硒在反芻動物營養(yǎng)中的研究進(jìn)展

■秦廷洋 李 蓉 李夕萱 楊曉明 齊智利

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，湖北武漢 430070；2.恩施市金欣農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，湖北恩施 445000）

過去，由于攝入少量的硒會導(dǎo)致動物中毒甚至死亡，因此，硒一直被認(rèn)為是一種有毒物質(zhì)。后來人們研究發(fā)現(xiàn)：缺少硒會導(dǎo)致心肌、肝臟、骨骼肌壞死，硒對于動物有重要作用[1]。隨著人們研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)硒與動物免疫、生長、繁殖、抗氧化以及激素調(diào)節(jié)等生物學(xué)功能密切相關(guān)，硒在動物體內(nèi)通過合成硒蛋白發(fā)揮生物學(xué)功能，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多種硒蛋白[2]，硒在動物體內(nèi)作為抗氧化、促生長等功能物質(zhì)維持著動物正常的生長、發(fā)育。近幾年，人們研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加適量的硒不僅可以促進(jìn)動物生長，還對動物肉品質(zhì)有一定的影響，有機(jī)硒的效果顯著優(yōu)于無機(jī)硒，并且其功能與維生素E有互補(bǔ)作用，聯(lián)合使用維生素E可以取得較優(yōu)的養(yǎng)殖效果，此外，除使用有機(jī)硒，納米硒與硒多糖都可能對動物有較好的促進(jìn)作用。在反芻動物中，人們發(fā)現(xiàn)：硒對瘤胃微生物發(fā)酵功能有顯著影響，對反芻動物的免疫、生長以及肉品質(zhì)等方面也有顯著的影響。因此，近幾年硒已經(jīng)成為反芻動物營養(yǎng)研究的重要內(nèi)容[3]。

1 反芻動物體內(nèi)硒的沉積規(guī)律和分布情況

硒作為必需微量元素，對動物體有重要的生理功能，但是硒占機(jī)體比重較低。不同細(xì)胞發(fā)揮著不同的生物學(xué)功能，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，因此，硒在動物體中不同組織和器官中的分布也不同，一般來說，硒大部分沉積于腎臟、胰臟、肝腺和毛發(fā)中，少部分硒沉積于肌肉、骨骼和血液中，在脂肪組織中也有，但是含量極少[4]。硒在不同細(xì)胞中，分布情況也存在差異，比如：在腎細(xì)胞中，硒主要分布在細(xì)胞核附近，而在肝細(xì)胞中，硒則是比較均勻分布在細(xì)胞中[5]。各組織、器官中硒的沉積量也會隨動物硒攝入量的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變（如表1）。

表1 綿羊各器官中硒含量變化[6]

2 硒在反芻動物體內(nèi)的周轉(zhuǎn)過程

2.1 硒在反芻動物體內(nèi)的吸收

小腸是吸收食物中硒的主要場所，目前具體的吸收機(jī)制尚不清楚，一般認(rèn)為，動物可以利用不同形式的硒，但是它們在小腸中的吸收機(jī)制各不同，小腸以主動吸收的方式攝取食物中的有機(jī)硒，以被動轉(zhuǎn)運的方式吸收無機(jī)硒[7-8]。亞硒酸鹽在動物體內(nèi)以簡單擴(kuò)散的方式吸收；有機(jī)硒的吸收方式類似于氨基酸的轉(zhuǎn)運，其中硒代蛋氨酸可以通過蛋氨酸途徑被吸收；硒酸鹽可以借助鈉泵和氫離子交換機(jī)制被吸收[9]。

特別的是，反芻動物中的瘤胃微生物可以通過置換反應(yīng)，將含硫氨基酸中的硫置換為硒，合成硒蛋白，用于維持微生物生長繁殖[10]。同時部分亞硒酸鹽在反芻動物腸道內(nèi)生成不溶性化合物，無法被動物利用，這可能就是反芻動物在生產(chǎn)中更容易出現(xiàn)缺硒癥狀的原因[1]。

