胍基乙酸的生理作用和機(jī)理及其在肉雞、豬生產(chǎn)方面的應(yīng)用

班 博 蔣慶友 楊 泰 田科雄

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410128)

胍基乙酸(guanidine acetic acid，GAA)又稱胍乙酸、N-咪基甘氨酸，分子式為C3H7N3O2，摩爾質(zhì)量為117.11 g/mol，白色或灰白色粉末或晶體狀，無臭味，溶于水，極微溶于乙醇和乙醚[1-2]。Weber最早從尿液中發(fā)現(xiàn)并分離得到GAA，并提出GAA是合成肌酸的前體物質(zhì)，但沒有進(jìn)行深入的研究[1]。Bloch等[3]發(fā)現(xiàn)機(jī)體內(nèi)GAA是由精氨酸和甘氨酸合成的，因此GAA又屬于甘氨酸衍生物。GAA在肝臟中通過甲基化的形式最終形成肌酸[4]，飼糧中添加GAA正是為了提高動(dòng)物機(jī)體肌酸的含量，2009年10月歐盟開始將GAA用作飼料添加劑[5]。不含肌酸的植物性飼料原料的廣泛使用[6]，提高了動(dòng)物對精氨酸、甘氨酸的需求量，甚至造成肌酸缺乏癥，由于在飼糧中直接添加肌酸成本較高且肌酸不穩(wěn)定，目前通過在純植物性飼糧中添加GAA來解決這一問題[7]。GAA的內(nèi)源合成以及進(jìn)一步合成肌酸的機(jī)理基本研究清楚，但GAA在動(dòng)物體內(nèi)的代謝途徑、抗氧化機(jī)理還有待探索。GAA作為一種新型的飼料添加劑受到越來越多的畜禽生產(chǎn)科研學(xué)者的關(guān)注，因此，本文對目前GAA在肉雞和豬多個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期對GAA的進(jìn)一步研究和探索提供一定的參考。

1 GAA代謝途徑

動(dòng)物機(jī)體內(nèi)存在GAA的內(nèi)源合成反應(yīng)，即L-精氨酸的咪基被L-精氨酸甘氨酸咪基轉(zhuǎn)移酶(L-arginine:glycine amidinotranferase,AGAT)切開，甘氨酸與切下來的咪基結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)镚AA[3]。L-精氨酸切掉咪基后轉(zhuǎn)變?yōu)長-鳥氨酸，而L-鳥氨酸可以通過尿素循環(huán)重新轉(zhuǎn)化為L-精氨酸。機(jī)體內(nèi)源合成GAA最先在腎臟中被發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)肝臟和胰臟同樣存在合成GAA的反應(yīng)，但腎臟是合成GAA的主要場所。無論是內(nèi)源合成的GAA還是通過采食飼糧攝取的GAA，都可以經(jīng)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)礁闻K，通過甲基化的方式進(jìn)一步合成肌酸。GAA到達(dá)肝臟后由S-腺苷蛋氨酸(S-adenosyl methionine，SAM)提供甲基在S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶(S-adenosylmethionine:guanidinoacetate N-methyltransferase，GAMT)的催化下，GAA接受甲基生成肌酸。SAM失去甲基后轉(zhuǎn)化為S-腺苷高半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine，SAH)，SAH可以通過腺嘌呤核苷同型半胱氨酸水解酶水解形成腺嘌呤核苷和同型半胱氨酸。因此在機(jī)體內(nèi)同型半胱氨酸的產(chǎn)生和GAA甲基化反應(yīng)存在著緊密的聯(lián)系[1]。Stead等[4]研究發(fā)現(xiàn)，GAA合成肌酸所需的甲基主要由SAM提供，而不是機(jī)體內(nèi)存在的其他甲基化反應(yīng)都可以提供，并且機(jī)體中超過85%的由SAM提供甲基的反應(yīng)發(fā)生在肝臟中[8]。因此飼糧中過量添加GAA會(huì)增加甲基的需要量，同時(shí)提高同型半胱氨酸的含量，導(dǎo)致胱氨酸血癥的發(fā)生，Setoue等[9]、Ohuchi等[10]在研究中也發(fā)現(xiàn)這一問題。在甜菜堿-高半胱氨酸S-甲基轉(zhuǎn)移酶(betaine-homocysteine methyltransferase，BHMT)的催化下，甜菜堿的甲基可以將高半胱氨酸重新甲基化為甲硫氨酸，另外膽堿還具有增強(qiáng)BHMT活性的作用。所以在飼糧中添加GAA的同時(shí)添加膽堿和甜菜堿可以有效抑制胱氨酸血癥的發(fā)生[11]。另外在大鼠上的研究結(jié)果表明，飼糧中添加高絡(luò)蛋白、香菇嘌呤等也能有效抑制GAA誘導(dǎo)的胱氨酸血癥[12]。

