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甜菜碱概述

日期:2019年6月21日 10:09

1 甜菜碱简介

甜菜碱的发现已有50多年的历史,最早从甜菜制糖产生的废蜜中分离而得,又称三甲基甘氨酸等,是一种氨基酸衍生物,电荷在分子内分布呈中性,三个甲基活性无差异,因此它是高效的甲基供[1];甜菜碱是一种季铵型生物碱,具有亲水和亲脂性,20℃水中溶解度为160g/100g,亲脂性使其在生物体中能够容易透过磷脂分子层,是公认的在细胞中起着无毒渗透保护作用的细胞相溶性物质。甜菜碱具有双电荷(两性)结构特征,在碱性条件下呈环状结构,酸性条件下呈开环状,并具有较好的稳定性和抗氧化能力,化学结构与氨基酸、胆碱相似,具有多种生物学功能。广泛应用于饲料工业、化工、印染、日化、医药、食品等多种领域。甜菜碱结构式如图1所示。 

图1 甜菜碱结构式

2 甜菜碱的吸收与利用

2.1 甜菜碱的吸收

甜菜碱吸收与氨基酸类似,主要通过甜菜碱-γ-氨基丁酸转运系统和氨基酸转运系统A进行转运[2-5]。外源甜菜碱主要在动物十二指肠和空肠吸收,十二指肠的吸收效率高于空肠,后依靠小肠上皮细胞的Na+和Cl-泵进行主动转运、不依赖Na+泵途径及被动扩散进行转运[6, 7]

2.2 甜菜碱的利用

2.2.1 甜菜碱的代谢

甜菜碱在动物体内的利用率很高,健康动物即使摄入高剂量甜菜碱,也较少会通过排泄途径排出,几乎可全部被机体利用[8]

在动物肝、肾、肌肉、眼睛等组织中均存在与甜菜碱代谢相关的酶,其中肝脏是主要代谢地[9]。甜菜碱在肝脏中受甜菜碱-高半胱氨酸-甲基转移酶(Betaine homocysteine methyltransferase,BHMT)及胱硫醚-β-合成酶(Cystathionine-β-synthase,CβS)调控[10],且这些反应可通过蛋氨酸循环(如图2)参与机体甲基代谢。

HMT作为甜菜碱转甲基酶,是一种含锌金属酶,可催化甜菜碱为高半胱氨酸提供一个甲基以便再合成蛋氨酸,该过程称为蛋氨酸的再甲基化[11],也是蛋氨酸再甲基化的重要途径之一,甜菜碱则代谢为二甲基甘氨酸,再进一步代谢成肌氨酸、甘氨酸、丝氨酸等次级代谢产物。这对机体提高蛋氨酸利用率、解除高半胱氨酸的毒性和生成S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)都具有重要意义[9]。有研究指出,日粮中添加甜菜碱可显著提高肝脏中BHMT的水平[12],加速蛋氨酸的再甲基化,提高蛋氨酸及SAM含量[13];且能提高CβS水平,加速转硫途径[14],促进胱氨酸、牛磺酸、谷胱甘肽等生成。甜菜碱对蛋氨酸再甲基化及转硫途径的影响与添加剂量相关:低剂量甜菜碱的主效应为促进蛋氨酸的再甲基化;而高剂量添加甜菜碱可加速蛋氨酸的再甲基化及转硫途径[12, 14]

图2 甜菜碱代谢的转甲基作用

2.2.2 在组织中沉积

若甜菜碱不经上述途径代谢,则在肝、肾及肌肉等组织中沉积。汪以真等[15]研究指出,日粮中不额外添加甜菜碱,在猪的肝、肾及肌肉组织均能够检测到甜菜碱。Peuranen等[16]指出,日粮分别添加0、250、500、1000mg/kg甜菜碱,猪肝中甜菜碱含量随着甜菜碱添加量增加而呈线性递增。甜菜碱在各组织中沉积效率不同,主要沉积于肝脏和肾脏,其次是肌肉[17]