2.2 硒在反芻動物體內(nèi)的代謝

無機(jī)硒經(jīng)過小腸吸收進(jìn)入血液后，被血紅細(xì)胞攝取，與谷胱甘肽和谷胱甘肽還原酶參與一系列還原反應(yīng)，無機(jī)硒還原生產(chǎn)硒化氫，硒化氫在酶的作用下生成硒半胱氨酸，硒半胱氨酸經(jīng)過復(fù)雜的機(jī)制參與蛋白質(zhì)的合成[11]。

硒代蛋氨酸和硒半胱氨酸是有機(jī)硒在機(jī)體內(nèi)存在的兩種形式。硒代蛋氨酸作為蛋氨酸的類似物除了可以轉(zhuǎn)化為硒化物，進(jìn)而沿著硒化氫途徑合成硒蛋白外，還可以在機(jī)體內(nèi)沿著蛋氨酸的途徑隨機(jī)替代蛋氨酸進(jìn)入蛋白質(zhì)合成中。無機(jī)硒代謝通路中，僅有少數(shù)硒合成體蛋白，而硒代蛋氨酸相對于無機(jī)硒在動物體內(nèi)周轉(zhuǎn)速率更慢，提高了硒的吸收率，同時，硒代蛋氨酸可以替代蛋氨酸進(jìn)行代謝，這可能是有機(jī)硒更有利于動物硒沉積的原因[12-14]。

2.3 硒在反芻動物體內(nèi)的排出

動物體中，硒經(jīng)過代謝后生成硒的甲基化合物排出體外，其中大部分以三甲基硒的形式通過尿液排出，動物體經(jīng)腎臟排泄的硒約占總硒的55%～60%，另外有少量硒通過糞便、毛發(fā)和汗液排泄到體外。當(dāng)動物體內(nèi)硒含量過高時，硒會在動物體內(nèi)生成具有揮發(fā)性的硒的甲基化合物，通過呼吸道以氣體的形式排出體外，同時，增加生成硒的甲基化合物是目前認(rèn)為比較有效的解除硒中毒的途徑[15]。

3 硒蛋白的合成及作用

3.1 硒蛋白的種類

硒蛋白是指機(jī)體在合成蛋白質(zhì)的過程中，有硒半胱氨酸（Sec）作為編碼氨基酸插入到肽鏈中的蛋白質(zhì)。目前在哺乳動物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種硒蛋白，依據(jù)它們的功能可以劃分為：碘甲腺原氨酸脫碘酶(ID)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、硒蛋白P、硫氧還蛋白還原酶（Trx）、硒蛋白W等[16]。

3.2 硒蛋白的合成

硒半胱氨酸（Sec）是后來發(fā)現(xiàn)的生物體合成蛋白質(zhì)的第21種氨基酸，與它對應(yīng)的密碼子和蛋白質(zhì)翻譯的終止密碼子一樣為AUG[17]。硒半胱氨酸（Sec）作為氨基酸參與蛋白質(zhì)合成的機(jī)制較復(fù)雜，且真核生物與原核生物不同。

硒蛋白在原核生物中合成時，需要四個翻譯因子和兩種順式作用元件。兩種順式作用元件為：引導(dǎo)Sec進(jìn)入特定位點的Sec-AUG密碼子，位于AUG 3’端下游鄰近的一個特殊的mRNA莖環(huán)樣的結(jié)構(gòu)（SECIS）；四個翻譯因子為：SelA、SelB、SelC與SelD，它們的功能是：SelA通過合成SELA Sec合成酶，調(diào)控硒半胱氨酸t(yī)RNA的合成；SelB合成SELB翻譯因子，SELB翻譯因子特異性的結(jié)合與硒半胱氨酸-tRNA[Sec]，并且識別SECIS幫助Sec插入肽鏈；SelC合成與Sec結(jié)合的特異性載體；SelD調(diào)控SELD硒磷酸化合物合成酶的合成。硒磷酸化物合成酶催化硒化物生成硒磷酸化物，在Ser-tRNA合成酶作用下，tRNA[Sec]生成 SertRNA[Sec]，在硒半胱氨酸合成酶作用下，Ser-tRNA[Sec]以硒磷酸化物為硒供體，形成硒半胱氨酸-tRNA[Sec]，最后，與特異的SELB翻譯因子結(jié)合并識別SECIS，協(xié)助Sec插入肽鏈[18]。

