牛磺酸的生理功能及研究進展

何曉芳，徐世永，鄧凱東，朱紅梅，高 珊

(1.金陵科技學院動物科學與食品工程學院，江蘇 南京 211169；2.南京可萊威生物科技有限公司，江蘇 南京 210000)

1 牛磺酸的來源及代謝合成途徑

牛磺酸(taurine) 屬于有機酸，1827 年首次從牛膽汁中提取[1]。牛磺酸的分子簡單，化學分子式為C2H7NO3S，含有一個酸性磺酸鹽基、一個堿性氨基和兩個碳原子。不同于α-氨基酸，它是一種β-氨基酸。牛磺酸沒有tRNA 編碼，其磺酸鹽基取代了形成肽鍵所必需的羧基，因此，牛磺酸不能作為轉化肽鏈的一部分[2]。在正常情況下，哺乳動物、鳥類、魚類和水生無脊椎動物(如牡蠣和貽貝)的體內都含有牛磺酸。牛磺酸在植物中的含量不及動物體內的1%。藻類植物中的牛磺酸含量豐富[3]，海鮮和肉類中的含量也很高。許多脊椎動物可以合成牛磺酸，但某些動物，如貓無法合成牛磺酸，需要通過日糧補充[4]。

長期以來，牛磺酸被普遍認為是動物體內硫代謝的“無用之物”，盡管牛磺酸的許多作用已見報道。從生化上看，牛磺酸具有化學惰性，因為大部分從動物體內排出的牛磺酸與其在體內的結構無變化。在動物上，牛磺酸是硫代謝最終產物之一。牛磺酸的內源性合成通過半胱氨酸-亞磺酸途徑在肝臟內進行。代謝反應首先由半胱氨酸雙加氧酶將半胱氨酸巰基氧化為半胱氨酸亞磺酸。隨后用胱氨酸亞硫酸脫羧酶將半胱氨酸亞磺酸脫羧基化為亞牛磺酸。最后通過亞牛磺酸脫氫酶的作用生成牛磺酸。牛磺酸的合成途徑在不同的動物個體之間有差異，同時也與機體的營養狀態、蛋白質攝入量和體內可用半胱氨酸的含量有關[5]。

2 牛磺酸的轉運

牛磺酸是水溶性酸，通過一種特定的鈉/ 氯依賴的牛磺酸轉運體(taurine transporter，TauT) 被動物的腸上皮細胞吸收。有證據表明，牛磺酸及其轉運蛋白，即TauT，在調節細胞周期和細胞凋亡上發揮重要的作用[6]。哺乳動物體內的TauT 由轉運體基因編碼，它廣泛表達于哺乳動物組織中[7]。此外，一些化合物可特異性地抑制腸道中牛磺酸的攝取和吸收：如β-氨基酸、β-丙氨酸和亞牛磺酸，以及存在于芝麻籽中的血磷脂酰膽堿[8]。研究人員在哺乳動物、雞、鯉魚和羅非魚等動物體內都發現了TauT[9-10]。Ito 等(2010)證明，敲除小鼠體內表達TauT 的基因后，牛磺酸無法被機體轉運利用，心肌細胞對Ca2+的敏感度下降，心內壓降低，從而使心臟正常功能受到影響[10]。TauT 表達缺乏會改變細胞內牛磺酸的含量。事實上，哺乳動物的有些疾病與TauT 的活性密切相關，如骨骼肌功能的破壞，視網膜光感受器的退化以及腎臟、心臟和中樞神經的異常發育等[11]。Warskulat等(2007)發現，敲除TauT 后，小鼠的骨骼肌功能會嚴重受損[11]。Liao 等(2007)研究發現，TauT 在大鼠的血管平滑肌細胞中也有表達，表明牛磺酸可能在維持血管平滑肌細胞功能上發揮一定的作用[12]。

3 牛磺酸的生理功能

作為動物機體內含量最豐富的游離氨基酸，牛磺酸廣泛存在于體內各組織器官。在肝臟、腎臟、肌肉和大腦中，牛磺酸分別占各組織或器官中總游離氨基酸的25%、50%、53%和19%[13]。牛磺酸在不同組織中發揮著不同的生理作用，圖1 簡要總結了牛磺酸在生物體內的靶器官中發揮的主要功能及作用[14]。

