動物腸道鋅元素吸收機(jī)制研究進(jìn)展

鋅是生命活動中的必需微量元素，參與體內(nèi)多種生理生化功能，是機(jī)體多種酶和功能蛋白的組成成分。鋅可以參與機(jī)體細(xì)胞增殖與分化、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯表達(dá)及細(xì)胞生理功能調(diào)控等多項(xiàng)生理活動，和機(jī)體發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)、內(nèi)分泌、體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)代謝都有密切的關(guān)系。Todd最先于1934年通過大鼠的研究發(fā)現(xiàn)鋅是其生長中必需微量元素，隨后鋅元素在各個方面的生理功能都得到了廣泛的研究，尤其是鋅的免疫和抗感染功能以及對炎癥氧化應(yīng)激的控制一直備受關(guān)注。鋅必須從日糧中吸收，其吸收機(jī)制歷來是動物營養(yǎng)的研究熱點(diǎn)。近年出現(xiàn)的有機(jī)鋅源被認(rèn)為吸收優(yōu)于無機(jī)鋅源[1-2]，但有機(jī)鋅容易吸收的機(jī)制是什么？通過什么途徑吸收的？有機(jī)鋅和無機(jī)鋅的生物利用率存在差異根本原因何在？隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，為這些謎底的揭開提供了可能。研究鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因表達(dá)有助于研究鋅在這些生理系統(tǒng)中的作用，本文就鋅的吸收機(jī)制研究進(jìn)展加以綜述，以期促進(jìn)動物腸道鋅元素吸收的深入研究，為飼料鋅的添加提供更多的理論依據(jù)。

1 鋅的吸收部位

在動物腸道中，不同區(qū)段，鋅的吸收效率也不同，其中以十二指腸的吸收效率最高。早在1975年，Darrell R.van Campen就通過部分結(jié)扎大鼠腸道，利用同位素指示的方法，發(fā)現(xiàn)Zn65和Fe59在十二指腸吸收最為迅速，其次是回腸和空腸，在胃部吸收最少[3]。Methfessel A H的研究也得出了類似的結(jié)論[4]。Neveh采用狗為研究模型得出結(jié)論，鋅的吸收效率順序?yàn)槭改c＞空腸＞回腸[5]。但是也有不同的研究結(jié)果，D.L.Antonson通過大鼠進(jìn)行研究結(jié)果表明，鋅吸收的百分比（由原子吸收光譜法測定）為回腸（60.1%）、十二指腸（19.1%）或空腸（20.2%），回腸鋅的吸收能力最強(qiáng)[6]。

2 鋅的吸收機(jī)制

2.1 鋅吸收的穩(wěn)態(tài)學(xué)說

據(jù)Kirchgessner M研究表明，斷乳大鼠飼喂鋅含量為10～100 mg/kg飼糧時(shí)，其機(jī)體內(nèi)儲留總鋅大概為30 mg/kg，并且不隨攝入的鋅量而改變[7]。由此推論鋅在體內(nèi)存在一個吸收的穩(wěn)態(tài)學(xué)說，在一定范圍內(nèi)，鋅的營養(yǎng)流量處于一個平衡狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)（Homeostasis）。胃腸道是此穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的主要器官，通過外源鋅的小腸吸收、內(nèi)源鋅的排泄及腎臟對鋅代謝的調(diào)節(jié)保持穩(wěn)態(tài)的延續(xù)。深入研究表明，金屬硫蛋白（Metallothionein,MT）對鋅的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)甚為重要，體內(nèi)通過基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)MT的表達(dá)，當(dāng)MT表達(dá)增加時(shí)，可以對應(yīng)增加鋅向小腸內(nèi)的分泌，從而減少外源鋅的吸收并增加內(nèi)源鋅的排放；相應(yīng)的，當(dāng)MT表達(dá)減少時(shí)，可以減少鋅向小腸內(nèi)的分泌，達(dá)到增加外源鋅的吸收并減少內(nèi)源鋅的排放之目的。

2.2 鋅通過腸壁的吸收機(jī)制

目前研究認(rèn)為，鋅的吸收主要包括非飽和擴(kuò)散和轉(zhuǎn)運(yùn)載體主動轉(zhuǎn)運(yùn)兩個途徑進(jìn)行，存在細(xì)胞間擴(kuò)散和跨膜主動轉(zhuǎn)運(yùn)吸收兩類。跨膜主動轉(zhuǎn)運(yùn)是靠一系列膜上蛋白質(zhì)——轉(zhuǎn)運(yùn)載體實(shí)現(xiàn)的。