與原核生物不同，真核生物硒蛋白合成更為復(fù)雜，但也存在相似之處。在哺乳動物Sec-AUG密碼子仍可作為終止密碼子，因此，哺乳動物mRNA相同位置的UGA可兼具截然不同的功能；真核生物中的SECIS的結(jié)構(gòu)、序列不相同，存在于mRNA 3’非轉(zhuǎn)譯區(qū)[19]。人們發(fā)現(xiàn)一種SBP蛋白能特異性與SECIS元件結(jié)合，它的功能類似于SELB[20]。

3.3 硒蛋白的作用

谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)：GPX是機(jī)體內(nèi)重要的抗氧化酶，其作用是保護(hù)生物細(xì)胞膜系統(tǒng)以及機(jī)體內(nèi)大分子物質(zhì)免受氧化損傷，GPX主要包括四個成員。

脫碘酶（ID）：主要功能是調(diào)控甲狀腺激素的代謝，主要包括三個成員。

表2 谷胱甘肽過氧化物酶分布及作用[16]

表3 脫碘酶家族分布及作用[16]

硒蛋白P（SelP）：主要由肝臟分泌的一種細(xì)胞外糖蛋白，其蛋白質(zhì)肽鏈中含有10～12個Sec殘基，硒蛋白P在機(jī)體各種組織中廣泛表達(dá)，在維持神經(jīng)組織和大腦的正常功能方面有重要作用。

硒蛋白W（SelW）：硒蛋白W主要在肌肉組織中表達(dá)，其功能可能與肌肉正常活動相關(guān)[21]。

硫氧還蛋白還原酶（TrxR）：硫氧還蛋白還原酶主要有TrxR1、TrxR2、TrxR3三個成員。TrxR在硫氧還蛋白協(xié)助下，可以還原胰島素，避免甲狀腺受到H2O2氧化，同時還對IDⅠ的活性有抑制作用等生物學(xué)作用[22]。

4 在反芻動物中硒與硒蛋白的生物學(xué)作用

4.1 對瘤胃發(fā)酵的影響

硒同樣也是瘤胃微生物的必需微量元素，補(bǔ)充適量的硒可以促進(jìn)瘤胃微生物的生長繁殖，增加瘤胃微生物的數(shù)量，減少瘤胃微生物的氧化損傷，提高瘤胃微生物的生物活性，從而影響瘤胃發(fā)酵功能與飼料的消化率。

4.2 免疫調(diào)節(jié)功能

對特異性免疫的影響：實現(xiàn)細(xì)胞免疫應(yīng)答功能的細(xì)胞主要有輔助性T淋巴細(xì)胞、抑制性T淋巴細(xì)胞、細(xì)胞毒性T細(xì)胞、殺傷細(xì)胞(K細(xì)胞)和自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)。當(dāng)機(jī)體處于缺硒狀態(tài)時，機(jī)體的淋巴細(xì)胞減少，自然殺傷細(xì)胞也會減少，細(xì)胞免疫能力下降；而適量的硒，可以加快機(jī)體淋巴細(xì)胞的分化、增殖，增強(qiáng)淋巴細(xì)胞殺傷能力和淋巴因子的分泌。硒能增強(qiáng)淋巴細(xì)胞產(chǎn)生抗體的能力，適量補(bǔ)充硒還能提高血液中免疫球蛋白的數(shù)量，同時，對維持免疫球蛋白的正常水平也有重要作用[15]。