 

3 甜菜碱的生理功能

3.1 调节渗透压

渗透压平衡对动物体蛋白质表达;氨基酸及氨类、碳水化合物及脂肪酸代谢;原生质膜运输和基因表达等具有重要意义[18]。当机体细胞环境渗透压发生剧变,细胞主要通过积累低分子量无机离子(Na+、K+等)和有机渗透压调节物(甲基化碱基、氨基酸及其衍生物、糖醇等)来调节渗透压;而无机离子对渗透压调节能力有限,且高浓度的无机离子容易破坏机体蛋白质结构、降低酶活性、影响细胞正常代谢[19]。甜菜碱作为双极性季胺盐,具有类似电解质的特征及高溶解度,可沉积在细胞及细胞器中,在渗透压激变时发挥对细胞的渗透压保护作用。甜菜碱不仅不会干扰细胞正常代谢,且能够稳定细胞正常体积,提高细胞中自由水的含量,缓解高渗应激对细胞增殖的影响[20],另外,甜菜碱能够稳定细胞中蛋白及其他物质的结构和功能[21, 22]

外源甜菜碱摄入能在肾脏中积累[23],保护细胞、减少高浓度电解质和尿素对细胞结构和功能的损伤[24, 25]。体外研究表明,甜菜碱可缓解由渗透压剧变引起的肝脏巨噬细胞肿瘤坏死因子α释放、前列腺素形成及环氧化酶-2的表达等造成的细胞损伤,稳定免疫功能[26]。甜菜碱能缓解由高渗环境引起猪肺动脉上皮细胞的程序性死亡,增加细胞对渗透压变化的适应,减少在渗透激变时对细胞和器官的损伤[27]。Kettune等[28]研究发现,在饮水中添加0.2%甜菜碱能提高肉鸡小肠上皮细胞的滞水能力,改善小肠上皮细胞结构,缓解高渗应激对肉鸡的影响。

3.2 供甲基

甲基(-CH3)是合成蛋氨酸、肉碱、肌酸、磷脂、肾上腺髓质、核糖核酸、脱氧核糖核酸等物质的必须基团。机体自身不能合成甲基,需外源提供[29]。甜菜碱、胆碱和蛋氨酸是动物体主要的有效甲基供体。甜菜碱含有3个极性甲基,是有效的甲基供体,且能通过BHMT的催化作用增加蛋氨酸循环次数,增强机体甲基代谢,加速DNA等的加工和修饰等过程[30]

3.3 调节蛋白代谢

甜菜碱能使动物肝脏和肌肉中的粗蛋白、核糖核酸、RNA与DNA的比值显著提高,血清尿酸明显下降。甜菜碱参与合成肌酸、磷脂、肾上腺素、核糖核酸、脱氧核糖核酸等多种重要生理功能物质,促进机体蛋白质的合成并降低蛋白质的降解,促使组织中蛋白质的沉积[31-34]。蛋氨酸不仅可合成机体蛋白质,同时还在蛋白质代谢中起重要作用[35]。甜菜碱可节约供甲基部分的蛋氨酸,降低蛋氨酸的供甲基消耗量,提高其利用效率[34,36-37]

3.4 调节脂肪代谢

[38]、鸭[39]、蛋鸡[40]及肉鸡[41, 42]的研究表明,日粮中添加甜菜碱能有效的降低体脂沉积。甜菜碱可抑制脂肪酸合成相关酶及mRNA表达,从而减少脂肪沉积[43, 44];Xing等[44]研究指出,甜菜碱降低脂肪合成酶相关基因表达与基因的甲基化有关,提示甜菜碱可能通过调控基因甲基化而影响脂肪代谢合成酶基因表达。在降血脂与保肝作用的方面研究表明:甜菜碱显著提高动物血清及肝中磷脂及极低密度脂蛋白的含量,促进动物肝中脂肪的迁移、降低肝脏中甘油三酯含量的作用。

