番茄紅素調(diào)控畜禽氧化應(yīng)激的研究進(jìn)展

張翼鳴，孟慶維，馬清泉，單安山

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所，黑龍江哈爾濱 150030）

在動物生產(chǎn)過程中，飼糧中的有毒有害物質(zhì)及飼養(yǎng)環(huán)境不適均會誘導(dǎo)畜禽發(fā)生氧化應(yīng)激，這是畜牧業(yè)面臨的重要難題之一。氧化應(yīng)激是指機(jī)體自由基的過度產(chǎn)生導(dǎo)致氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡，引起細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)及DNA 損傷，最終使畜禽的生產(chǎn)性能下降，病理性疾病風(fēng)險增加，嚴(yán)重制約行業(yè)發(fā)展。番茄紅素是一類天然來源的、有應(yīng)用前景的植物提取物，其顯著的抗氧化作用已受到畜牧領(lǐng)域科研人員的密切關(guān)注，或可作為安全高效的抗氧化飼料添加劑應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖，以保證畜牧業(yè)健康、穩(wěn)定、快速發(fā)展。番茄紅素可通過多種方式保護(hù)細(xì)胞和組織免受氧化應(yīng)激的損傷，如清除活性氧（ROS）或調(diào)控抗氧化相關(guān)通路的表達(dá)[1-2]。有研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素可緩解玉米赤霉烯酮誘導(dǎo)的仔豬支持細(xì)胞氧化損傷[3]；可提高豬肉品質(zhì)、改善背最長肌和肝臟在宰后72 h 內(nèi)的氧化狀態(tài)[4]，還可改善羔羊血漿、肝臟的抗氧化能力[5]等。番茄紅素顯著的抗氧化功能決定其在畜牧領(lǐng)域的研究與應(yīng)用價值，但目前的研究不夠深入，調(diào)控機(jī)制方面的問題值得進(jìn)一步探討。因此，本文綜述了番茄紅素的生物學(xué)功能，整理了近年來番茄紅素在人類及動物營養(yǎng)上緩解氧化應(yīng)激的研究進(jìn)展，同時總結(jié)了番茄紅素調(diào)控機(jī)體氧化應(yīng)激的相關(guān)信號通路，旨在為番茄紅素在畜禽營養(yǎng)中的研究提供一定的研究思路，為番茄紅素的推廣及使用提供一定的理論支持。

1 番茄紅素的來源、理化性質(zhì)及代謝途徑

1.1 番茄紅素的來源及理化性質(zhì) 番茄紅素大量分布在番茄中，在西瓜、石榴、木瓜、杏子、柚子等水果中也有存在[6]。1876 年，Millared 首次以混合物的形式發(fā)現(xiàn)此物質(zhì)并將其命名，27 年后，Schunk 以純凈物的形式分離將其重新命名為“番茄紅素”[7]。番茄紅素是暗紅色蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的色素，以細(xì)長針狀晶體的形態(tài)存在于自然界中，屬于脂溶性物質(zhì)，難溶于水、甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷，易溶于氯仿、二硫化碳、苯。在自然界中，番茄紅素多以全反式構(gòu)型存在，這是熱力學(xué)上比較穩(wěn)定的構(gòu)型，但是在人體的血漿和組織中至少發(fā)現(xiàn)50%的順式異構(gòu)體，最常見的形式是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式，這說明順式異構(gòu)體更易被動物體利用[8]。

眾所周知，類胡蘿卜素在血漿和組織中含量很高，并且具有較高的抗氧化能力，可以降低有氧代謝中ROS 的危害[9-10]。番茄紅素是常見類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑，分子式為C40H56（圖1），是1 條由13 個雙鍵（其中11 個共軛排列成線性陣列）組成的多聚烯烴鏈，特有的雙鍵結(jié)構(gòu)使得它在動物體內(nèi)清除ROS 和自由基的能力遠(yuǎn)勝于其他類胡蘿卜素，具有最強(qiáng)的淬滅單線態(tài)氧（1O2）和捕獲自由基的能力[1]。除此之外，番茄紅素對機(jī)體健康還有諸多益處[11]，對提高畜禽繁殖和生產(chǎn)性能[12]、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝均有顯著的影響[13-14]，番茄紅素的抗炎癥、抗突變以及顯著的抗癌作用也多有報道[15-16]。