2.2.1 細(xì)胞間擴(kuò)散假說

細(xì)胞間的被動擴(kuò)散被認(rèn)為是一種經(jīng)過緊密連接非耗能性的被動轉(zhuǎn)運(yùn)過程，其允許物質(zhì)通過的程度受緊密連接的調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^細(xì)胞間的被動擴(kuò)散多是一些水溶性的小分子物質(zhì)，這種方式多為從濃度高的一側(cè)通過細(xì)胞膜向濃度低的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)，不需要消耗細(xì)胞內(nèi)新陳代謝所釋放的能量，是一種簡單的運(yùn)輸方式。有學(xué)者認(rèn)為，鋅可以通過細(xì)胞間擴(kuò)散途徑被吸收，但是國內(nèi)外研究文獻(xiàn)中至今尚缺乏直接報(bào)道的試驗(yàn)證據(jù)支持。

2.2.2 鋅的跨膜主動轉(zhuǎn)運(yùn)

主動運(yùn)輸涉及物質(zhì)輸入和輸出細(xì)胞和細(xì)胞器，并且能夠逆濃度梯度或電化學(xué)梯度。細(xì)胞質(zhì)膜上的鋅載體蛋白將鋅元素逆電化學(xué)梯度從低濃度側(cè)向高濃度側(cè)的耗能運(yùn)輸。所耗能量由具ATP酶活性的膜蛋白分解ATP提供，呈現(xiàn)一種逆濃度梯度的“上坡”運(yùn)輸。

1995年，第一個哺乳動物鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因ZnT1被克隆和鑒定[8]。在此之前，鋅在動物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)被認(rèn)為是作為陰離子復(fù)合物或者氨基酸（半胱氨酸或組氨酸）螯合物發(fā)生協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)，或者經(jīng)由鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體通道進(jìn)入[9]。目前為止，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體中的兩個蛋白質(zhì)家族已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。ZnT(Solute-linked carrier 30,SLC30A)蛋白可以通過調(diào)節(jié)鋅從細(xì)胞流出量或者進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)小囊泡的量來降低細(xì)胞內(nèi)的鋅。Zip(Zrt-and Irt-like proteins,Zip)加速細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)小泡中的鋅進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[10-12]。

哺乳動物ZnT家族由10個成員組成（ZnT1-10)。大部分的鋅ZnT蛋白(ZnT1，2，4-8)轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活動可以在高鋅培養(yǎng)基中存活的細(xì)胞中間接地被證明，或是在轉(zhuǎn)染哺乳動物細(xì)胞和爪蟾卵中直接通過鋅吸收量/排出量或鋅積累量證明[13-15]，但是ZnT介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體機(jī)制目前尚不是很清楚。由于細(xì)胞中鋅的排出或者鋅在小泡內(nèi)的沉積抵消著鋅的濃度梯度，ZnT鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體可能作為第二轉(zhuǎn)運(yùn)載體或者反向轉(zhuǎn)運(yùn)體行使其功能。同源蛋白的功能可能是作為反向轉(zhuǎn)運(yùn)體與氫離子或鉀離子交換鋅離子[16]，或者在脂酶體中改變結(jié)構(gòu)，使其能夠在沒有能量來源或質(zhì)子濃度差異時(shí)能轉(zhuǎn)運(yùn)鋅離子[17]。人類的ZnT蛋白家族有序列同源性，這些序列在大小上存在差異，大部分序列被預(yù)測有6個跨膜區(qū)(TMD)，但ZnT5有12個跨膜區(qū)。這些蛋白在細(xì)胞膜上細(xì)胞質(zhì)側(cè)有N和C末端。另外，多數(shù)ZnT蛋白在細(xì)胞內(nèi)有可以調(diào)整組氨酸殘基數(shù)量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[18]。這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以結(jié)合鋅，被認(rèn)為是離子結(jié)合區(qū)域[19]。通過比較不同物種的SLC30蛋白親水結(jié)構(gòu)圖說明四種兼性的四甲基聯(lián)苯胺可能形成通道來轉(zhuǎn)運(yùn)鋅[20]。據(jù)研究，一些ZnT蛋白功能與鋅結(jié)合進(jìn)入酶有關(guān)，例如堿性磷酸酶通過調(diào)節(jié)鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入高爾基體管腔，可以進(jìn)行蛋白與蛋白之間的相互作用的基序在ZnT序列中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

哺乳動物Zip家族(SLC39)有14個成員。Zip1-8和Zip14的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)活性已經(jīng)被證實(shí)[21-22]，方法是通過轉(zhuǎn)染方法使DNA進(jìn)入哺乳動物（人胚腎和中國倉鼠卵巢）細(xì)胞。轉(zhuǎn)運(yùn)載體活性通過測定65Zn的吸收量或者通過使用探針向結(jié)合在細(xì)胞內(nèi)的不穩(wěn)定的鋅發(fā)射熒光的方法進(jìn)行，而鋅介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚待系統(tǒng)研究。鋅吸收是一個易化過程，受濃度梯度影響。hZip1和hZip2轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性不需要ATP[23-24]。鋅依賴轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性受HCO3-誘導(dǎo)，這說明它是一個同向轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。金屬離子競爭性的研究表明一些哺乳動物Zip蛋白對鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)是特異性的，但h/mZip1、mZip3、和hZip2的鋅吸收活性被多種陽離子所抑制。