3.1 牛磺酸的促生長功能

生長是動物或植物在將攝入的營養物質用于維持機體基本的能量需求后將多余的沉積到組織中的結果。牛磺酸的缺乏常會導致機體的生長受到抑制。有研究表明，牛磺酸是水產飼料中最好的誘食劑，添加牛磺酸可顯著刺激水產動物的食欲，提高飼料利用率[15]。除了直接刺激動物的食欲外，牛磺酸還可以調節體內微量元素的平衡，促進動物的健康，保護機體的正常功能[5]。牛磺酸是動物正常發育所必需的，當牛磺酸缺乏時，生長、組織分化和免疫發育都會出現缺陷[12]。有研究證明，添加牛磺酸可顯著提高肉雞的日增重，改善飼料轉化率，牛磺酸缺乏會導致生產性能下降，飼料轉化率升高[16]。有研究證明，在育雛期給AA 肉雞補充牛磺酸，可顯著提高生產性能[17]。此外，有報道稱，添加牛磺酸可顯著提高蛋鴨的日采食量、日增重，降低料重比，提高生長性能[18]。馬子力(2013)也發現，在日糧中添加適量的牛磺酸可顯著提高蛋雞的產蛋率[19]。Lee 等(2004)的研究表明，在日糧中添加0.75%的牛磺酸能夠顯著改善肉仔雞的采食量、飼料轉化率及生長性能[20]。

3.2 牛磺酸與腸道功能

腸道是動物主要的消化器官，也是最大的免疫器官。腸道黏膜層的完整性對維護腸道的屏障功能至關重要。牛磺酸是動物體內分布廣泛的化合物，是維持滲透壓、陽離子穩態、酶活性、受體調節、細胞發育和細胞信號傳導等基本生命過程的重要因子[21]。Egan 等(2001)發現，在脂多糖刺激下，牛磺酸能增強大鼠腸道上皮細胞增殖和杯狀細胞功能，并能通過改善線粒體膜通透性降低上皮細胞的凋亡[22]。此外，添加牛磺酸還可提高還原型谷胱甘肽的含量和還原型谷胱甘肽與氧化型谷胱甘肽的比值，增加家兔十二指腸超氧化物歧化酶的活性，降低丙二醛的含量，保護十二指腸免受脂多糖誘導的氧化應激，提高黏膜屏障功能[23]。有研究證明，Tau 可以增強小鼠內源性抗氧化酶的活性，提高還原型谷胱甘肽的活性，增加大鼠腸道杯狀細胞的密度[24]。Zhang 等(2008)證明，在小鼠腸道缺血再灌注的情況下，添加牛磺酸可以防止腸道黏膜上皮的損傷，修復腸道上皮黏膜損傷，抑制腸道上皮細胞凋亡[25]。有研究證明，添加牛磺酸增加了大鼠腸道黏膜重量，提示腸道細胞代謝增強，從組織學上看，添加牛磺酸后增加了空腸和回腸絨毛高度，表明腸道的吸收表面積增大，而這與細胞質量增加密切相關[26]。此外，有研究表明，牛磺酸能顯著抑制大鼠腸道易位，保護動物免受內毒素損傷，發揮脫毒作用[27]。

3.3 牛磺酸與大腦神經系統

牛磺酸存在于動物的各種組織中，包括大腦[28]。與經典氨基酸不同，牛磺酸的化學結構是含硫磺酸(而不是羧酸)。牛磺酸在動物體內以游離形式存在，不參與蛋白質的代謝合成[29]。牛磺酸在動物體內由蛋氨酸和半胱氨酸合成，因此被認為是“半必需氨基酸”[14]。牛磺酸可以促進動物大腦的發育，尤其在幼齡階段[13]。在神經系統和大腦發育過程中，牛磺酸會影響神經細胞的遷移，調節神經傳遞過程，并能加速大腦的發育；相反，谷氨酸、γ-氨基丁酸會減緩大腦的發育[30]。從大腦突觸體分離出的一些小分子量的肽含有牛磺酸，其中含量最豐富的是磺乙谷酰胺，該物質可以發揮神經遞質作用，增強突觸傳遞過程[31]。甘氨酸受體是內源性牛磺酸發揮作用的主要靶點，另一方面，外源性牛磺酸具有廣泛的神經保護作用，這其中可能與γ-氨基丁酸A 型受體的相互作用有關。有研究證明，給小鼠注射牛磺酸能夠提高大腦中乙酰膽堿的水平，而乙酰膽堿是調節運動功能所必需的神經遞質[32]。通過研究去極化過程中鈣離子的移動，研究人員發現牛磺酸可穩定膜并影響谷氨酸的生成[33]。此外，牛磺酸可參與成年大鼠腦細胞的繁殖、黏附及存活調控，同時可增加S 期的細胞數量，降低細胞凋亡和壞死，提高細胞活力，改善線粒體功能，從而有助于維持大腦功能[34]。有研究表明，牛磺酸可以作為呼吸調控或急性低氧反應的神經調節因子[35]。此外，Gharibani 等(2013) 研究發現，牛磺酸作為一種直接抗氧化劑，可以保護大腦免受內質網應激[36]。

