硫辛酸的生物學功能及其在動物生產上的應用

河南工業大學生物工程學院 張勇 劉濤 劉來亭*

硫辛酸（lipoic acid，LA）亦稱 α-硫辛酸（Alpha-lipoic acid，LA）是類維生素物質，有很強的抗氧化活性，和其還原態二氫硫辛酸（DHLA）一起被譽為“萬能抗氧化劑”。

1 硫辛酸的結構特性

α-硫辛酸（alpha-lipoic acid，LA），化學名1，2-二硫戊環-3-戊酸（1,2-dithiolane-3-pentanoic acid），分子式C8H14O2S2，相對分子質量為206.33。LA的還原形式為二氫硫辛酸（dihydrolipoic acid，DHLA），抗氧化性更強。LA是一種在酵母、菠菜和肉類中發現的生物因子，是能量代謝中的基本輔助因子，由Reed于1951年從豬肝臟中提取，主要以化合物的形式廣泛存在于所有種類的原核細胞及真核細胞，參與能量代謝（Reed,1998）。

2 硫辛酸的生物學功能

2.1 硫辛酸的抗氧化性 最初發現LA是能量代謝中一系列脫氫酶的輔基，但研究最廣泛的是其抗氧化方面的特性。LA含有S、C原子組成的封閉環狀結構，電子密度高于含S、C原子的單鏈化合物，如：還原型谷胱甘肽（GSH）、胱氨酸等，因此能發揮較強的抗氧化功能。抗壞血酸（ascorbate，AsA，VC）和生育酚（a-tocopherol，VE）是經典的抗氧化劑。VC是細胞外液抗氧化防御體系的第一道防線，但因其為水溶性，對細胞膜的保護性差，抗氧化作用只是依靠可逆的脫氫反應來完成。VE為脂溶性，對生物膜結構及功能有較好的保護作用，抗氧化能力較強。LA的相對分子質量比VC大，碳原子多于VC，易溶于脂膜；與VE相比，LA分子末端的羧基（-COOH）使其溶于水的能力增強（湯春芳等，2005）。LA是已知的唯一可在水相又可在脂相中溶解的抗氧化劑，能被消化道輕易吸收，可以分布到機體的各個部位發揮作用，甚至能透過血腦屏障，保護神經系統免受氧化損傷（Morini等，2004）。目前對LA的抗氧化性研究主要在4個方面：金屬螯合能力、清除活性氧、再生內源性抗氧化劑和修復氧化損傷。LA和DHLA都具有螯合金屬離子及清除活性氧的能力，但體外試驗證實，僅DHLA可以修復氧化損傷，并通過抗氧化劑之間一系列協同反應使已被利用的其他抗氧化劑（如VC、GSH等）循環再生（Biewenga等，1997）。

2.1.1 螯合金屬能力 在極化非水溶性溶液中，LA 可與 Mn2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等形成復合物，但不與Fe3+結合；DHLA 可與 Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+及 Fe3+螯合。 羥自由基（·OH）清除試驗證明，Fe2+誘導脫氧核糖氧化損傷，反應體系中加入LA后可奪取與脫氧核糖結合的Fe2+，降低·OH生成量從而減輕脫氧核糖氧化損傷。脂質過氧化試驗也證明，在VC+Fe2+體系誘導的氧化反應中（VC表現為促氧化性），LA與VC競爭結合Fe，阻止VC將Fe3+還原為Fe2+，起到保護脂質過氧化損傷的作用。對培養的晶狀體上皮細胞Fe代謝進行研究，結果發現，LA可降低細胞從轉鐵蛋白攝入Fe的量，促進Fe在該蛋白的結合，減弱了細胞質內Fe的反應性，降低Fe誘導的氧化反應對細胞的損傷（Lodge 等，1998）。

2.1.2 清除ROS LA可以直接清除ROS，例如，·OH、過氧化氫（H2O2）、單線態氧（1O2）、過氧化亞硝基（·ONOO）和次氯酸（HClO）等，也可以作為氧化還原反應鏈中的阻斷劑參與抗氧化，如與自由基的中間體反應，使這些活性基團無法從周圍的脂質中獲取H，阻斷氧化過程。