甜菜碱可为肉碱合成提供甲基,促使肝脏中肉碱的合成量增多[34],使脂肪酸的运载增强,促进细胞线粒体内脂肪酸的β-氧化,并由此反馈性地增强了不同阶段脂肪分解酶的活力,加强了脂肪的分解,使体内脂肪沉积相对减少。同时,甜菜碱可调控机体的激素水平和生长因子等会从而调节机体脂肪的分解和合成代谢[38]

3.5  抗氧化

甜菜碱可能经以下途径参与机体抗氧化:(1)参与蛋氨酸循环,提高蛋氨酸及SAM水平,促进胱氨酸、谷胱甘肽等物质生成,而这些代谢产物在机体抗氧化过程中发挥重要作用,尤其是GSH可直接清除体内自由基等,对机体抗氧化及细胞膜的稳定意义重大[46-47]。(2)调节机体渗透压,对细胞、酶等结构和功能起稳定、保护作用。(3)甜菜碱能够快速通过磷脂双分子层且能与其产生特定生物学交互作用,减少细胞膜脂质过氧化[48]

Kim等[49]研究指出,甜菜碱能显著提高小鼠肝中谷胱甘肽含量和还原型与氧化型谷胱甘肽的比值。Alirezaei等[50]和Kheradmand等[51]报道,甜菜碱可提高小鼠肝脏GPX活性,降低肝脏丙二醛含量。Wang等[52]研究发现,甜菜碱提高了大鼠肝脏中谷胱甘肽过氧化物酶活性。另有研究指出,甜菜碱可提高肉鸡胸肌中SOD、GPX等活力,缓解饲喂低蛋氨酸日粮引起的氧化应激,减少脂质过氧化产物生成[53]

3.6  抗应激

甜菜碱可调节机体渗透压、平衡水分代谢、保护肠道结构、增强免疫力、提高抗氧化功能及抑制中枢神经系统对应激的敏感性等,提高动物对应激环境的适应性和抵抗力。

高半胱氨酸是一种兴奋性氨基酸,也是脑内γ-氨基丁酸(GABA)合成酶-谷氨酸脱羧酶(GAD)的抑制剂,而GABA是中枢神经系统中很重要的抑制性神经递质。甜菜碱促进体内高半胱氨酸向蛋氨酸的转化,降低体内高半胱氨酸的含量,减轻高半胱氨酸对GAD的抑制,有利于脑内GABA的合成,使中枢抑制作用加强,降低中枢对应激的敏感性,进而起到镇静、缓解应激的作用。

热应激是关注及研究较多的一种应激,易导致动物精神不振、体温升高、热性喘息、呼吸加快、酸碱平衡紊乱、水分过度摄入及代谢紊乱、肠道结构损伤、免疫机能下降、采食量降低、生产性能降低、甚至死亡等[54, 55]。球虫感染普遍存在于肉鸡养殖场,导致肉鸡发病和死亡、损伤肠道,阻碍肉鸡生长发育,降低生产性能[56, 57]

日粮中添加甜菜碱能减少热应激肉鸡的水分消耗,提高生产性能,缓解热应激引起的过度饮水而导致饲料消化率下降[58];提高热应激肉鸡免疫功能,降低死淘率,减少无机离子的积累[59];改善热应激肉鸡酸碱平衡及水分在体内的滞留能力[60]

Kettunen等[7]报道,甜菜碱降低了球虫感染肉鸡肠道的隐窝深度与绒毛长度比值,降低肠道损伤,提高肠道吸收表面积,增加饲料利用率。甜菜碱可改善球虫感染肉鸡生产性能[61],提高肉鸡的饮水量及水在肉鸡体内滞留能力,但甜菜碱的抗球虫作用与球虫的种类有关[62]

参考文献(略)

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