3.4 牛磺酸與心臟功能

牛磺酸在心臟中的作用可能是由于它能夠保護心臟免受過量或不足鈣離子(Ca2+) 水平引起的不利影響[37]。Ca2+在細胞內的過多積聚將導致細胞死亡，牛磺酸可通過調節電壓依賴性Ca2+通道的活性和調節Na+通道，直接或間接地調節細胞內的Ca2+水平。有研究表明，在正常情況下，心臟中的牛磺酸更新非常緩慢，然而，機體滲透壓的變化可以顯著改變心肌細胞內牛磺酸的含量[38]。牛磺酸對肌肉的正常收縮非常重要，補充牛磺酸能增強機體功能，牛磺酸在心臟中的作用可能是因為牛磺酸可增強肌漿網Ca2+積累和釋放[39]。

3.5 牛磺酸與膽汁代謝

牛磺酸在膽汁鹽形成的過程中發揮重要作用，這對腸道消化和脂肪吸收至關重要[5]。膽汁鹽結合了膽汁酸和膽汁醇，它們都是通過復雜途徑由膽固醇衍生而成的[40]。膽汁鹽是脊椎動物中已知的化學結構多樣性最高的小分子，不同動物中膽汁的組成具有種屬特異性。膽汁酸可能與D-半胱氨酸結合，后者在結構上類似于牛磺酸，一旦結合，親水部分可防止腸上皮細胞被動再吸收。大多數結合物在遠端腸腔內被主動吸收，確保膽汁在腸腔內維持足夠的濃度，再吸收的膽汁被輸送到肝臟，然后循環到膽囊，這一過程被稱為腸肝循環。研究表明，補充牛磺酸會增加動物體內的膽鹽含量，而這似乎與日糧中的脂質水平無關[41]。此外，日糧中蛋白質的來源(魚粉、傳統大豆粉或加工大豆粉)會影響食糜中的膽汁量以及膽汁的組成[42]。在牛磺酸缺乏的條件下，補充牛磺膽酸不能完全恢復生長和膽汁鹽含量，但補充牛磺酸則可以恢復生長和膽汁鹽的含量[43]。這表明，補充牛磺酸確實有利于脂質消化。

3.6 牛磺酸的其他功能

牛磺酸的其他作用包括維持膜穩定、調控滲透壓、抗氧化、提高免疫力和繁殖性能等[44]。徐蘇薇等證明在日糧中添加牛磺酸可促進肉雞腿肌肌纖維由Ⅱb 型向Ⅰ型轉化，降低肉雞肌肉的糖酵解，進一步改善肉雞的肉品質[45]。此外，Yang 等(2015)研究表明，牛磺酸能刺激雄性大鼠的睪酮分泌，促進生精過程和精子成熟，提高精子質量，延緩睪丸功能老化，增強繁殖性能[46]。Gordon 等(1992) 證明，牛磺酸可以作為間接抗氧化劑阻止氧化應激損害倉鼠膜滲透性[47]。吳振鳴(2017)研究表明，在日糧中添加適量的牛磺酸可增強肉雞的耐熱性，有利于緩解熱應激的不利影響[48]。還有研究表明，牛磺酸可作為細胞氧化還原穩態和骨骼肌功能的調節因子，參與家禽機體中不同生理代謝過程[49]。

4 小結

牛磺酸作為一種含硫的非蛋白質氨基酸，一直以來被認為是動物的非必需氨基酸，因為動物體內可以合成。但最近的研究表明，對于高產的動物，如蛋雞、肉雞和奶牛等易發生應激的動物，建議適量補充牛磺酸。此外，在不同應激條件下，牛磺酸的抗氧化作用及其在各種轉錄因子表達中的調節作用值得關注。