水生龜鱉類糖代謝的研究進展

劉海燕 楊振才

(河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，石家莊 050024)

龜鱉類是爬行動物的一個特化類群，隸屬于爬行綱(Reptilia)龜鱉目(Testudoformes)。龜鱉入藥在中國有著悠久的歷史，《本草綱目》中就有詳細記載，同時龜鱉類營養(yǎng)豐富，具有很高的營養(yǎng)價值，其中的一些品種如中華鱉(Pelodiscus sinensis)和烏龜(Chinemys reevesii)現(xiàn)已成為我國重要的水產(chǎn)特種經(jīng)濟動物。有關(guān)水生龜鱉類蛋白質(zhì)營養(yǎng)需求的研究已經(jīng)有一些報道［1－2］，與大多數(shù)肉食性魚類一樣，水生龜鱉飼料中的蛋白質(zhì)含量較高，尤其對魚粉的依賴性很大。然而，目前魚粉資源的短缺及價格的飆升成為限制龜鱉類養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸［3］。糖類有節(jié)約蛋白質(zhì)的作用，同時具有資源豐富且價格低廉的優(yōu)勢，提高龜鱉類對糖類的利用可以減少龜鱉飼料對魚粉的依賴。糖代謝居于動物體內(nèi)能量代謝之首，三大營養(yǎng)物質(zhì)通過糖代謝緊密聯(lián)系，源源不斷地為動物提供生長、發(fā)育及繁殖所必需的能量。本文擬就水生龜鱉類對糖的利用能力、糖代謝模式及調(diào)控機制的研究現(xiàn)狀進行綜述，以期為進一步深入研究水生龜鱉類對糖的利用提供參考。

1 水生龜鱉類對糖的利用能力

1.1 水生龜鱉類對糖的需求量

在水生龜鱉類對糖需求量的研究上，以中華鱉和烏龜?shù)难芯枯^多。孫鶴田等［4］試驗表明，稚鱉飼料中糖的適宜含量為20%～25%，每100 g鱉重日需要糖 0.53 ～0.56 g。包吉墅等［5］以糊精為糖源的試驗結(jié)果表明，稚鱉(15～30 g)飼料總糖適宜含量為21% ～28%，每100 g鱉重日需要糖0.32～0.43 g，最佳生長的飼料含糖量(糊精)為 29.0% ～29.5%。涂澇等［6］在中華鱉攝食含不同可消化糖類的飼料研究中發(fā)現(xiàn)，中華鱉的飼料系數(shù)與飼料中可消化糖類含量之間呈一元二次方程關(guān)系，由此計算獲得飼料中可消化糖類的最適含量為21.6%。卞偉等［7］報道，飼料粗纖維含量控制在4%以下，烏龜以α－淀粉作為飼料的糖源，增重率在添加量為20%時最高，飼料效率在添加量為30%時最高，其適宜含量為22.37% ～25.28%。由此看來，中華鱉和烏龜配合飼料中糖含量不應(yīng)超過30%，這與大多數(shù)肉食性魚類對糖的需求量相近。在食性上，龜鱉類特別是水生龜鱉類多為雜食偏肉食性，少部分陸生龜鱉類為植食性，因此在營養(yǎng)利用特點上水生龜鱉類以攝食動物性蛋白質(zhì)飼料為主。然而，在配合飼料中適當(dāng)提高糖的含量可提高水生龜鱉類的蛋白質(zhì)效率，降低飼料價格，同其他水產(chǎn)動物一樣，起到節(jié)約蛋白質(zhì)的作用［8］。彭福峰［9］報道，在烏龜飼料中添加20%～25%的α－淀粉能提高飼料蛋白質(zhì)的利用率。此外，水生龜鱉類對不同糖源的利用能力存在較大差異，烏龜對熟淀粉的利用能力要高于生淀粉［10］。