圖1 番茄紅素的結(jié)構(gòu)式

1.2 番茄紅素的代謝途徑 番茄紅素存在于番茄細(xì)胞色質(zhì)體的類囊體膜內(nèi)[17]，生番茄中番茄紅素的釋放和吸收效率很低。通過加熱和機(jī)械加工破壞番茄基質(zhì)可以顯著提高番茄紅素從食物基質(zhì)中釋放的能力，提高其消化效率[18]，所以咀嚼和蠕動對番茄紅素的生物利用度至關(guān)重要。番茄紅素的吸收方式與脂類相似，食物基質(zhì)中的番茄紅素在胃酸、膽汁酸和酶的作用下釋放，先經(jīng)十二指腸乳化，并溶解包裹于乳糜微粒中，然后隨著乳糜微粒通過腸細(xì)胞膜的擴(kuò)散和滲透作用進(jìn)入腸系膜淋巴系統(tǒng)，繼而進(jìn)入門靜脈循環(huán)，這是番茄紅素從胃腸道吸收的主要途徑[19]。肝外脂蛋白脂肪酶可將乳糜微粒部分降解為乳糜微粒殘留物，番茄紅素及其代謝物隨機(jī)釋放由低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白轉(zhuǎn)運，最終被分配到目標(biāo)組織[20]。番茄紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)會影響其分布過程，通過循環(huán)系統(tǒng)它會優(yōu)先在睪丸、腎上腺、肝臟和前列腺中積累，這種分布不均表明其在這些組織中具有的獨特生物學(xué)作用[21]。

2 番茄紅素對機(jī)體氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)作用

番茄紅素是常見類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑，通過體外測定抑制硫代巴比妥酸反應(yīng)物的形成速率判定其抗氧化效果依次為：番茄紅素＞α-生育酚＞α-胡蘿卜素＞β-隱黃質(zhì)＞玉米黃質(zhì)=β-胡蘿卜素＞葉黃素[22]。早在20 世紀(jì)90 年代末，通過流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)食用番茄醬可提高人體血漿和淋巴細(xì)胞中的番茄紅素濃度，增強(qiáng)淋巴細(xì)胞對氧化應(yīng)激的抵抗力；以9 名成年女性作為受試者，連續(xù)14 d 飲食番茄醬（7 mg 番茄紅素/d），結(jié)果表明，飲食番茄醬緩解了淋巴細(xì)胞的DNA 損傷，顯著增加了淋巴細(xì)胞對氧化應(yīng)激的抵抗能力[23-24]，但是這些發(fā)現(xiàn)并沒有確定是番茄紅素本身的作用。Devaraj等[25]研究了補(bǔ)充純化番茄紅素對健康人體氧化應(yīng)激的影響，82 名志愿者飲食純化番茄紅素膠囊8 周，結(jié)果表明30 mg/kg 番茄紅素可顯著降低DNA 損傷生物標(biāo)志物—8 羥基脫氧鳥苷（8-OHdG）水平。如表1 所示，世界范圍內(nèi)多個科研團(tuán)隊研究了番茄紅素對氧化應(yīng)激的緩解作用，其以玉米赤霉烯酮、熱應(yīng)激、二氧化鈦納米顆粒等作為氧化應(yīng)激誘導(dǎo)物；以仔豬支持細(xì)胞、肉雞、大鼠、鯉魚等建立氧化應(yīng)激模型；以不同劑量的番茄紅素進(jìn)行干預(yù)；這些研究表明，各種理化因素均導(dǎo)致動物發(fā)生不同程度的氧化應(yīng)激，其體內(nèi)的氧化與抗氧化系統(tǒng)嚴(yán)重失衡，甚至引起動物發(fā)生系列疾病，而攝入番茄紅素可以改變氧化應(yīng)激狀態(tài)下動物機(jī)體的抗氧化酶及氧化終產(chǎn)物水平，如顯著升高超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性，顯著降低丙二醛（MDA）濃度；也可以改變與抗氧化相關(guān)的基因表達(dá)，如核因子紅系2 相關(guān)因子2（nuclearfactor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的表達(dá)上升、kelch 樣ECH 相關(guān)蛋白1（kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）及細(xì)胞色素P450-2E1（cytochrome P450-2E1，CYP2E1）的表達(dá)下降等[3,26-35]。這說明飼喂番茄紅素可以顯著改善氧化應(yīng)激動物細(xì)胞水平的抗氧化酶防御系統(tǒng)、防止氧化物引起的蛋白質(zhì)及DNA 損傷。因此，番茄紅素具有作為畜禽生產(chǎn)中抗氧化添加劑的潛力。