對非特異性免疫的影響：非特異性免疫是指動物體隨著生長、發(fā)育而獲得的免疫能力，其免疫效果對廣泛病原體有效，因而稱之為非特異性免疫。適量補(bǔ)充硒能增強(qiáng)機(jī)體吞噬細(xì)胞的趨化功能，提高吞噬和殺滅病原體的能力[23]。

此外，miRNA miR-181a以CD69和T細(xì)胞受體（T cell receptor，TCR）為作用靶點，T細(xì)胞中高表達(dá)miR-181a負(fù)向調(diào)控T細(xì)胞發(fā)育。當(dāng)硒缺乏時雛雞血清中免疫因子含量明顯降低，表現(xiàn)出相應(yīng)的臨床病理學(xué)變化；且THP-1細(xì)胞上TLR被LPS刺激后，通過Myd88途徑上調(diào)炎癥介質(zhì)的表達(dá)，伴隨miR-146a表達(dá)上調(diào)。同時，硒通過形成硒蛋白參與多種生物學(xué)效應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能。因此推測，miRNA在硒蛋白參與的機(jī)體免疫中發(fā)揮重要作用[24]。

4.3 抗氧化功能

谷胱甘肽過氧化物酶是硒蛋白的一種，是生物體內(nèi)重要抗氧化酶系統(tǒng)，清除細(xì)胞內(nèi)過多的過氧化物，保護(hù)機(jī)體免受活性氧自由基的損害。Kumata S等[25]研究發(fā)現(xiàn)：適量的硒可以提高谷胱甘肽過氧化物酶的活性，顯著降低體內(nèi)丙二醛的含量，減少機(jī)體內(nèi)自由基含量。

維生素E也是重要的抗氧化物質(zhì)，聯(lián)合使用硒和維生素E可以大大提高動物體的抗氧化能力，并且兩種物質(zhì)在改善肉品質(zhì)、提高動物體免疫能力等方面具有互補(bǔ)效果。

4.4 促生長功能

作為必需微量元素，補(bǔ)充適量的硒是動物健康生長不可缺少的環(huán)節(jié)，同時，硒在對動物體抗應(yīng)激、抗氧化、免疫能力方面的促進(jìn)作用也有利于動物健康生長。脫碘酶是硒蛋白的一種，脫碘酶能催化四碘甲腺原氨酸（T4）轉(zhuǎn)化為三碘甲腺原氨酸（T3），T3能增強(qiáng)胰島素分泌，增強(qiáng)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)和合成，調(diào)控生長激素的生產(chǎn)與基因表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)生長[26]。最后，對于反芻動物而言，硒也是瘤胃微生物生長繁殖的必需微量元素，硒可以提高瘤胃微生物的活性，提高飼料消化率，武霞霞[27]實驗表明：使用奶牛瘤胃液體進(jìn)行體外培養(yǎng)，補(bǔ)充適量硒可以增強(qiáng)瘤胃發(fā)酵功能，提高飼料消化率。

4.5 對繁殖性能的影響

雄性動物精子細(xì)胞中含有硒蛋白的成分，主要存在于精子細(xì)胞尾部中段，在精液中存在著谷胱甘肽過氧化物酶，保護(hù)精子在生殖道中不受氧化損傷，是保證精子活力、完成受精過程的重要物質(zhì)[28]。Marin-Guzman等[29]在研究硒對公豬生殖能力的影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，日糧中添加硒的公豬比沒有添加硒的公豬精子活力提高了27.5%，健康精子數(shù)量提高27.2%，受精率提高了25.1%。當(dāng)機(jī)體內(nèi)硒不足時，精子原生質(zhì)膜容易受損，并且釋放谷草轉(zhuǎn)氨酶，精子活力降低，甚至導(dǎo)致精子死亡，受精率降低。硒容易進(jìn)入雌性動物生殖器官中有，在卵細(xì)胞和母乳中都有硒的存在，是雌性動物進(jìn)行正常繁殖的重要物質(zhì)。雌性動物缺少硒時，會影響雌性動物一系列的繁殖性能，表現(xiàn)為：發(fā)情不規(guī)律，性欲降低，子宮活力不足，母畜排卵數(shù)量變少，精子在受精過程中的活動也會受到限制，對母畜后期的妊娠、胎兒存活率以及幼畜生長都有不良影響。