1.2 水生龜鱉類對糖的消化吸收及代謝能力

水生龜鱉類對糖的利用體現(xiàn)在對糖的消化吸收及代謝2個方面。同其他動物一樣，水生龜鱉類消化器官中存在著分解大分子糖類的消化酶。龍良啟等［11］研究了幼鱉的淀粉酶在消化組織中的分布特點，發(fā)現(xiàn)淀粉酶活性大小分布如下:胰＞十二指腸＞胃＞回腸及結(jié)腸＞直腸。但是，沈美芳等［12］在對中華鱉的消化能力進行研究時發(fā)現(xiàn)，中華鱉對飼料中糖的消化能力遠不如脂肪和蛋白質(zhì)高，消化率大約為65.30%。在飼料中添加寡糖和糖萜素可以顯著提高中華鱉胰臟和后腸組織中淀粉酶的活性［13］，在飼料中添加枯草芽孢桿菌也可以提高中華鱉腸道組織中淀粉酶的活性［14］。王珺［15］在對中華鱉蛋白質(zhì)需求量進行研究時發(fā)現(xiàn)，隨著飼料中蛋白質(zhì)含量降低且糖含量由20.83%增加到38.80%后，糖的消化率并沒有降低，然而中華鱉能量收支中的代謝能部分卻顯著地從66.2%增加到71.3%。因此，水生龜鱉類在能量利用上以蛋白質(zhì)和脂肪為主，對糖的利用程度不高。究其原因，一方面，相對于飼料中的蛋白質(zhì)和脂肪，水生龜鱉類對糖的消化吸收能力較弱;另一方面，水生龜鱉類在代謝水平上對糖類的能量利用效率不高。因此，有必要對水生龜鱉類的糖代謝過程進行深入研究。

2 水生龜鱉類的糖代謝過程

2.1 水生龜鱉類的糖代謝模式

關(guān)于糖代謝的研究，在哺乳動物上已經(jīng)有了較為系統(tǒng)的研究結(jié)果。糖以糖原的形式儲存在肝臟與肌肉等組織中，以葡萄糖的形式存在于血液中，被運輸?shù)缴眢w的各個組織器官分解供能。在代謝途徑上，葡萄糖與糖原分別在糖原合成酶與糖原磷酸化酶作用下進行著糖原的合成與分解，以維持血糖濃度的相對恒定;葡萄糖在限速酶——己糖激酶(HK)、葡萄糖激酶(GK)、6－磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸羧激酶(PK)的作用下進行著糖酵解，用于分解供能。此外，還存在著糖異生作用，糖異生途徑中的限速酶主要有丙酮酸羧化酶(PEPCase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)、果糖 －1，6 － 二磷酸酶(FBPase)、葡萄糖－6－磷酸酶(G6Pase)。正常攝食情況下，除少數(shù)肉食性兇猛動物外，大部分哺乳動物的食物結(jié)構(gòu)中以碳水化合物為主，糖酵解作用較強，而糖異生作用較弱，能充分利用食物中的糖類。而魚類與哺乳動物的糖代謝機制存在很大差別，魚類所需食物中的蛋白質(zhì)和脂肪含量較高，不能有效利用食物中的糖類。其原因可能在于魚類對糖酵解途徑和糖異生途徑的調(diào)控機制不平衡，缺乏對糖異生作用的有效調(diào)控［16］，當(dāng)有充足的外源葡萄糖存在時，魚類無法有效抑制糖異生途徑的限速酶，仍能維持活躍的糖異生作用，存在著“無效底物循環(huán)”，糖類的利用效率受到影響［17］。在水生龜鱉類動物體內(nèi)同樣檢測到了這些糖酵解和糖異生的關(guān)鍵酶類［18－19］，但各種糖代謝途徑的作用與能力的大小尚不清楚，在糖的利用能力上，水生龜鱉類與肉食性魚類相同，是否也存在著與肉食性魚類相同，而與哺乳動物相反的糖酵解與糖異生作用特點有待進一步地探討。

2.2 血糖對于龜鱉類的意義

所有糖類都需要在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成葡萄糖才能進入能量代謝，因此維持血糖水平的穩(wěn)定性才能保證各組織和器官的需要。然而，不同脊椎動物的血糖水平存在很大差異，Polakof等［20］比較了魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類及哺乳動物的血糖水平，發(fā)現(xiàn)恒溫動物的血糖水平高于變溫動物(圖1)，這與恒溫動物具有較高的代謝率與能量需求相適應(yīng)。而在恒溫動物中，鳥類的血糖水平是哺乳動物的2倍，分析其原因認為是鳥類的代謝率高于哺乳動物，在糖代謝的調(diào)節(jié)中鳥類對胰島素的敏感性很低［20］。而在變溫動物中，爬行動物的血糖水平最高，是兩棲動物的2倍，其中的原因尚未探明，是不是也有著相同的胰島素不敏感機制還有待進一步的試驗驗證。甚至，龜鱉類在冬季低溫饑餓時血糖水平遠高于正常水平，對于龜鱉類，高血糖水平的另一個功能還被認為是一種抗凍劑以抵抗低溫的傷害［21］。由此看來，血糖對于龜鱉類的意義不只是簡單的一種代謝能源，維持血糖穩(wěn)定的糖代謝調(diào)控機制存在著與其他動物的不同之處。