2.1.3 再生內源性抗氧化劑 抗氧化劑在氧化還原過程中被消耗，但是不同抗氧化劑之間通過一系列協同反應可以循環再生，提高抗氧化劑的利用效率。

LA增強與GSH相關的酶活性，DHLA能將胱氨酸還原為半胱氨酸，細胞對半胱氨酸吸收能力大于胱氨酸，有利于GSH合成，提高細胞內GSH水平。小鼠給予LA可顯著提高組織內半胱氨酸含量，最終可恢復腦內因衰老而降低的GSH水平（Rezk 等，2004）。LA 是 GSH 中巰基（-SH）的親核基團，能阻止GSH在解毒過程中被ROS氧化為氧化型谷胱甘肽（GSSG），并能持續提高GSH還原酶的活性（Shila等，2005）；谷胱甘肽還原酶將GSSG還原為GSH時必須有NADPH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）參與，LA在細胞缺乏NADPH的條件下也能轉變為DHLA，通過后者還原GSSG：DHLA+GSSG→ LA+2GSH。此外，LA與DHLA作為一對氧化還原劑，具有較低氧化還原電位（-0.32 V），是活性很強的還原劑，即使細胞氧化勢能較低，LA也能轉變為DHLA（Moini等，2002）。

2.1.4 修復氧化損傷 對于更新和再生能力低的生物大分子（如蛋白質），氧化損傷后的修復則尤為重要。蛋氨酸的某些殘基受到氧化破壞時會導致其失活，這些殘基的修復需要肽-甲硫氨酸亞砜還原酶（PMSR），LA可參與還原PMSR修復蛋氨酸殘基，二氫硫辛酰胺（二氫硫辛酸的結構類似物）可還原硫氧還蛋白酶，后者有利于提高PMSR水平和活性，間接修復氧化導致的蛋氨酸殘基損傷，恢復蛋氨酸活性（Biewenga等，1997）。這種功能對于蛋白質等生物大分子受損后修復，維持機體穩定性具有重要意義。

2.2 硫辛酸在能量代謝中的應用 三羧酸循環是糖、脂肪和蛋白質3種主要的有機物在體內徹底氧化供能的共同通路，被稱為有氧代謝的中樞。LA是三羧酸循環的兩個重要酶系——丙酮酸脫氫酶復合物和α-酮戊二酸脫氫酶復合物的輔基，在能量代謝中發揮重要作用。

2.2.1 丙酮酸脫氫酶復合物的輔酶 該酶復合物主要由3種酶組成丙酮酸脫氫酶（E1）、二氫硫辛酰胺乙酰基轉移酶（E2）和二氫硫辛酰胺脫氫酶（E3）。E2是該酶系的核心酶，LA通過酰胺鍵與賴氨酸殘基共價結合成硫辛酰胺（lipoamide）作E2的輔酶，仿佛一個擺臂在酶復合體之間活動，功能為參與轉酰基，將生成的丙酮酸氧化脫羧為乙酰輔酶A（乙酰CoA）進入三羧酸循環。

2.2.2 α-酮戊二酸脫氫酶復合物的輔酶 該酶復合物也有3個主要的酶：α-酮戊二酸脫羧酶，輔酶為TPP（硫胺素焦磷酸）；二氫硫辛酸琥珀酰基轉移酶，輔酶為LA；二氫硫辛酸脫氫酶，輔酶為FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）。其中二氫硫辛酸琥珀酰基轉移酶為該酶復合物的核心酶，也是三羧酸循環中主要的限速酶之一。LA作為該酶的輔基，其功能為將琥珀酰硫辛酰胺的琥珀酰基轉移給CoA，形成琥珀酰CoA。反應過程中，LA和DHLA作為氧化還原劑，將電子從脫氫酶系的底物轉移給NAD+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸），實現電子傳遞。由此可見，在三羧酸循環乃至糖的氧化代謝的整個過程中，LA都發揮著舉足輕重的作用。左旋肉堿（L-carnitine）是一種線粒體代謝產物，許多研究表明，它與LA聯合使用能夠恢復和提高線粒體功能，減弱線粒體氧化應激，增強由于衰老而降低的某些線粒體酶活性，提高線粒體能量產生和利用率，有效改善衰老所致的線粒體功能下降，對保護腦部線粒體功能也有重要作用（Liu等，2002）。 Savitha等（2005）每日給衰老大鼠按每千克體重補充左旋肉堿300 mg和LA 100 mg，30 d后線粒體三羧酸循環和電子傳遞鏈上的相關酶活性恢復并接近正常水平。