近年來的研究表明，對鋅和非鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合的鐵而言，Zip14的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性在人胚腎細(xì)胞和Sf9昆蟲細(xì)胞中通過過分表達(dá)得以確定。據(jù)預(yù)測，大多數(shù)Zip蛋白有八個跨膜區(qū)，但是LIV-1(Zip6)只有六個。跨膜區(qū)IV和V是高度保守的，能形成孔狀通道供金屬離子通過。據(jù)推測，Zip家族蛋白在細(xì)胞外有N和C端，在細(xì)胞內(nèi)有富含組氨酸重復(fù)序列的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。相反，免疫定位研究顯示，小鼠中Zip14有一個細(xì)胞外富含組氨酸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[22]。這個特定基序的存在可以參看Zip家族蛋白其他獨(dú)立的功能從鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體或者與鋅有關(guān)的蛋白交換中得到，鋅在細(xì)胞膜上的功能見圖1。目前，豬的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因尚無文獻(xiàn)報(bào)道，屬于一個全新的領(lǐng)域。

圖1 哺乳動物鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體在細(xì)胞膜上的功能模式

3 氨基酸螯合鋅的吸收假說

有機(jī)螯合微量元素因?yàn)槠浠瘜W(xué)穩(wěn)定性好，生物利用率高而在畜牧業(yè)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。E.van Heugten的研究結(jié)果顯示，蛋氨酸螯合鋅組日增重比硫酸鋅對照組提高7.45%，相應(yīng)料重比降低7.41%[25]。

然而，就目前所報(bào)道的資料來看，還沒有完整的試驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)微量元素鋅的吸收機(jī)制。學(xué)術(shù)界對氨基酸螯合鋅的吸收機(jī)制有兩種不同的假說即完整吸收假說和競爭吸收假說。完整吸收假說的核心是認(rèn)為有機(jī)螯合微量元素在腸道中的吸收，是通過小肽或者氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)行，認(rèn)為金屬離子通過共價(jià)鍵及金屬鍵與氨基酸的配位體配合，被包裹在螯合物的中心部位，經(jīng)由小肽或者氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體以整體形式穿過腸壁黏膜細(xì)胞被吸收，并穿越基底膜進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。相關(guān)的研究結(jié)果也提供了一定的支持：當(dāng)飼料中存在大量半胱氨酸和組氨酸時(shí)，可大大增加動物小腸對鋅元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。競爭吸收假說則認(rèn)為有機(jī)螯合微量元素之所以能被更有效的吸收，是因?yàn)槠淇梢愿行У乇Ｕ向衔镯樌竭_(dá)腸道上皮細(xì)胞處，且在小腸刷狀緣處分解為有機(jī)物和微量元素金屬離子，這樣保證了進(jìn)入機(jī)體微量元素?cái)?shù)量上的增加。競爭吸收假說的核心是有機(jī)微量元素到達(dá)腸道吸收部位的數(shù)量比無機(jī)形態(tài)的金屬離子要多，是基于傳統(tǒng)金屬元素吸收模式的一種理論推測。這兩種假說都尚無相關(guān)的直接研究證據(jù)支持。相信隨著生命科學(xué)的迅速發(fā)展，將有更加直接的研究結(jié)果證明有機(jī)微量元素鋅的吸收模式，這也將成為未來研究的熱點(diǎn)之一。

4 研究展望

綜上所述，鋅作為動物營養(yǎng)中的重要微量元素，主要是通過一系列載體實(shí)現(xiàn)在生物體中的跨膜運(yùn)輸?shù)?，如果有機(jī)鋅也是通過系列鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入細(xì)胞，則需要在腸道內(nèi)首先降解釋放鋅離子出來，再通過ZnT和Zip的共同作用實(shí)施轉(zhuǎn)運(yùn)，然而這難以解釋有機(jī)鋅比無機(jī)鋅生物效價(jià)高的問題。雖然有一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持氨基酸鋅的完整吸收假說，但尚沒有確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予支持。需要從分子水平、細(xì)胞水平和整體水平多個角度出發(fā)，運(yùn)用動物營養(yǎng)學(xué)、分子生物學(xué)和免疫學(xué)多學(xué)科研究手段，進(jìn)一步研究鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體參與鋅吸收的分子機(jī)制，其未來研究結(jié)果具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，將為合理設(shè)計(jì)動物鋅營養(yǎng)提供理論依據(jù)。

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