圖1 不同脊椎動物的血糖水平Fig.1 Blood glucose level indifferent vertebrata［20］

2.3 水生龜鱉類的糖代謝調(diào)控機制

在代謝調(diào)控上，哺乳動物的血糖水平受胰島素和胰高血糖素調(diào)節(jié)保持在穩(wěn)定的水平。胰島素能增強細胞對葡萄糖的攝取利用，是哺乳動物機體內(nèi)唯一降低血糖的激素。胰島中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2(GLUT2)與葡萄糖激酶共同形成葡萄糖感受器，當(dāng)血糖水平升高時葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2對葡萄糖的轉(zhuǎn)運也隨之增加，繼而刺激胰島素釋放，降低血糖水平。胰高血糖素的作用與胰島素相反，具有很強地促進糖原分解和糖異生作用，使血糖水平明顯升高［16］。然而，魚類的糖代謝研究結(jié)果表明，在有充足的外源葡萄糖存在的情況下，魚類仍能維持活躍的糖異生作用的原因之一是體內(nèi)胰島素的分泌不足，不能有效地調(diào)節(jié)血糖水平和體內(nèi)的代謝途徑，造成血糖水平持續(xù)偏高，但胰島素分泌不足的原因至今尚未探明［22－23］。

目前有關(guān)爬行動物糖代謝調(diào)控機制的研究雖然較少，但已有的研究結(jié)果表明，與哺乳動物和魚類相同，爬行動物的血糖水平同樣受胰島素和胰高血糖素的影響。研究表明，將胰腺去除后，爬行動物的血糖內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，出現(xiàn)血糖水平顯著升高［24］;每 天 給 錦 龜 (Chrysemysdorbigni) 口 服100 μg/kg胰高血糖素，30d 后出現(xiàn)高血糖［25］;而當(dāng)錦龜受到外源胰島素處理時，肝糖原的合成速度以及體內(nèi)葡萄糖的轉(zhuǎn)運速度同時加快，血糖水平降低［26］。盡管爬行動物正常生理狀態(tài)下的血糖水平低于哺乳動物，但經(jīng)胰島素刺激后產(chǎn)生的血糖閾值卻顯著高于哺乳動物［27］。恒溫動物中，鳥類的血糖水平是哺乳動物的2倍，糖代謝調(diào)節(jié)中表現(xiàn)出了極低的胰島素/胰高血糖素比例［20］，甚至在雞的胰腺中就沒有刺激胰島素釋放的葡萄糖感受器葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2的表達［28］。陸生爬行動物蜥蜴的血糖水平與胰島素關(guān)系的研究結(jié)果也同樣表明，蜥蜴對血糖水平的升高并不像哺乳動物所感受的那樣敏感，刺激蜥蜴胰島素開始分泌的血糖水平是哺乳動物的2倍［27］。水生龜鱉類是否也存在著較低的胰島素敏感性?還是存在其他更敏感的血糖調(diào)控作用?目前還沒有相關(guān)研究報道，需要試驗進一步地驗證。

3 饑餓脅迫下水生龜鱉類的糖代謝過程

龜鱉類是世界上最古老的一類爬行動物，歷經(jīng)各個歷史時期大的生態(tài)變遷而能生存繁衍下來，說明其對各種脅迫有著很強的抗逆性和適應(yīng)性，對龜鱉類抗逆機理的研究(如耐饑餓、抗低氧)一直以來都是科學(xué)家們的興趣所在［29］。饑餓脅迫發(fā)生時，機體動用的是內(nèi)源糖，研究饑餓脅迫下水生龜鱉類內(nèi)源糖代謝的適應(yīng)變化過程與調(diào)控機制有助于很好地理解水生龜鱉類的糖代謝機制。

降低代謝水平、減少能量消耗是大多數(shù)脊椎動物應(yīng)對饑餓脅迫的共同對策［30］，進而在營養(yǎng)代謝及激素調(diào)節(jié)上誘發(fā)出一系列復(fù)雜的適應(yīng)變化，這種適應(yīng)變化的主要目的是提供葡萄糖給大腦等重要組織器官，以脂肪代謝產(chǎn)物供給身體其他組織能量需要［31］。如圖2所示，在饑餓初期，大部分動物包括哺乳動物首先動用機體貯存的糖原，通過糖原分解提供葡萄糖;當(dāng)糖原逐漸耗竭時，糖異生作用慢慢加強，分解機體內(nèi)的脂肪和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成葡葡糖，以保持血糖水平的穩(wěn)定。當(dāng)糖異生維持的血糖水平不能保持相對的動態(tài)平衡時，動物就會失去對饑餓的耐受性，最終會衰竭死亡［30］。