4.6 對激素調(diào)節(jié)的影響

硒在激素調(diào)節(jié)中的作用主要體現(xiàn)在脫碘酶對甲狀腺激素的作用。甲狀腺激素中大部分是甲狀腺激素T4，而甲狀腺激素T3含量相對較少，進(jìn)入血液的98%是甲狀腺T4，只有2%是甲狀腺激素T3，但是甲狀腺激素T3才是揮發(fā)相應(yīng)功能的主要物質(zhì)，其活性是甲狀腺激素T4的5～8倍，同時甲狀腺激素T3介入戊糖磷酸循環(huán)途徑，與動物生長激素和胰島素的合成代謝相關(guān)。脫碘酶能催化T4脫碘轉(zhuǎn)化為活性更強(qiáng)的T3。當(dāng)動物體內(nèi)硒不足時，脫碘酶活性顯著下降，血液中T3含量隨之降低，導(dǎo)致動物生長受阻[30]。

5 反芻動物的缺硒與硒中毒

5.1 反芻動物缺硒的影響

硒是反芻動物必需的微量元素，是維持機(jī)體正常代謝的重要物質(zhì)，根據(jù)反芻動物的種類以及硒的不同形式，對硒的需要量也各不相同。急性的缺硒癥狀主要出現(xiàn)在犢牛和羔羊中，表現(xiàn)為心肌衰竭甚至死亡；亞急性缺硒癥狀主要表現(xiàn)為白肌病；慢性缺硒對動物繁殖性能、生長性能、抵抗力等有不良影響[6]。

5.2 硒中毒

當(dāng)動物體內(nèi)硒含量過高時，硒不在表現(xiàn)為抗氧化作用，而是以產(chǎn)生活性氧自由基為主，使機(jī)體氧化損傷。不同動物對硒的耐受量不同，以牛為例，當(dāng)牛日糧中硒含量高于400～800 mg/kg時，表現(xiàn)為急性硒中毒，出現(xiàn)呼吸困難、運動失調(diào)，甚至導(dǎo)致死亡；當(dāng)長期飼喂硒含量3～20 mg/kg的飼料給犢牛時，導(dǎo)致慢性硒中毒，出現(xiàn)生長緩慢、食欲下降、脫發(fā)、脫蹄等癥狀[6]。硒中毒的機(jī)制尚不清楚，活性氧自由基理論是現(xiàn)在解釋硒中毒的基礎(chǔ)，該理論認(rèn)為：當(dāng)體內(nèi)硒含量過高時，過量的硒與體內(nèi)的代謝產(chǎn)物谷胱甘肽反應(yīng)，生成活性氧，造成機(jī)體氧化損傷[15]。

