海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)沉積

劉合露, 鄭懷平, 張 濤, 李遠(yuǎn)友

(汕頭大學(xué) 廣東省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 汕頭 515063)

海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)沉積

Metabolism, transportation and deposition of astaxanthin in marine animals

劉合露, 鄭懷平, 張 濤, 李遠(yuǎn)友

(汕頭大學(xué) 廣東省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 汕頭 515063)

在海洋生物中抗菌素頭孢霉素及之后維生素 A和 β-胡蘿卜素抗腫瘤活性的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們研究海洋生物類胡蘿卜素的熱潮, 至今已有 650多種類胡蘿卜素被發(fā)現(xiàn)[1]。蝦青素(Astaxanthin) 是一種端基為酮基的類胡蘿卜素色素, 化學(xué)名稱為3, 3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素, 其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖 1所示(其中R=CH3), 分子式為C40H52O4, 分子質(zhì)量為596。蝦青素不溶于水, 但易溶于二硫化碳、丙酮、苯和氯仿等有機(jī)溶劑。蝦青素不僅具有抗氧化、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力、提高繁殖力等生理功能, 而且擁有艷麗的紅色及極強(qiáng)的色素沉積能力。因此, 蝦青素已被廣泛地應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥、化妝品、養(yǎng)殖等行業(yè)。

圖1 蝦青素的反式結(jié)構(gòu)

基于蝦青素有很高的商業(yè)價(jià)值, 目前國(guó)內(nèi)的研究多集中在生產(chǎn)開發(fā)[2]、藥物活性[3]、飼料應(yīng)用[4]等方面, 而對(duì)它在生物體內(nèi)的積累及代謝機(jī)制的研究很少。作者綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的來(lái)源、吸收、組織中的分布、代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)沉積的研究, 以期為海產(chǎn)動(dòng)物蝦青素的開發(fā)利用、利用蝦青素改善養(yǎng)殖海產(chǎn)動(dòng)物品質(zhì)及遺傳育種工作提供參考。

1 海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的來(lái)源

蝦青素是類胡蘿卜素家族的成員之一, 是類胡蘿卜素合成的終點(diǎn)。動(dòng)物體內(nèi)缺乏相關(guān)酶系自身不能合成蝦青素, 海產(chǎn)動(dòng)物也不例外。但研究發(fā)現(xiàn), 海產(chǎn)動(dòng)物從腔腸動(dòng)物[5]、甲殼動(dòng)物[6]、軟體動(dòng)物[7]、棘皮動(dòng)物[8]、尾索動(dòng)物[9]等無(wú)脊椎動(dòng)物到魚類[10]等脊椎動(dòng)物的體內(nèi)均含有豐富的蝦青素。海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的主要來(lái)源是通過(guò)攝食含蝦青素的藻類或其他微生物, 從而在體內(nèi)積聚蝦青素[11]。許多藻類及一些真菌具有合成蝦青素的能力[12], 如衣藻Chlamydomonasnivalis、綠球藻Chlorococcumsp.、傘藻Acetabularia mediterranea、 柵藻Scenedesmus komarekii、裸藻Euglena rubida、小球藻Chlorella zofingiensis、雪藻Chlamydomonasspp.等在環(huán)境脅迫時(shí)能夠合成蝦青素。其中, 雨生紅球藻是自然界中蝦青素含量最高的生物, 其含量最高可達(dá)細(xì)胞干質(zhì)量的4%。真菌中的紅發(fā)夫酵母菌Phaffia rhodozyma,Rhodotorula rubra、Peniophorasp.、Cryptococcus和Sporobolomyces等都可以產(chǎn)生蝦青素。許多海洋細(xì)菌如Paracoccus haeundaensis[13]也有合成蝦青素的能力。海洋動(dòng)物可通過(guò)攝食這些藻類或細(xì)菌在體內(nèi)積累蝦青素, 它們可能再被其他食肉性動(dòng)物獵食, 從而導(dǎo)致蝦青素在后者體內(nèi)積累。Negro等[14]的試驗(yàn)已很好地證明了這一點(diǎn)。他們分析了鸛不同體成分的色素, 發(fā)現(xiàn)在有龍蝦的地區(qū), 該地區(qū)的鸛主要取食龍蝦, 其皮膚、血液、脂肪組織都含有蝦青素, 而在沒有龍蝦的地區(qū),鸛的血液中檢測(cè)不到蝦青素, 同時(shí)他也檢測(cè)到龍蝦體內(nèi)含有蝦青素, 由此可見, 鸛體內(nèi)蝦青素來(lái)自蝦并在自身體內(nèi)積累。此外, 甲殼類等海產(chǎn)動(dòng)物還具有把攝取的類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為蝦青素的能力[15,16]。