然而，水生龜鱉類在饑餓發(fā)生時卻沒有表現(xiàn)出與哺乳動物相似的糖原分解與糖異生趨勢。尖吻龜經(jīng)30d饑餓，血糖水平未發(fā)現(xiàn)顯著變化，但胰島素的分泌量卻是正常投喂的 40%［32］;1、5及30d的饑餓也并沒有顯著影響錦龜腦、肝臟和肌肉中糖原的含量［18］;同樣，經(jīng)18～22周的饑餓后巴西紅耳龜(Pseudemys scripta Elegans)肝臟、腎臟、心臟及肌肉中的糖原含量也沒有顯著變化，此外，5～9、7～14和8～22周的饑餓對巴西紅耳龜葡萄糖－6－磷酸酶和果糖－1，6－二磷酸酶這些糖異生代謝酶活性也無顯著影響［19］。由此看來，水生龜鱉類在饑餓脅迫下的糖代謝適應(yīng)機制與哺乳動物存在著明顯差異，而這種差異可能是龜鱉類比哺乳動物更耐饑餓的一個原因。

圖2 哺乳動物在饑餓下的葡萄糖利用模式Fig.2 Glucose utilization modelduring starvation for mammal［30］

4 小結(jié)

綜觀水生龜鱉類糖代謝的研究，只有一些生理水平的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，如飼料中糖的最適需求量、消化酶活性、血糖水平、肝糖原含量、胰島素的分泌以及一些代謝酶的測定。而在水生龜鱉類利用內(nèi)源和外源葡萄糖的代謝模式上、在葡萄糖的感知與調(diào)控機制上以及在維持血糖內(nèi)穩(wěn)態(tài)(glucose homeostasis)的分子機制上的研究則幾乎是空白。水生龜鱉類以攝食動物性蛋白質(zhì)飼料為主，在對糖的利用模式上與魚類相接近，而區(qū)別與哺乳動物。今后應(yīng)加強水生龜鱉類糖代謝機制的深入研究，找到限制水生龜鱉類利用糖的瓶頸，最終揭示水生龜鱉類糖代謝模式與調(diào)控的分子機制。

［1］ NUANGSAENG B，BOONYARATAPALIN M.Protein requirement of juvenile soft-shelled turtle Trionyx sinensis Wiegmann［J］.Aquaculture Research，2001，32:106－111.

［2］ 杜杰，孫建義，盧亞萍.烏龜?shù)臓I養(yǎng)價值及營養(yǎng)需要［J］.中國飼料，2006，15:32 －34.

［3］ 華穎，邵慶均.中華鱉營養(yǎng)與飼料研究進展［J］.飼料工業(yè)，2011，32(16):18 －22.

［4］ 孫鶴田，軒子群，王志忠，等.中華鱉對蛋白質(zhì)、脂肪、糖、混合無機鹽及氨基酸適宜需要量的研究［C］//中國水產(chǎn)學(xué)會水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料研究會論文集.北京:海洋出版社，1997:241－249.

［5］ 包吉墅，劉春，高曉莉，等.稚鱉的營養(yǎng)素需要量及飼料最適能量蛋白比［J］.水產(chǎn)學(xué)報，1992，16(4):365－371.

［6］ 涂澇，黃勇軍.甲魚配合飼料中蛋白質(zhì)、脂肪以及醣類適宜含量初探［J］.水產(chǎn)科技情報，1995，22(1):17－20.

［7］ 卞偉，王冬武.淡水龜類的養(yǎng)殖［M］.北京:農(nóng)村讀物出版社，1999.

［8］ 周嗣泉，宋理平，陳有光，等.鱉用飼料中碳水化合物節(jié)約蛋白質(zhì)的效果［J］.中國飼料，2000(23):22－23.

［9］ 彭福峰.烏龜配合飼料的配制技術(shù)［J］.漁業(yè)致富指南，1999(20):27－28.

［10］ 潘鳳蓮，吳凡，周貴譚，等.配合飼料中α－淀粉與生淀粉比例對烏龜生長的影響［J］.水利漁業(yè)，2007，27(1):99－100.

［11］ 龍良啟，白東清，梁擁軍，等.幼鱉胃腸胰組織中主要消化酶活性分布［J］.動物學(xué)雜志，1997，32(6):23－26.

［12］ 沈美芳，陳煥銓.甲魚對配合飼料中蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物的消化率［J］.水產(chǎn)養(yǎng)殖，1995(5):22－23.