表1 番茄紅素對不同因素誘導(dǎo)動物氧化應(yīng)激的相關(guān)參數(shù)的影響

在畜牧生產(chǎn)中，氧化應(yīng)激會導(dǎo)致畜禽生產(chǎn)性能下降、畜產(chǎn)品品質(zhì)下降。Sahin 等[26]在肉雞飼糧中添加200、400 mg/kg 番茄紅素，發(fā)現(xiàn)添加番茄紅素顯著扭轉(zhuǎn)了熱應(yīng)激導(dǎo)致的肉雞血清和肌肉中SOD、GSH-Px 活性的下降和MDA 濃度的升高，添加番茄紅素可降低肌肉中Keap1表達(dá)和提高Nrf2的表達(dá)，表明番茄紅素可明顯改善熱應(yīng)激肉雞的抗氧化狀態(tài)。除此之外，Sun 等[36]發(fā)現(xiàn)在蛋雞飼糧中添加40 mg/kg 番茄紅素可顯著增加肝臟總抗氧化能力（T-AOC）、GSH-Px 和谷胱甘肽與氧化型谷胱甘肽比率（GSH:GSSG），顯著提高雛雞的初生重并降低雛雞肝臟的MDA 水平。Correia 等[37]用番茄渣飼喂仔豬，發(fā)現(xiàn)番茄渣并沒有直接改善仔豬的抗氧化狀態(tài)，但顯著提高了仔豬的肌肉和肝臟中α-生育酚含量；Fachinello 等[4,38]在生長育肥豬飼糧中添加不同水平的番茄紅素（0、12.5、25.0、37.5 和50.0 mg/kg），發(fā)現(xiàn)在貯存72 h 內(nèi)，肌肉中抗氧化劑對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基的捕獲率隨著飼糧番茄紅素濃度的增加呈線性增加，MDA 濃度隨飼糧番茄紅素濃度的增加而降低，表明生長育肥豬日糧中添加50 mg/kg番茄紅素可有效防止背最長肌在貯藏72 h 內(nèi)的氧化。Jiang 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，羔羊補(bǔ)充番茄紅素后，血漿和肝臟中的MDA 水平隨番茄紅素添加劑量的增加呈線性下降，血漿中維生素E 水平、T-AOC 能力、CAT 活性、GSH-Px 活性和SOD 活性呈線性增加，補(bǔ)充番茄紅素改善了羔羊的抗氧化狀態(tài)。因此，番茄紅素的攝入具有改善畜禽生產(chǎn)性能、降低畜禽的氧化應(yīng)激、提高畜產(chǎn)品品質(zhì)的作用。在畜禽繁殖功能方面，番茄紅素可減少精液保存過程中的異常精子總數(shù)、提高精子活力。Tvrda等[27]從牛精液中洗出精子置于2.9%的檸檬酸鈉中，用抗壞血酸亞鐵介導(dǎo)其ROS 與超氧化物增加，同時添加番茄紅素，結(jié)果表明番茄紅素具有顯著的ROS 清除功能和抗氧化特性，可以阻止氧化應(yīng)激引起的精子變性。Peker 等[39]同樣發(fā)現(xiàn)，0.5 和2 mmol/L 番茄紅素可提高美利奴公羊精子在儲存期間的活力、線粒體活性和氧化應(yīng)激參數(shù)。另外，近期也有研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素可通過激活Nrf2-HO-1通路有效改善衰老母雞卵巢的氧化應(yīng)激狀態(tài)[40]以及番茄紅素可逆轉(zhuǎn)順鉑引起的大鼠卵巢的氧化損傷[28]。

