类，肌肽表现出良好的抗氧化能力。 饲料中添加50 ～200 mg/kg 的肌肽可以显著提高奥尼罗非鱼血清GSH-Px 活性（刘丽等，2008）。 植物蛋白饲料中添加3900 mg/kg 的肌肽可增加虹鳟抗氧化能力 （Snyder 等，2012）。Remo/等（2014）在大西洋鲑的研究也表明，在满足生长需求的基础上增加组氨酸供给可以促进肌肽的合成， 显著降低白内障疾病发生的概率和严重程度。

饲料抗营养因子和毒性物质往往会对养殖动物肝脏产生损害， 而饲料或饮水中添加肌肽被证实具有肝脏保护的作用。 Mong 等（2011）研究发现，饲料中高含量饱和脂肪可以引起小鼠肝脏和脂肪组织中脂肪蓄积， 而在饮水中添加1000 mg/L肌肽可使其肝和脂肪组织中脂肪合成相关基因的表达显著下调， 肝脏中甘油三酯和胆固醇含量显著降低，肥胖和高胰岛素血症得到有效抑制。聂星等（2018）在CCl4引起的肝脏氧化损伤模型中，给予小鼠以300 mg/kg 肌肽的剂量连续灌胃7 d后，小鼠血清、肝脏GSH 含量和SOD 活性增加，MDA 含量下降，促炎症因子TNF-α 和IL1-β 基因表达下调，抗炎症因子IL-10 基因表达上调，血清谷丙转氨酶、 谷草转氨酶和谷氨酰转肽酶活性降低。对于酒精性肝损伤小鼠，饮水中添加2000 mg/L的肌肽可以有效改善肝损伤程度（Artun 等，2010；Liu 等，2008）。 此外， 肌肽可以减轻重金属镉（Fouad 等，2009）、钛（Fouad 等，2020）等引起的肝脏氧化应激、炎症反应、 DNA 损伤和细胞凋亡。

肌肽对肠道健康具有一定促进作用。 肌肽可以抑制NH2Cl 诱导的胃黏膜细胞DNA 的损伤。Son 等（2008）研究证明，肌肽在翻译水平对肠癌Caco-2 细胞中白介素的产生起抑制作用。Kadooka 等（2015）报道，肌肽可以诱导离体肠上皮细胞活化，促进脑肠互作。 在β-伴大豆球蛋白引起肠炎机制的研究中发现，β-伴大豆球蛋白可引起草鱼肠道肌肽浓度下降（Duan 等，2020），虽然不确定β-伴大豆球蛋白是干扰了肌肽的吸收还是增加了肌肽消耗，但该研究提示肌肽可能对降低鱼类豆粕型肠炎发生具有积极作用。 此外，一种肌肽和锌的螯合物——锌肌肽（ZnC）已在人和模式动物研究中表现出良好的肠道保护和修复功能（Hewlings 等，2020；Qin 等，2011；Ueda 等，2009）。

3.2 肌肽对养殖动物生长性能的影响 肌肽被证实具有良好的生长促进效果。 Bao 等（2015）发现，在肥育猪饲料中添加1000 mg/kg 肌肽可明显提高日增重和血清甲状腺激素含量， 促进肌细胞增殖。肉鸡饲料中添加100 ～400 mg/kg 肌肽可显著降低饲料系数， 并呈线性剂量效应关系（Cong等，2017；Hu 等，2009）。 饲料中添加400 mg/kg 肌肽可明显促进黄羽肉鸡的生长（Zhang 等，2021）。在鱼类，饲料中添加50 mg/kg 肌肽可明显促进奥尼罗非鱼的生长， 但高于这个剂量没有促进效应（刘丽等，2008）。 豆粕型饲料中添加1%肌肽或0.35%鹅肌肽均可促进斑马鱼生长， 以肌肽的促长效应更为明显（Molinari 等，2021）。 但也有一些研究表明， 肌肽对动物生长没有促进效果或表现为抑制作用。肉鸡饲料中添加0.5%肌肽不影响其生长性能（Hu 等，2009）。 在日粮中添加300、600、900 mg/kg 肌肽虽不影响中华田园犬饲料系数，但日采食量和日增重随肌肽水平的增加而下降（陈雪薇等，2021）。 饲料中添加0.39%的肌肽对大菱鲆生长性能无显著影响（张莉莉，2017）。 也有研究报道， 饲料中添加50、100 mg/kg 肌肽对大菱鲆生长没有影响，但200 mg/kg 的添加剂量可显著降低增重率、饲料利用率和蛋白质效率（王晓艳等，2017）。

由此可见， 肌肽对养殖动物生长的效应因养殖动物不同而存在较大差异。 肌肽促进肉鸡和育肥猪生长性能的研究报道居多，在鱼类，有促生长效果的报道和没有促生长效果甚至出现生长抑制的报道数量较为均衡， 这可能与不同研究中养殖鱼类品种和肌肽添加剂量上的差异有关。 肌肽对养殖动物的营养作用及其相关机制的研究目前较为肤浅，今后还需要系统地加以研究。

3.3 肌肽对养殖动物肉品质的影响 畜禽和水产养殖的主要目的是为人类提供优质的动物蛋白，因此，提高动物产品质量已成为畜禽和水产养殖最为重要的议题之一（殷中专等，2022）。有报道指出，饲料中添加0.5%肌肽可提高肉鸡胸肌重和腿肌重，降低肌肉剪切力，改善肌肉嫩度和延长贮存时间（Hu 等，2009）。另两项肉鸡研究中，饲料中添加100 ～400 mg/kg 肌肽可改善肉鸡肌肉品质，提高肌肉抗氧化能力 （Zhang 等，2021；Cong 等，2017）。 饲料中添加100 mg/kg 肌肽能明显降低屠宰后猪肉存放48 h 的pH 下降与滴水损失，提高存放24 h 肌肉红度值，增强肌肉中GSH-Px、SOD等抗氧化酶活性， 降低肌肉MDA 和羰基化蛋白含量（Ma 等，2010）。 有关肌肽对养殖鱼类肌肉品质影响的研究还鲜见报道。

4 小结

肌肽是一种主要分布于动物肌肉和神经组织的具有多种生物学功能的水溶性二肽， 不同动物体内主要存在肌肽、鹅肌肽和鲸肌肽三种形式，含量也存在差异。 肌肽具有螯合金属离子、调节pH稳态、抗炎和抗氧化等重要生物学功能，对改善养殖动物健康和提高肌肉品质有促进的作用。 肌肽对养殖动物的生长促进作用仍存在一定的不确定性，可能受到养殖动物种类、生理状态、肌肽添加剂量等因素影响， 这方面还有待今后开展更多的研究工作加以解决。此外，肌肽作为一种功能性添加剂在降低养殖环境引起的动物应激， 改善其肝肠健康和肌肉品质等方面将发挥怎么样的积极作用，仍值得深入探讨。