肌酸在肌酸激酶(creatine kinase，CK)的催化下生成磷酸肌酸。在細(xì)胞內(nèi)，肌酸和磷酸肌酸自發(fā)環(huán)化形成肌酸酐，這是肌酸和磷酸肌酸代謝的唯一已知最終產(chǎn)物。肌酸酐不主動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)輸，但被動(dòng)地?cái)U(kuò)散穿過細(xì)胞膜并最終在尿液中排泄[13]。據(jù)估計(jì)，一名年輕的70 kg男性人體肌酐損失約為身體肌酸總量的1.7%或2 g/d[14]，所以必須從飲食中獲取或從頭合成來彌補(bǔ)損失的肌酸。

2 肌酸合成與轉(zhuǎn)運(yùn)

在脊椎動(dòng)物體內(nèi)，GAA是合成肌酸的前體物質(zhì)，其在肝臟中通過甲基化的形式最終形成肌酸[4]。在動(dòng)物體內(nèi)，L-精氨酸和甘氨酸在AGAT的催化下生成GAA[3]。GAA最重要的生理功能就是進(jìn)一步合成肌酸，肌酸的合成主要在肝臟中發(fā)生，雖然已有報(bào)道胰腺中存在關(guān)于肌酸合成所需要的酶，但該器官在肌酸合成中的任何可能的作用還不清楚[15]。主要由腎臟合成的GAA通過血液循環(huán)被運(yùn)輸?shù)礁闻K后和SAM在GAMT的催化下生成肌酸和SAH[4,16]。SAH嚴(yán)重抑制包括GAMT在內(nèi)的大部分SAM依賴性甲基轉(zhuǎn)移酶，GAMT是催化合成肌酸反應(yīng)中最后一步的酶，據(jù)報(bào)道在人體中，75%的SAM用于肌酸的生物合成[9]。因此GAMT是脊椎動(dòng)物中SAM代謝轉(zhuǎn)化為SAH的主要酶[17]。有研究表明，在人和小鼠的肝臟中發(fā)現(xiàn)高水平的GAMTmRNA[18]，這直接證實(shí)了肝臟是負(fù)責(zé)肌酸生物合成的主要器官。機(jī)體內(nèi)源合成肌酸的反應(yīng)中存在反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，機(jī)體可以調(diào)節(jié)GAMT的表達(dá)，但是不能調(diào)節(jié)AGAT的表達(dá)[19]。這一結(jié)論表明肌酸合成的反應(yīng)中GAA的合成為限速反應(yīng)。同時(shí)為在飼糧中添加GAA以提高機(jī)體肌酸含量這一想法提供了理論依據(jù)。

肝細(xì)胞不能從精氨酸和甘氨酸直接合成肌酸，而很容易將GAA轉(zhuǎn)化為肌酸[11]。因此GAA需要從血液遞送到肝細(xì)胞，從而進(jìn)一步合成肌酸。GAA轉(zhuǎn)運(yùn)是由肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(recombinant creatine transporter，CRT)[20]和?；撬徂D(zhuǎn)運(yùn)蛋白(recombinant taurine transporter，TauT)介導(dǎo)的[21]，有研究表明肝細(xì)胞攝取GAA還存在其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，即γ-氨基丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[22]，并指出γ-氨基丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Ⅱ(γ-aminobutyric acid transporter Ⅱ，GAT2)對肝細(xì)胞攝取GAA的貢獻(xiàn)至少為64.4%[23]。GAT2主要定位于肝細(xì)胞的竇狀膜上，主要位于門靜脈周圍區(qū)域。這種分布模式與GAMT的分布模式非常一致。GAT2和GAMT之間的功能耦合，調(diào)節(jié)GAA的供應(yīng)途徑和門靜脈肝細(xì)胞中的肌酸合成[23]。