3 番茄紅素調(diào)控氧化應(yīng)激的分子機(jī)制

番茄紅素緩解氧化應(yīng)激主要涉及兩種分子機(jī)制，一是對細(xì)胞中1O2等自由基、次氯酸（HClO）等氧化劑進(jìn)行有效清除，防止細(xì)胞損傷；二是調(diào)控相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)，增加細(xì)胞的抗氧化潛力，調(diào)控細(xì)胞氧化還原狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 番茄紅素調(diào)控氧化應(yīng)激的分子機(jī)制

3.1 番茄紅素通過對自由基及氧化劑的清除作用緩解氧化應(yīng)激 番茄紅素可與多種ROS 相互作用。在類胡蘿卜素和其他抗氧化劑中，番茄紅素具有最高的1O2淬滅率[1]。番茄紅素的清除作用主要發(fā)生在細(xì)胞膜或線粒體膜的磷脂雙分子層內(nèi)，這是由它極度的疏水性決定的[41]。研究表明，1O2的猝滅主要通過自發(fā)的物理方式進(jìn)行[42]。首先，番茄紅素使激發(fā)態(tài)的1O2失活為不反應(yīng)基態(tài)的三重態(tài)氧（3O2）同時釋放能量；接著，能量被基態(tài)的番茄紅素吸收變成激發(fā)態(tài)的番茄紅素，而后立即返回其原始基態(tài)并釋放能量；最后，這部分能量便以熱能的形式耗散到環(huán)境中[41]。由此1O2即會被清除。除此之外，番茄紅素對H2O2、二氧化氮和羥基自由基等均有不同程度的清除作用[43]。

番茄紅素也可有效清除HClO 緩解氧化應(yīng)激。HClO 及其共軛堿是有效的氧化劑，在破壞病原微生物的同時也會損害宿主正常組織細(xì)胞[44]，是形成許多疾病的主要因素[45]。Pennathur 等[46]將番茄紅素暴露于濃度不斷增加的HClO 中，通過高效液相色譜和液相色譜-質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，番茄紅素會產(chǎn)生一系列由1 個或多個碳碳雙鍵形成的氧化裂解代謝產(chǎn)物，HClO 可在任何雙鍵的位置非選擇性的直接介導(dǎo)其氧化，每分子番茄紅素可消耗多分子的HClO。因此，HClO 與番茄紅素的相互作用可能是緩解氧化應(yīng)激的潛在機(jī)制。

3.2 番茄紅素通過調(diào)控相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)緩解氧化應(yīng)激

