精氨酸分解代謝及其在馬健康養(yǎng)殖中的應用研究進展

劉保宣 李 寧 臧長江

(新疆農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，新疆肉乳用草食動物營養(yǎng)實驗室，烏魯木齊830052)

精氨酸(Arg)是20種蛋白質(zhì)氨基酸中堿性最強的氨基酸，天然存在D型和L型2種精氨酸，1895年首次在哺乳動物蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)精氨酸。哺乳動物體內(nèi)只能代謝L-精氨酸，呈白色晶體或粉末，無臭而味苦，可溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。精氨酸是人和大多數(shù)哺乳動物的條件性必需氨基酸之一，幼年動物機體不能內(nèi)源合成精氨酸，屬于必需氨基酸[1]；對于成年母畜而言，精氨酸屬于非必需氨基酸，但在妊娠期、泌乳期或一些應激狀態(tài)下，機體內(nèi)源合成的精氨酸不能滿足機體代謝的需要，屬于必需氨基酸[2]。小腸是非反芻動物精氨酸的主要吸收部位，有40%在腸黏膜上皮細胞中主要被降解為鳥氨酸和脯氨酸，其余60%進入門靜脈，經(jīng)過肝臟后，肝臟中能降解8%精氨酸用于尿素循環(huán)和體蛋白質(zhì)合成，其余進入血液循環(huán)發(fā)揮生物學功能[3]。精氨酸在動物機體內(nèi)參與多種組織的多條代謝途徑，是動物機體代謝過程中鳥氨酸、尿素、一氧化氮(NO)、多胺、胍基乙酸、肌酸、胍基丁胺等多種物質(zhì)的前體[3]。NO、多胺、肌酸和胍基丁胺等在細胞增殖分化、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中具有廣泛的生物學功能。補充精氨酸已被證明可以改善哺乳動物的生殖、心血管、肺臟、腎臟、胃腸、肝臟和免疫等系統(tǒng)功能[3]。NO是哺乳動物主要的血管舒張劑，是胎盤血管生成的主要參與者，母馬在妊娠期補喂精氨酸可調(diào)控生殖系統(tǒng)血流量，改善胎盤功能，進而改善母馬的繁殖力[4-6]。此外，補充精氨酸可調(diào)節(jié)機體胰島素分泌和葡萄糖耐受量，改善母體代謝對妊娠的適應[7-9]，同時增加妊娠期母體胎盤轉(zhuǎn)移營養(yǎng)物質(zhì)相關基因的表達[10]。

1 精氨酸的分解代謝

精氨酸分解代謝主要有4條途徑：精氨酸/肌酸途徑、精氨酸/胍基丁胺-多胺途徑、精氨酸/NO途徑、精氨酸/尿素途徑[11-12]。精氨酸在精氨酸-甘氨酸瞇基轉(zhuǎn)移酶(AGAT)和胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶(GAMT)催化下沿精氨酸/肌酸途徑代謝合成肌酸；精氨酸沿精氨酸/胍基丁胺-多胺途徑分解代謝的產(chǎn)物為胍基丁胺和多胺，胍基丁胺也可轉(zhuǎn)化為尿素和腐胺；精氨酸沿精氨酸/NO途徑分解代謝的產(chǎn)物為瓜氨酸和NO，瓜氨酸可經(jīng)過瓜氨酸/NO循環(huán)參與精氨酸的內(nèi)源合成；精氨酸沿精氨酸/尿素途徑分解代謝的產(chǎn)物為尿素和鳥氨酸，鳥氨酸可進一步轉(zhuǎn)化為多胺、脯氨酸和谷氨酰胺等[13-14]。精氨酸的分解代謝途徑如圖1所示。

NH3：氨氣 ammonia；NO：一氧化氮 nitric oxide；HCO3：碳酸氫根 hydrogen carbonate；NOS：一氧化氮合成酶 nitric oxide synthase；AT：精氨酸-甘氨酸轉(zhuǎn)移酶 arginine-glycine transferase；CO2：二氧化碳 carbon dioxide；Arginase：精氨酸脫羧酶 arginine decarboxylase；P5C：二氫吡咯-5-羧酸 dihydropyrrole-5-carboxylic acid；OAT：鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶 ornithine aminotransferase；ADC：精氨酸脫羧酶 arginine decarboxylase；ODC：鳥氨酸脫羧酶 ornithine decarboxylase；AGMase：胍基丁胺酶 agmatinase。