3 GAA的生理作用和機(jī)理

3.1 提高能量代謝作用

GAA通過影響與糖代謝有關(guān)的以及呼吸鏈中的關(guān)鍵酶的活性來促進(jìn)體內(nèi)分解代謝，提高三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)水平進(jìn)而增加儲(chǔ)能物質(zhì)的合成。此外，GAA通過進(jìn)一步合成肌酸來提高機(jī)體能量代謝。由GAA進(jìn)一步合成的肌酸，在高能量需求的組織中對磷酸基團(tuán)的儲(chǔ)存和傳輸起著重要作用[23]。當(dāng)動(dòng)物機(jī)體內(nèi)能量充足時(shí)，肌酸可以接受能量生成磷酸肌酸，充當(dāng)暫時(shí)儲(chǔ)存能量的場所，磷酸肌酸是動(dòng)物組織中的關(guān)鍵能量儲(chǔ)備[24-26]。磷酸肌酸在機(jī)體能量短缺時(shí)通過肌酸激酶釋放ATP快速提高機(jī)體ATP水平，因此磷酸肌酸起到高能磷酸鹽緩沖液的作用[27-29]。磷酸肌酸與肌酸組成磷酸原系統(tǒng)，該系統(tǒng)被公認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)能量利用的主要調(diào)節(jié)部門，其控制細(xì)胞ATP的水平或積累即時(shí)可用的細(xì)胞能量[30]。

3.2 提高能量代謝的機(jī)理

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)參與糖酵解反應(yīng)的最后一步反應(yīng)，也是糖酵解反應(yīng)中的限速酶之一。PK催化伴隨ATP生成的去磷酸化反應(yīng)，可調(diào)節(jié)細(xì)胞ATP、腺苷二磷酸(adenosine diphosphate，ADP)和糖酵解中間產(chǎn)物的含量，其活性的變化可迅速反映糖酵解能力的水平[31]。在糖酵解的過程中已糖激酶(hexokinase，HK)、果糖-6-磷酸激酶(phosphofructokinase，PFK)催化磷酸化反應(yīng)，反應(yīng)過程中將消耗ATP。在三羧酸循環(huán)中異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)催化的異檸檬酸氧化脫羧反應(yīng)和蘋果酸脫氫酶(malate dehydrogenase，MDH)催化的蘋果酸脫氫反應(yīng)都伴有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)的生成，NADH可直接進(jìn)入呼吸鏈與氧在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-輔酶Q還原酶(nicotinamide adeninedinucleotide coenzyme Q reductase，NADH-CoQ)和三磷酸腺苷合成酶(adenosine triphosphate synthase，ATPase)的催化下生成ATP，1 mol NADH可生成2.5 mol ATP。CK是與細(xì)胞內(nèi)能量運(yùn)轉(zhuǎn)、肌肉收縮、ATP再生有直接關(guān)系的一種激酶，磷酸肌酸與ATP之間高能磷酸鍵的轉(zhuǎn)換由其催化，其活性的變化反映肌肉組織能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換功能狀況的改變。李潔蕾等[32]在保育豬飼糧中添加600 mg/kg GAA，測得血漿中催化產(chǎn)生ATP的PK、IDH、MDH、NADH-CoQ和ATPase活性分別升高253%、312%、151%、492%和183%，催化消耗ATP反應(yīng)的PFK和CK活性分別升高252%和202%，結(jié)果表明ATP合成的增加量遠(yuǎn)大于消耗量。

動(dòng)物采食添加GAA的飼糧后肌肉中肌酸含量顯著提高[33]，而肌肉細(xì)胞中磷酸肌酸含量與肌酸含量呈正比，有磷酸肌酸存在時(shí)ADP磷酸化反應(yīng)需要的磷酸基團(tuán)由其提供，直到磷酸肌酸消耗殆盡，糖原才酵解繼續(xù)提供ADP生成ATP需要的磷酸基團(tuán)[34]。另外磷酸肌酸可不同程度地提高脂多糖誘導(dǎo)的人靜脈細(xì)胞線粒體呼吸鏈復(fù)合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的活性，促進(jìn)線粒體內(nèi)ATP的生成，進(jìn)而促進(jìn)能量代謝[35]。