3 硫辛酸在動物上的應用

3.1 在反芻動物上的應用 Rentfrow等（2004）給閹牛飼喂不同劑量的LA后，觀察其對肉品質的影響，結果顯示，每千克體重添加量為24 mg時能顯著提高L*（L*是亮度值，此值越大說明肉的顏色越有光澤）；每千克體重添加量為16 mg時，牛肉的Hue angle（Hue angle是衡量肉質紅色的指標，此值越小說明肉質顏色越偏向紅色）值顯著降低，試驗結果表明LA能改善牛肉色澤。Schmidt等（2005）在育肥閹牛飼糧中按每千克體重添加8 mg和16 mg LA時，16 mg LA添加組極顯著降低了牛肉的沃布氏剪切力，改善了肉質嫩度。

3.2 在豬上的應用 Maddock等（2000）在對14頭斷奶仔豬的研究發現，每千克體重添加56 mg LA飼喂11 d，結果明顯抑制了由脂多糖（LPS）引起的應激性皮質醇升高，并且LA組與對照組相比，中性粒細胞（P<0.04）和淋巴細胞計數（P<0.02）均顯著增加，說明LA對仔豬免疫應答水平有一定的促進作用。

Maddock等（2001）報道，在給仔豬每千克體重補充35 mg和75 mg LA時，對照組ADG和ADFI都顯著高于LA組（P<0.05），原因可能是LA分子中含有二硫鍵，導致飼料風味降低，引起仔豬采食量下降；添加35 mg LA組有降低血糖的趨勢。還有研究表明，每千克體重添加8 mg和15 mg LA，血清中性粒細胞和淋巴細胞計數極顯著提高（P<0.003），說明LA對仔豬免疫力有一定的促進作用。

Berg等（2003）報道，給48頭雜交豬飼喂高淀粉的飼糧，LA和肌酸一水化合物（CMH）混入玉米粉中添加到飼料中，LA添加組提高了胴體重，顯著增加了45 min后背最長肌的pH值（P=0.029），降低了臀中肌、腰肌的肉質黃度，升高了半膜肌的肉質紅度，降低了背最長肌24 h后的滴水損失和半膜肌7 d后的凈損失，降低了烹調損失和沃爾氏剪切力。以上數據表明，添加LA改善了豬的肉質，增加了pH值，防止肉酸敗；沃爾剪切力降低說明肉的嫩度較好。

3.3 在禽上的應用 熱應激下，機體自由基大量生成，細胞膜結構與功能的完整性受到破壞，嚴重影響產蛋雞的生產性能和健康。白兆鵬等（2004）首次將LA應用于熱應激狀態下產蛋雞，研究發現，常溫狀態下，飼料中添加100 mg/kg LA的蛋雞在整個應激期的產蛋率最高，添加400 mg/kg LA時蛋重最大，從整個應激期內平均值來看，飼料中添加50 mg/kg和100 mg/kg LA組的料蛋比均低于其他組。從綜合指標看，LA在蛋雞中的適宜添加量為50～100 mg/kg。

楊國宇等（2003）研究了LA對肉仔雞脂肪代謝的影響，結果顯示，日糧中LA添加量為60 mg/kg和100 mg/kg時，血清中總膽固醇、甘油三酯含量顯著下降，游離脂肪酸含量顯著上升（P<0.05）。肝臟脂肪含量隨LA添加量增大呈下降趨勢，證明飼料中添加LA能有效地改善正常肉雞體內脂肪代謝。

4 小結

硫辛酸作為一種功能強大的抗氧化劑，在體外以及試驗動物上研究得較多，其抗氧化功能已經得到了證實，只是在畜禽上的研究很少。LA抗氧化性能優于VC和VE。機體總的抗氧化能力是體內各種抗氧化劑與抗氧化酶協同作用的結果，LA與其他抗氧化劑共同作用可能不僅僅是簡單的加合效應，可能會有協同作用。隨著研究的進一步深入，LA作為一種優良的生物抗氧化劑，其應用前景十分廣闊。

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