3.2.1 對CYP2E1 的調(diào)控作用 生物系統(tǒng)具有幾種類型的自由基，其中最重要的就是ROS。ROS 是分子氧還原的副產(chǎn)物，包括超氧自由基陰離子、H2O2、羥基自由基、1O2和過氧自由基等等。ROS 產(chǎn)生于微粒體單加氧酶（Monooxygenase，MMO）系統(tǒng)，MMO 系統(tǒng)依賴于細(xì)胞色素P450 酶的微粒體電子運輸系統(tǒng)和線粒體電子運輸鏈，主要功能是外源化合物和內(nèi)源性底物的多功能氧化和分子氧的還原。如果氧向底物的轉(zhuǎn)移沒有受到嚴(yán)格控制，就會發(fā)生脫偶并導(dǎo)致ROS 的形成[47]。低濃度的ROS 可作為氧化還原信號分子在生理條件下維持生物功能，但高濃度的ROS 則會誘導(dǎo)細(xì)胞損傷。CYP2E1 是細(xì)胞色素P450 酶的一種，具有增強(qiáng)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性，通過內(nèi)源性和外源性底物的氧化還原循環(huán)，會導(dǎo)致ROS 超氧物和H2O2的產(chǎn)生過度增加[48]。番茄紅素即是通過降低CYP2E1的表達(dá)從而發(fā)揮抗氧化作用。一項關(guān)于番茄紅素對大鼠高脂所致非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的預(yù)防作用的研究表明，番茄紅素緩解了高脂誘導(dǎo)的NASH，使肝臟脂肪生成和ROS 生成減少；與未飲食番茄紅素的大鼠相比，CYP2E1在飲食2、4 mg/kg 番茄紅素的大鼠中表達(dá)下降，這說明番茄紅素可能是通過調(diào)控CYP2E1的表達(dá)從而緩解大鼠NASH[40]。一項關(guān)于番茄紅素對大鼠NASH 的保肝和抗氧化作用的研究說明了CYP2E1可能是番茄紅素的作用機(jī)制之一[36]。在乙醇介導(dǎo)的H2O2增加和CYP2E1過表達(dá)的一項細(xì)胞試驗中，這種現(xiàn)象同樣被番茄紅素恢復(fù)[49]。

3.2.2 對Keap1-Nrf2 信號通路的調(diào)控作用 Keap1-Nrf2通路在氧化應(yīng)激下的細(xì)胞保護(hù)中起著至關(guān)重要的作用。Nrf2 是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)抗氧化相關(guān)基因表達(dá)的同時誘導(dǎo)各種細(xì)胞防御機(jī)制對抗氧化應(yīng)激。正常情況下，Nrf2 位于細(xì)胞質(zhì)中，并傾向于與其阻遏物Keap1結(jié)合，導(dǎo)致其泛素化降解；在動物發(fā)生氧化應(yīng)激時，Keap1 的硫醇?xì)埢鶗粰C(jī)體的氧化劑和親電試劑修飾從而改變構(gòu)象，與Nrf2 分子解偶聯(lián)，游離的Nrf2 會進(jìn)入細(xì)胞核。在胞核內(nèi)，Nrf2 與抗氧化反應(yīng)元件ARE 結(jié)合促進(jìn)II 期細(xì)胞保護(hù)酶如血氧合酶1（HO-1）、NADPH脫氫酶（醌）（NQO1）、SOD等的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[50]。其中，HO-1 是一種抗氧化酶，可作用于配對供體，結(jié)合或還原分子氧，防止細(xì)胞凋亡；NQO1 是一種氧化還原酶，以醌或類似化合物為受體，可作用于NADPH，防止細(xì)胞癌變。據(jù)先前的報道[51]，番茄紅素是通過與Keap1形成共價結(jié)合的加合物來刺激Keap1 與Nrf2 的解偶聯(lián)，這樣Nrf2 即可進(jìn)入細(xì)胞核促進(jìn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。Breemen 等[52]的體外研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素也可通過上調(diào)ARE 的表達(dá)水平促進(jìn)其與Nrf2 結(jié)合，從而刺激II 期細(xì)胞保護(hù)酶的產(chǎn)生，保護(hù)細(xì)胞免受ROS 和其他親電分子的影響。Sahin 等[26]評估發(fā)現(xiàn)，暴露于熱應(yīng)激下的肉雞肌肉中Keap1表達(dá)水平較高，肌肉Nrf2表達(dá)水平較低，說明動物已經(jīng)發(fā)生氧化應(yīng)激，而補(bǔ)充番茄紅素可線性降低肌肉Keap1表達(dá)（從139.0%到99.5%），線性增強(qiáng)肌肉Nrf2的表達(dá)（67.2% 到98.3%），此外，肌肉中MDA 水平和Nrf2表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)抗氧化酶活性與Nrf2表達(dá)呈正相關(guān)。這說明Keap1-Nrf2 通路對番茄紅素調(diào)控氧化應(yīng)激具有重要意義。