綜上所述，GAA一方面通過提高糖代謝和呼吸鏈相關(guān)酶的活性來增加ATP的合成直接影響能量代謝；另一方面GAA通過增加磷酸肌酸的含量來促進(jìn)線粒體生產(chǎn)ATP間接影響能量代謝。

3.3 抗氧化作用

人和動(dòng)物在呼吸的過程中，以及與外界污染物、放射線、有害氣體等的接觸中會(huì)在體內(nèi)產(chǎn)生并積累一些自由基。當(dāng)機(jī)體內(nèi)自由基濃度太高時(shí)，機(jī)體將會(huì)受到損害，主要包括3個(gè)方面：損壞細(xì)胞膜、蛋白酶失活、損傷基因。由于細(xì)胞膜化學(xué)結(jié)構(gòu)松散，松散結(jié)構(gòu)上的電子易丟失，這也是細(xì)胞膜容易遭受自由基攻擊的原因。細(xì)胞膜中的脂質(zhì)與自由基發(fā)生過氧化反應(yīng)最終生成丙二醛(malonic dialdehyde，MDA)，因此血清中MDA的含量是判斷過氧化反應(yīng)程度的重要指標(biāo)。飼糧中添加GAA可以提高動(dòng)物血清中總抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)以及超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)活性，并且降低血清MDA含量[36]。

3.4 抗氧化作用的機(jī)理

4 GAA在肉雞和豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 GAA對肉雞和豬生產(chǎn)性能的影響

飼糧中添加GAA有助于肌酸的大量合成，提高飼料轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)肉雞和豬的生長，提高其生產(chǎn)性能[42-43]。江濤[44]在愛拔益加(AA)肉雞飼糧中分別添加200、400、600、800 mg/kg GAA，與對照組相比平均日增重均顯著提高，料重比顯著降低，添加量為600、800 mg/kg GAA時(shí)效果最好。育肥豬飼糧中添加300～600 mg/kg GAA可顯著提高平均日增重和飼料轉(zhuǎn)化率，對平均日采食量無顯著影響[45-47]。飼糧中添加GAA能促進(jìn)動(dòng)物生長，可能是因?yàn)闇p少了GAA的內(nèi)源合成。由于GAA在體內(nèi)合成的過程中甘氨酸、精氨酸是必不可少的物質(zhì)，飼糧中GAA的添加減少了甘氨酸、精氨酸的消耗量，精氨酸和甘氨酸更大程度地參與機(jī)體氨基酸、蛋白質(zhì)的合成，從而促進(jìn)機(jī)體的生長[48-49]。精氨酸作為生長育肥豬和肉雞的一種必需氨基酸，飼糧中缺乏時(shí)可通過添加GAA來有效緩解這一問題。另外添加GAA還可降低肉雞因腹水導(dǎo)致的死亡率[50]。GAA的添加有效提高了肌肉中肌酸、磷酸肌酸的含量，碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的分解供能因此減少。肌酸能夠加強(qiáng)細(xì)胞的水合作用，通過促進(jìn)液體滲透進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的方式使肌肉細(xì)胞體積增大，從而增大肌肉體積，另外水合作用加強(qiáng)能抑制蛋白質(zhì)分解并促進(jìn)蛋白質(zhì)、糖原的合成，從而加快動(dòng)物的生長[51]。GAA還可通過影響γ-氨基丁酸的分泌從而促進(jìn)下丘腦分泌促生長激素釋放激素，最終促進(jìn)垂體分泌生長激素[2]。此外GAA還可通過促進(jìn)類胰島素生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)的分泌來促進(jìn)機(jī)體生長[33]。