2 精氨酸分解代謝的調(diào)節(jié)因子

2.1 精氨酸/肌酸途徑分解的調(diào)節(jié)因子

AGAT和GAMT是精氨酸/肌酸途徑分解的2種限速酶。AGAT主要在腎臟中表達，GAMT主要在肝臟中表達。有研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的胎盤中可表達并合成AGAT和GAMT[15]，胎兒宮內(nèi)生長受限(IUGR)胎盤中AGAT和GAMTmRNA表達量均顯著降低，AGAT、GAMTmRNA表達量均與妊娠期長短、新生兒體重和胎盤重量相關[16]。也有報道孕婦妊娠期間血漿肌酸濃度與胎兒的生長發(fā)育有關[17-18]，這表明胎盤中AGAT和GAMT的表達可能對胎兒發(fā)育至關重要。

2.2 精氨酸/胍基丁胺-多胺途徑分解的調(diào)節(jié)因子

精氨酸在精氨酸脫羧酶(ADC)的氧化脫羧作用下生成胍基丁胺，胍基丁胺在胍基丁胺酶(AGMAT)作用下轉(zhuǎn)化為腐胺。精氨酸通過ADC和AGMAT合成多胺為機體組織中多胺合成的次要途徑[18]。ADC和AGMATmRNA表達量的增加能代替綿羊滋養(yǎng)層細胞鳥氨酸脫羧酶(ODC)產(chǎn)生多胺，缺乏ODC會導致ADC/胍基丁胺依賴途徑的多胺合成增加[18]，表明體內(nèi)ADC和ODC可以相互補償另一種途徑產(chǎn)生的多胺[19]。由此可見，哺乳動物生殖系統(tǒng)中ADC/AGMAT調(diào)節(jié)多胺合成對促進胚胎的生長發(fā)育具有重要意義。

2.3 精氨酸/NO途徑分解的調(diào)節(jié)因子

一氧化氮合成酶(NOS)代謝精氨酸產(chǎn)生NO和瓜氨酸，NOS有3種同工酶：神經(jīng)元型一氧化氮合成酶(nNOS)、內(nèi)皮型一氧化氮合成酶(eNOS)和誘導型一氧化氮合成酶(iNOS)[20]。有研究發(fā)現(xiàn)，母馬受精13 h后，持續(xù)性子宮內(nèi)膜炎(PBIE)母馬子宮內(nèi)膜組織iNOSmRNA表達量顯著提高，eNOS和nNOSmRNA表達量無顯著差異[21]。PBIE母馬子宮內(nèi)膜組織NOS活性顯著高于炎癥反應消退的母馬，iNOS抑制劑治療能顯著降低PBIE母馬子宮內(nèi)膜組織NOS活性[22]，NOS抑制劑對PBIE發(fā)病機制的研究具有重要意義。

2.4 精氨酸/尿素途徑分解的調(diào)節(jié)因子

精氨酸酶(ARS)是分解機體大部分精氨酸產(chǎn)生尿素和鳥氨酸的主要酶，是由2個不同的基因編碼的同工酶：精氨酸酶Ⅰ(ARSⅠ)和精氨酸酶Ⅱ(ARSⅡ)。有研究發(fā)現(xiàn)，ARSⅠ可誘導iNOS競爭底物精氨酸，降低ARS對精氨酸的分解，并能抑制iNOS誘導的炎癥和氧化應激[23]。在巨噬細胞和其他細胞類型中，ARSⅠ和ARSⅡ之間可能存在相互調(diào)控作用[24]，且巨噬細胞中ARSⅠ的表達對抑制iNOS表達至關重要[25]。ODC和鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(OAT)均能分解鳥氨酸生成多胺和二氫吡咯-5-羧酸(P5C)[26]，且ODC是催化機體組織精氨酸合成多胺的主要途徑[19]。研究也報道多胺合成途徑在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝中起重要作用，ODC的表達與甘油三酯儲存密不可分[27]。多胺調(diào)控細胞增殖和分化[28]，胎盤ODC活性降低可能是誘導IUGR的主要原因。