［13］ 肖明松，王志耕，孫玉軍，等.飼料中添加果寡糖和糖萜素對中華鱉消化酶活力的影響［J］.中國畜牧獸醫(yī)，2004，31(2):10 －13.

［14］ 管越強，周環(huán)，張磊，等.枯草芽孢桿菌對中華鱉生長性能、消化酶活性和血液生化指標的影響［J］.動物營養(yǎng)學(xué)報，2010，22(1):235 －240.

［15］ 王珺.蛋白質(zhì)含量對中華鱉稚鱉能量收支和氮收支的影響［D］.碩士學(xué)位論文.石家莊:河北師范大學(xué)，2005:28－36.

［16］ ENES P，PANSERAT S，KAUSHIK S.Nutritional regulation of hepatic glucose metabolism in fish［J］.Fish Physiology and Biochemistry，2009，35:519 －539.

［17］ FU S J，XIE X J.Nutritional homeostasis in carnivorous southern catfish(Silurus meridionalis Chen):is there a mechanism for increased energy expenditureduring carbohydrate overfeeding? ［J］Comparative Biochemistry and Physiology Part A:Molecular＆Integrative Physiology，2004，139A:359 －363.

［18］ PARTATA W A，MARQUES M.Effects of fasting and seasonal variations in brain glycogendisposition in the turtle(Chrysemysdorbigni)［J］.Comparative Biochemistry and Physiology Part A:Molecular＆Integrative Physiology，1994，107(4):727 －730.

［19］ PENNEY D，PAPADEMAS K.Effect of starvation on fructose diphosphatase，glucose-6-phosphatase and phosphoglucomutase activities in organs of Pseudemys scripta Elegans［J］.Comparative Biochemistry and Physiology Part B:Biochemistry and Molecular Biology，1975，50:137 －143.

［20］ POLAKOF S，MOMMSEN T P，SOENGAS J L.Glucosensing and glucose homeostasis:from fish to mammals［J］.Comparative Biochemistry and Physiology Part B:Biochemistry and Molecular Biology，2011，160:123－149.

［21］ COSTANZO J P，LEE R E，ULTSCH G R.Physiological ecology of overwintering in hatchling turtles［J］.Journal of Experimental Zoology Part A:Ecological Genetics and Physiology，2008，309A:297 －379.

［22］ 付世建，羅毅平，謝小軍.南方鲇攝食碳水化合物后的血糖動力學(xué)方程［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報，2006，31(4):133－137.

［23］ 蔡春芳，陳立僑.魚類對糖的代謝［J］.水生生物學(xué)報，2008，32(4):592 －597.

［24］ PENHOS J C，RAMEY E.Studies on the endocrine pancreas of amphibians and reptiles［J］.American Zoologist，1973，13:667 －698.

［25］ MARQUES M.Effects of prolonged glucagon administration to turtles(Chrysemysdorbignyi)［J］.General and Comparative Endocrinology，1967，9(1):102－109.

［26］ MACHADO V L A，MARQUES M.Effects of insulin on the glucose-uptake by the thyroid-gland of the turtle Chrysemysdorbigni acclimated todifferent temperatures［J］.Journal of Experimental Zoology，1993，266:284－289.

［27］ RHOTEN W B.Sensitivity of saurian pancreatic islets to glucose［J］.American Journal of Physiology，1974，227:993－997.

［28］ SEKI Y，SATO K，KONO T，et al.Broiler chickens(Ross strain)lack insulin-responsive glucose transporter GLUT2 and have GLUT8 cDNA［J］.General and Comparative Endocrinology，2003，133:80 －87.

［29］ SUN Y，OUYANG Y B，XU L，et al.The carboxyl-terminaldomain of inducible Hsp70 protects from ischemic injury in vivo and in vitro［J］.Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism，2006，26(7):937 －950.

［30］ MCCUE M D.Starvation physiology:reviewing thedifferent strategies animals use to survive a common challenge［J］.Comparative Biochemistry and Physiology Part A:Molecular＆Integrative Physiology，2010，156:1－18.

［31］ BROSNAN J T，WATFORD M.Starvation:metabolic changes［J/OL］.Encyclopedia of Life Science，2004［2012-09-29］.http://www.els.net/WileyCDA/ElsArticle/refId-a0000642.html.

［32］ DA SILVA R S M，MIGLIORTNI R H.Effects of starvation and refeeding on energy-linked metabolic processes in the turtle(Phrynops hilarii)［J］.Comparative Biochemistry and Physiology Part A:Molecular＆ Integrative Physiology，1990，96:415－419.