祁永旺等[52]在育肥豬飼糧中添加500、1 000 mg/kg GAA，發(fā)現(xiàn)屠宰率分別提高了3.19%、5.57%；瘦肉率分別提高了10.38%、18.55%；眼肌面積分別提高了2.57%、4.83%，GAA添加量為1 000 mg/kg時(shí)極顯著提高瘦肉率。江濤[44]在AA肉雞飼糧中分別添加200、400、600、800 mg/kg GAA，屠宰率分別提高了2.74%、3.36%、4.99%、5.03%；胸肌率分別提高了3.33%、14.84%、21.98%、23.00%；腿肌率分別提高了12.02%、15.40%、21.55%、22.23%。潘寶海等[47]在育肥豬飼糧中添加500 mg/kg GAA，屠宰率提高了3.82%，眼肌面積提高了8.48%。屠宰率和瘦肉率的顯著提高也得益于GAA對蛋白質(zhì)合成的促進(jìn)作用，機(jī)體消化吸收的營養(yǎng)物質(zhì)在肌肉組織中以蛋白質(zhì)的形式沉積，并非轉(zhuǎn)化為脂肪儲(chǔ)存。磷酸肌酸在肌肉、神經(jīng)組織中大量存在，而在脂肪組織中含量極微，因此可以促進(jìn)能量在肌肉組織中存儲(chǔ)和分配，改善畜禽體型。

4.2 GAA對肉品質(zhì)的改善作用

動(dòng)物飼喂添加GAA的飼糧，屠宰后可有效提高肌肉pH，減小剪切力和滴水損失，改善肉品質(zhì)。Wang等[36]研究表明，育肥豬飼糧中添加800、1 200、2 000 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH分別升高了0.44、0.03、0.21；滴水損失分別降低了38.84%、26.03%、9.09%；剪切力分別降低了13.69%、11.43%、6.38%。劉洋等[53]在育肥豬飼糧中添加1 000 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.2，PH24 h提高了0.21，滴水損失降低了2.45%，剪切力降低了15.66%。潘寶海等[47]在育肥豬飼糧中添加500 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.14，pH24 h提高了0.10。陳政寬等[54]在育肥豬飼糧中添加500 mg/kg GAA，屠宰后肌肉pH45 min提高了0.15，pH24 h提高了0.25，滴水損失降低了21.93%，剪切力降低了17.24%。一般宰后血液循環(huán)停止中斷了氧氣的供給，導(dǎo)致ATP水平降低，肌肉中發(fā)生無氧酵解產(chǎn)生乳酸，肌肉pH有下降的趨勢。但飼糧中GAA的添加有效提高了肌酸、磷酸肌酸的儲(chǔ)備，同時(shí)增加了ATP的水平，在宰后有效延緩肌肉中無氧酵解反應(yīng)，從而提高pH。Rahman等[55]研究發(fā)現(xiàn)，肌肉系水力的提高可以降低肉質(zhì)的硬度。蛋白質(zhì)與水的相互作用增強(qiáng)時(shí)，肌肉系水力將會(huì)提高，肌肉中較高的pH通過減少蛋白質(zhì)的變性可使肌原纖維蛋白偏離等電點(diǎn)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)所帶負(fù)電荷增多，蛋白質(zhì)所帶負(fù)電荷增多會(huì)促進(jìn)與水的互相作用。在屠宰后肌肉pH下降到最低點(diǎn)之前，鈣離子從肌細(xì)胞中肌漿內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放出來[56]，在能量的作用下肌肉將發(fā)生收縮。一般肌肉收縮時(shí)短縮度達(dá)到40%時(shí)硬度最大，而超過40%時(shí)反而變得柔軟，這是由于肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲過度插入而引起的Z線斷裂所致[33]，GAA的添加提高了ATP的水平，在這種存在足夠能量的情況下肌肉發(fā)生超收縮，從而提高嫩度。

5 小 結(jié)

飼糧中添加GAA可以提高動(dòng)物飼料轉(zhuǎn)化率,調(diào)節(jié)能量代謝,改善肉品質(zhì)。GAA作為一種新型飼料添加劑，在我國畜牧生產(chǎn)方面的應(yīng)用尚處于起步階段。對不同種動(dòng)物的適宜添加階段、適宜添加劑量、耐受性以及作用機(jī)制等，將會(huì)是進(jìn)一步探索的方向與重點(diǎn)。