3 精氨酸分解代謝的主要產(chǎn)物

3.1 精氨酸/肌酸途徑分解的主要產(chǎn)物

精氨酸在AGAT/GAMT催化下沿精氨酸/肌酸途徑分解生成胍基乙酸和肌酸。胍基乙酸調(diào)節(jié)機體生長激素(GH)、胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)的分泌；其極性影響胰腺胰島細胞分泌胰島素，也通過降低循環(huán)血液中的葡萄糖含量來刺激胰島素分泌[28]。研究表明，胍基乙酸具有間接的抗氧化作用，同時可作為超氧化物，機體內(nèi)低濃度的胍基乙酸體現(xiàn)抗氧化作用，而高濃度的胍基乙酸可誘導氧化應激[29]。肌酸對妊娠期胎盤和胎兒的發(fā)育具有一定的影響，肌酸能改善胎盤線粒體呼吸、缺氧誘導的胎盤線粒體損傷及缺氧條件下胎盤的細胞活力[30]。研究也發(fā)現(xiàn)，肌酸對胎盤中ATP的轉(zhuǎn)換起重要作用，可參與維持ATP穩(wěn)態(tài)[15]。

3.2 精氨酸/胍基丁胺-多胺途徑分解的主要產(chǎn)物

精氨酸在ADC/AGMAT作用下生成胍基丁胺和多胺。研究報道，胍基丁胺是α2-腎上腺素的內(nèi)源性配體和咪唑啉受體，能刺激腎上腺釋放兒茶酚胺，對動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的功能有影響[31]。研究也證明，胍基丁胺是一種新型的神經(jīng)調(diào)節(jié)遞質(zhì)，作用于CNS的多個受體[32]，對神經(jīng)類疾病具有很好的治療效果[33]。在精氨酸及其衍生物的代謝中，胍基丁胺抑制NOS的活性[34]，而CNS中NOS的表達上調(diào)與抑郁癥的發(fā)病有關[35]。因此，胍基丁胺能通過對NO信號分子的調(diào)節(jié)發(fā)揮抗抑郁作用[36]。胍基丁胺也作為自由基清除劑，保護線粒體免受氧化應激導致的細胞凋亡[32]。此外，Nissim等[37]研究證明，持續(xù)攝入胍基丁胺改善了高脂肪飲食引起的代謝和激素紊亂，這個過程與胍基丁胺誘導腺苷酸環(huán)化酶(cAMP)表達上調(diào)、激活cAMP依賴的蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)信號通路和增加機體對脂肪酸氧化有關。

3.3 精氨酸/NO途徑分解的主要產(chǎn)物

精氨酸在NOS(eNOS、iNOS、nNOS)作用下生成NO和瓜氨酸。NO是哺乳動物機體組織細胞中至關重要的調(diào)節(jié)分子。在心血管系統(tǒng)中，NO參與多種細胞因子介導的血管肌層活動，包括子宮肌層、胎盤血管等。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性和外源性NO都參與內(nèi)皮素-1(ET-1)或精氨酸素(AVP)對非妊娠子宮肌層的調(diào)節(jié)，ET-1和AVP都能刺激子宮肌層收縮力的增強，具有很強的促血管收縮作用，NO通過降低細胞內(nèi)鈣離子(Ca2+)濃度而縮短ET-1誘導的血管收縮時間，從而誘導血管舒張[38]。研究也發(fā)現(xiàn)，NO作用于動物機體組織細胞器線粒體(包括子宮平滑肌)，并且是主要的靶細胞器，依賴鳥苷環(huán)磷酸(cGMP)通路調(diào)節(jié)線粒體電子傳遞鏈合成ATP，抑制細胞色素c氧化酶活性，維持線粒體pH[39]。利用激光共聚焦顯微鏡和特異性熒光共定位方法也證實，子宮平滑肌細胞線粒體能合成NO，依賴于Ca2+、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和精氨酸濃度[40]。胰島素、內(nèi)皮細胞氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白-1(amino acid transporter 1，CAT-1)對胎盤血管擴張、胎盤血流灌注等方面的調(diào)節(jié)主要通過增加精氨酸/NO途徑產(chǎn)生NO實現(xiàn)。胰島素通過上調(diào)胎盤內(nèi)皮細胞質(zhì)膜CAT-1的表達來提高對精氨酸的轉(zhuǎn)運效率，內(nèi)皮細胞中精氨酸濃度增加，精氨酸/NO通路活性增強，迅速擴張?zhí)ケP血管[41]。同時，胰島素激活臍靜脈內(nèi)皮細胞中磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和eNOS表達，也增強精氨酸/NO通路活性，NO含量增加，擴張臍帶血管[42]。