3.2.3 對PKC 信號通路的調(diào)控作用 蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）是一組磷脂依賴性和Ca2+依賴性的蛋白絲氨酸或蘇氨酸激酶，由單一多肽鏈組成，廣泛存在于多種組織、器官和細(xì)胞中。正常情況下，PKC 存在于細(xì)胞質(zhì)中且不具有細(xì)胞活性。當(dāng)細(xì)胞受到內(nèi)外各種刺激后，PKC 會以Ca2+依賴的形式從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)位至細(xì)胞膜上，這是PKC 激活的標(biāo)志。激活的PKC 會減少聚合的微管蛋白和增多單體微管蛋白破壞細(xì)胞的微管結(jié)構(gòu)，繼而破壞細(xì)胞膜的完整性[53]。ROS 不僅是PKC 的下游信號分子，也是上游信號分子[54]。氧化應(yīng)激可以導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+濃度增加，促使PKC 轉(zhuǎn)位，造成細(xì)胞骨架重排和緊密連接損傷[55]。另外，PKC 激活又可以促進(jìn)ROS 的產(chǎn)生以及PKC 依賴性 NADPH 氧化酶的還原形式的激活，這是導(dǎo)致機(jī)體氧化應(yīng)激加重的重要原因[56]。Bandeira 等[57]用PKC 途徑激活劑和NADPH抑制劑刺激SK-Hep-1 細(xì)胞，結(jié)果顯示番茄紅素顯著減少SK-Hep-1 細(xì)胞中ROS 的合成，同時抑制PKC 依賴的NADPH 氧化酶的激活，表明番茄紅素可通過抑制PKC 介導(dǎo)的NADPH 氧化酶活性來抑制ROS 的產(chǎn)生，證實了番茄紅素對PKC 途徑的調(diào)節(jié)作用。此外，在一項番茄紅素對大鼠腦皮質(zhì)神經(jīng)末梢谷氨酸釋放的機(jī)制的研究中，也表明了番茄紅素可抑制突觸前Ca2+進(jìn)入和抑制PKC 活性[58]。因此，對PKC 途徑的調(diào)節(jié)作用也是番茄紅素緩解氧化應(yīng)激的重要機(jī)制。

4 展 望

番茄紅素被廣泛認(rèn)為是有效的抗氧化劑，能夠捕獲過氧自由基、清除HClO，同時調(diào)控相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)，增強(qiáng)抗氧化酶活性，保護(hù)機(jī)體免受自由基損傷，可作為綠色無害的抗氧化添加劑應(yīng)用于畜牧行業(yè)。但是在畜牧領(lǐng)域中，關(guān)于番茄紅素緩解氧化應(yīng)激的研究依然處于初級階段，研究內(nèi)容多停留在表觀層面未深入探討其關(guān)鍵機(jī)制，研究方法較為保守多以飼養(yǎng)試驗為主，研究結(jié)果也未得到廣泛普及。因此，未來的研究重點應(yīng)該進(jìn)一步探討番茄紅素在不同畜禽體內(nèi)發(fā)揮的抗氧化作用、揭示番茄紅素在不同畜禽的不同組織中的抗氧化調(diào)控機(jī)理、通過多種研究手段找到番茄紅素在畜禽中最適宜的添加水平，并將其推廣到畜禽配合飼料中。