6 反芻動物中硒的營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展

1817年，化學(xué)家Berzelius首次發(fā)現(xiàn)硒元素，并命名為Selene，起初，由于動物食用少量的硒便會出現(xiàn)中毒的癥狀，硒被認(rèn)為是毒性物質(zhì)；Eggert等（1957）發(fā)現(xiàn)：缺硒會出現(xiàn)豬肝臟壞死，骨骼肌變性等，確定了硒是動物的必需微量元素；Rotruck（1973）發(fā)現(xiàn)硒與谷胱甘肽過氧化氫酶的合成密切相關(guān)，隨后多種硒蛋白陸續(xù)被人們發(fā)現(xiàn)。魯玉花等（1999）[31]模擬山羊瘤胃體外代謝，研究硒對山羊瘤胃發(fā)酵的影響中發(fā)現(xiàn)，添加硒對瘤胃pH值無顯著影響，丁酸與乙酸的比例顯著升高，丙酸含量也顯著升高，瘤胃中氨氮濃度顯著升高，原蟲蛋白與菌體蛋白顯著升高，三氯醋酸沉淀蛋白含量也顯著提高，纖維素消化率顯著提高。張拴林等(2012)在研究硒與維生素E對奶牛生長性能和血液生化指標(biāo)時發(fā)現(xiàn)：適量的硒可以提高奶牛泌乳量，硒和維生素E聯(lián)合使用能有效保護(hù)肝臟，改善氮平衡，增加氮的生物利用率，隨后，張拴林等又對肉牛進(jìn)行相似的實驗研究發(fā)現(xiàn)：在飼料中添加適量的硒與維生素E能顯著提高可消化氮與沉積氮的數(shù)量，減少氮排放，在血液指標(biāo)中，血液中谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT）、谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）、谷胱甘肽過氧化氫酶（GPx）以及白蛋白（ALB）含量增加，促進(jìn)T4向T3轉(zhuǎn)化等[32-33]。劉敏（2014）使用不同硒源研究對灘羊表觀消化率以及生產(chǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加硒對灘羊生長有一定促進(jìn)作用，酵母硒效果優(yōu)于無機(jī)硒。

奶牛乳腺炎在臨產(chǎn)和泌乳期奶牛中發(fā)病率較高，嚴(yán)重影響乳腺健康和牛奶生產(chǎn)，而硒可降低奶牛乳腺炎的發(fā)病率和嚴(yán)重程度。2013年研究報道：在成年母牛和犢牛的大腸桿菌疫苗免疫試驗中證實了硒對獲得性免疫的增強(qiáng)作用，血清抗體水平和TRxR-2基因表達(dá)水平與飼糧硒水平呈正相關(guān)，而IL-8受體、L-選擇素和TRxR-1的基因表達(dá)水平與飼糧硒水平呈負(fù)相關(guān)，因此，營養(yǎng)補(bǔ)硒提高了牛用疫苗的效力[34]。硒的其中另外一個重要抗炎機(jī)制為其調(diào)節(jié)單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附及炎癥浸潤，硒營養(yǎng)直接影響血管內(nèi)皮細(xì)胞功能和乳腺內(nèi)皮細(xì)胞[35]。近年來，藥物刺激乳腺上皮細(xì)胞研究其對MAPK途徑的報道逐漸增多，研究表明，外源添加亞硒酸鈉，顯著抑制MAPK通路活化，降低了p38、JNK和ERK的磷酸化并呈劑量依賴性，促炎和炎性細(xì)胞因子誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、COX-2和TNF-α等基因呈劑量效應(yīng)表達(dá)下降[36]。

7 小結(jié)

經(jīng)過大量實驗證明，硒對動物高效、健康養(yǎng)殖，改善肉品質(zhì)方面有積極作用。在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，無機(jī)硒的毒性作用大，不易控制，易導(dǎo)致動物硒中毒，相對于無機(jī)硒，有機(jī)硒毒性較小，在動物體內(nèi)吸收利用率高，是較為安全且高效的補(bǔ)硒物質(zhì)，有機(jī)硒在反芻動物中的使用是研究熱點之一。對于反芻動物而言，有機(jī)硒的最佳使用量需要進(jìn)一步深入研究，此外，考慮到瘤胃微生物對有機(jī)硒的分解作用，應(yīng)考慮對有機(jī)硒進(jìn)行過瘤胃處理，如：使用包被硒代蛋氨酸等。在日糧中添加硒時，為了取得更優(yōu)的養(yǎng)殖效果應(yīng)考慮與維生素E聯(lián)合使用，在反芻動物中，硒與維生素E聯(lián)合使用的添加量有待進(jìn)一步研究深入。近幾年，人們發(fā)現(xiàn)硒對人有重要的保健作用，如：防治心腦血管疾病、預(yù)防癌癥、保護(hù)肝臟以及延緩衰老等，因此，研究不同硒源在反芻動物體內(nèi)的沉積量與沉積規(guī)律，開發(fā)富硒產(chǎn)品，對提高人們健康水平有重要意義。