3.4 精氨酸/尿素途徑分解的主要產(chǎn)物

精氨酸在ARS、ODC、OAT等作用下生成尿素、鳥氨酸、多胺等多種物質(zhì)。結(jié)腸中微生物降解飼糧中的蛋白質(zhì)合成多胺也是機體內(nèi)多胺的來源之一[43]。細胞多胺水平具有調(diào)節(jié)真核生物翻譯起始因子5A(eukaryotic translation initiation factor 5A，EIF5A)的作用[43-45]。對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)可影響巨噬細胞線粒體功能，EIF5A活性降低，線粒體對氧氣的需求量和功能降低，導致巨噬細胞向促炎表型方向分化[46]；ODC的活性降低和細胞內(nèi)多胺水平下降可誘導促炎巨噬細胞數(shù)量顯著增加，導致動物胃和結(jié)腸炎癥增加[47]。多胺還通過直接改變線粒體功能來影響代謝，線粒體基質(zhì)高水平的精胺可調(diào)節(jié)Ca2+進入線粒體影響丙酮酸脫氫酶復合物活性或直接影響線粒體功能[48]。多胺乙酰化過程中，乙酰輔酶A(CoA)都在亞精氨/精氨-N1-乙酰基轉(zhuǎn)移酶(SSAT1)過高表達時被耗盡[43]。多胺乙酰化增加導致ODC活性增強[49]，可能提高了精氨酸/尿素途徑的代謝量。

多胺也是哺乳動物腸道發(fā)育和繁殖過程中的重要物質(zhì)。早產(chǎn)兒母乳中多胺的濃度明顯高于足月出生的嬰兒[50]；在仔豬飼糧配方中添加多胺可促進腸道發(fā)育[51]，可見多胺對早期的腸道發(fā)育起重要作用。研究表明，在妊娠期，多胺調(diào)節(jié)血管生成、胚胎形成、胚胎植入和胎盤滋養(yǎng)層生長[52]。在小鼠胚胎發(fā)育期，ODC活性隨著胚胎進入囊胚期而增加，在子宮上皮細胞中，胚胎滯育時添加腐胺可使胚胎發(fā)育正常[53]。多胺影響哺乳動物的繁殖，探討多胺代謝對胎兒發(fā)育及胎盤功能影響的分子機制應是未來研究的重要領域。

4 精氨酸對馬生殖系統(tǒng)血流量、血液參數(shù)和胎盤功能的影響

4.1 對母馬生殖系統(tǒng)血流量的影響

老齡的經(jīng)產(chǎn)母馬生殖系統(tǒng)血流量顯著低于青年母馬；發(fā)情周期的母馬，第1～10天子宮肌層血流量顯著低于第15、20天[6]，母馬生殖系統(tǒng)血流量下降是造成母馬妊娠率低及早期胚胎損失增加的重要因素之一。多普勒超聲(doppler ultrasonography,DPL)檢測方法是評估母馬生殖系統(tǒng)血流量的常用方法，阻力指數(shù)(resistance index,RI)和搏動指數(shù)(pulsatility index,PI)是其常用指數(shù)[54]。RI和PI與組織內(nèi)血管血流灌注程度有關，RI高表明血流灌注少，RI低表明組織血流量增加；PI升高表明遠端組織血流灌注減少[54]。RI和PI相關，其中一個指數(shù)就能評估母馬機體組織血流灌注程度。補喂適量的精氨酸可影響母馬生殖系統(tǒng)血流量。圍產(chǎn)期母馬補喂100 g/d精氨酸，子宮動脈血流量極顯著高于與對照組，且母馬可測子宮積液短時間內(nèi)出現(xiàn)下降[4]；母馬卵泡壁血管血流灌注顯著高于對照組，子宮積液更少[5]；飼糧每天添加0.5% BW精氨酸，母馬子宮液蓄積減少[55]。發(fā)情期間補喂100 g/d精氨酸，母馬優(yōu)勢卵泡直徑顯著增大[56]。此外，在妊娠第15～45天期間每天補喂0.012 5% BW精氨酸，第40～45天胚胎/胎兒的直徑增大[57]；妊娠期最后4個月期間補喂100 g/d精氨酸，可使出生小馬駒體重增加[58]。雖未測量RI或PI，但這與精氨酸分解代謝調(diào)控生殖系統(tǒng)血流量從而改善母馬繁殖力密不可分。

4.2 對馬血液參數(shù)的影響

飼糧中補喂不同劑量的精氨酸可以影響馬的血液參數(shù)，主要體現(xiàn)在精氨酸是機體NOS的唯一底物、精氨酸促進尿素循環(huán)及精氨酸和其他氨基酸的吸收代謝平衡方面。飼糧添加適量的精氨酸可以改變馬體循環(huán)血漿NO濃度[59]，NO是機體重要的調(diào)節(jié)分子；精氨酸是尿素循環(huán)中最關鍵的氨基酸之一，飼糧添加適量精氨酸促進尿素循環(huán)，同時提高機體氮利用率，促進機體氨基酸代謝平衡，降低血漿氨氣(NH3)、尿素氮(UN)含量，促進疲勞恢復，可見精氨酸是維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要氨基酸[59]。此外，補喂精氨酸可影響馬體循環(huán)血漿精氨酸濃度和其他氨基酸濃度。每天補喂0.025% BW精氨酸可顯著增加血漿精氨酸和鳥氨酸濃度，顯著降低賴氨酸和蛋氨酸濃度，補喂后1 h，母馬血漿中組氨酸、谷氨酸、脯氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸和牛磺酸等濃度顯著降低[65]。每天補喂0.012 5% BW精氨酸顯著增加了血漿精氨酸和鳥氨酸濃度，對其他氨基酸濃度無顯著影響[60]。研究也表明，妊娠期母馬補喂100 g/d精氨酸，血漿精氨酸和鳥氨酸濃度在補喂后6 h顯著或極顯著提高(精氨酸濃度增加約1倍，鳥氨酸濃度增加約50%)[10]；泌乳期母馬補喂50 g/d精氨酸對泌乳母馬及小馬駒血液精氨酸代謝物濃度無顯著影響[61]。由此可見，補喂精氨酸影響母馬體循環(huán)血漿精氨酸、鳥氨酸濃度，同時影響其他氨基酸代謝，但補喂高劑量精氨酸會損害其他氨基酸的吸收。研究也報道，補喂精氨酸影響妊娠后期母馬體循環(huán)血漿胰島素和葡萄糖濃度[10]。因此，精氨酸在馬健康養(yǎng)殖應用中的補喂范圍仍需進一步探討。

4.3 對母馬胎盤功能的影響

初產(chǎn)母馬產(chǎn)下的新生馬駒比經(jīng)產(chǎn)母馬產(chǎn)下的新生馬駒更小或更輕，這與母馬胎盤結(jié)構、胎盤生長因子、胎盤生長因子受體、胎盤血管生成因子及胎盤對母體營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力有關[62-64]。初產(chǎn)母馬妊娠后210 d至分娩期間補喂100 g/d精氨酸，結(jié)果表明，精氨酸補喂對胎盤結(jié)構、超微結(jié)構及胎盤中DNA甲基化無顯著影響，但胎盤中營養(yǎng)轉(zhuǎn)運因子[葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-1(GLUT-1)、CD36]和GAMT基因表達量增加[10]。GLUT-1基因表達量增加可能使母體-胎兒葡萄糖轉(zhuǎn)移效率提高，或補喂精氨酸對初產(chǎn)母馬胰島素分泌起到了調(diào)節(jié)作用；胎盤CD36基因表達量的增加可能影響胎盤轉(zhuǎn)運脂肪酸或影響脂肪酸在胎盤中的利用和儲存。初產(chǎn)母馬與經(jīng)產(chǎn)母馬相比，初產(chǎn)母馬胎盤尿囊組織成分(結(jié)締組織和血管)體積和表面積下降，血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)基因表達量減少，DNA整體甲基化減少；參與精氨酸降解(ARS、ODC)和轉(zhuǎn)運因子[腸道溶質(zhì)載體家族7成員1(SLC7A1)]的基因表達量增加[10]。此外，精氨酸作為NO氣體信號分子的唯一前體，在胎盤功能穩(wěn)態(tài)維持、促進胎盤形成等方面發(fā)揮至關重要的作用[65]，同時調(diào)節(jié)胎盤中多胺的合成[20]。由此可見，精氨酸是完善初產(chǎn)母馬胎盤功能的主要氨基酸之一。

5 小 結(jié)

精氨酸作為功能最多的氨基酸之一，與精氨酸在動物機體內(nèi)具有多條代謝途徑生成多種生物活性分子有關。NO和多胺促進子宮、胎盤、卵巢等部位血管化發(fā)生，可增加母馬生殖系統(tǒng)血流量，同時調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)功能；胍基乙酸、肌酸、胍基丁胺等對機體神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、能量系統(tǒng)都具有調(diào)節(jié)作用。補喂適量的精氨酸可調(diào)節(jié)母馬機體新陳代謝、生殖系統(tǒng)功能，從而改善母馬的繁殖力。精氨酸對母馬生殖功能影響的分子機制研究相對較少，仍需進一步探討，以便為精氨酸在馬健康養(yǎng)殖中的應用提供合理的依據(jù)。