2 海產(chǎn)動(dòng)物蝦青素的代謝機(jī)制

2.1 蝦青素在動(dòng)海產(chǎn)物體內(nèi)的分布

動(dòng)物種類不同, 其攝食方式以及保持、沉積蝦青素的能力也不同, 因而導(dǎo)致它們體內(nèi)蝦青素含量也有很大差異, 如虹鱒Oncorhynchus mykiss中蝦青素質(zhì)量比為50.0 mg/kg, 大西洋鮭Salmo salar為49.2 mg/kg[10], 野生銀大馬哈魚Coho salmon平均為14.0 mg/kg、紅大馬哈魚O. nerka為40.0 mg/kg[17]; 米氏海參Holothuria moebi的體內(nèi)蝦青素質(zhì)量比只有0.87 mg/kg[8], 而甲殼類的甲殼中含有很高的蝦青素,Celia等[18]用乙酸乙酯從1kg對(duì)蝦殼中可提取蝦青素184.0 mg, Felix等[19]用CO2超臨界萃取時(shí)最高可達(dá)207.6 mg/kg。因此, 利用甲殼類下腳料提取蝦青素已發(fā)展成一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)。

即使是同一生物, 不同身體部位的蝦青素含量也可能存在很大差異。在黑海參H. atra中, 內(nèi)臟的蝦青素質(zhì)量比為36.8 mg/kg, 性腺為94.6 mg/kg, 同屬的 H. leucospilota中, 體壁為 5.7 mg/kg, 內(nèi)臟為35.5 mg/kg, 性腺高達(dá)147.9 mg/kg[8]。動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的這種不均勻分布可能與生物的生理、生化以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)有關(guān), Holothuria屬生活在海底, 但卵是漂浮的, 蝦青素可能為卵提供一種光保護(hù)機(jī)制,而性腺中高含量的蝦青素可能有利于蝦青素向卵中轉(zhuǎn)移, 內(nèi)臟可能有作為一種容器而暫時(shí)貯存蝦青素的作用; 鮭魚在停止投喂蝦青素三天后血液中蝦青素的濃度才開始下降[20], 由此也說(shuō)明某些組織有暫時(shí)存儲(chǔ)蝦青素的能力。此外, 某些貝類體內(nèi)的色素還具有季節(jié)性變化(作者待發(fā)表數(shù)據(jù)), 猜測(cè)這一方面可能與季節(jié)性環(huán)境變化有關(guān), 如光照、水溫、餌料種類與豐度等, 另一方面也可能與動(dòng)物自身生長(zhǎng)、繁殖等生理特性有關(guān)。

2.2 蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的消化吸收

類胡蘿卜素在動(dòng)物胃腸道消化酶的作用下, 從其蛋白結(jié)合物中分離出來(lái), 在十二脂腸中與其他脂類物質(zhì)一起經(jīng)膽汁乳化后形成微團(tuán)(乳糜微粒), 自由擴(kuò)散到腸壁表面, 然后由腸黏膜細(xì)胞吸收[21,22]。動(dòng)物吸收蝦青素與蝦青素的來(lái)源、含量、食物成分以及動(dòng)物自身遺傳因素有關(guān)。Bjerkeng等[23]測(cè)得養(yǎng)殖56 d和112 d大比目魚對(duì)蝦青素的表觀消化率(ADC)為77.8和71.1, 大西洋鮭為45.9和59.2, 但最終能保持下來(lái)的量很低, 保持率分別為0和3.9%。Wathne等[24]測(cè)得實(shí)際上食物中僅有 7.5%～12.5%的蝦青素被大西洋鮭保留下來(lái), 可見鮭魚對(duì)蝦青素的利用率是非常低的。

在食物中增加脂質(zhì)有利于鮭體內(nèi)蝦青素的積累[25,26], Olsen[27]研究了鮭魚食物中脂質(zhì)含量及膽汁酸對(duì)蝦青素吸收的影響： 與魚油相比, 大豆卵磷脂能顯著降低蝦青素的吸收, 增加?；撬岷笪章士梢蕴岣?20%, 豬油也能顯著地增加血液中蝦青素的含量, 但升高卵磷脂的量卻降低了蝦青素的吸收。對(duì)此他認(rèn)為磷脂的增加有利于混合微團(tuán)的形成, 溶解性也增加, 但同時(shí)也增加了混合微團(tuán)的體積, 較難擴(kuò)散, 不易運(yùn)輸, 故大豆卵磷脂也出現(xiàn)類似的結(jié)果;對(duì)豬油為什么能增加蝦青素的吸收的具體機(jī)制不是很明確, 他猜測(cè)蝦青素溶于脂質(zhì)后, 可以更好地與膽汁酸鹽微團(tuán)結(jié)合而被運(yùn)送到腸道絨毛細(xì)胞被吸收;給鮭魚投喂含14C標(biāo)記的蝦青素五天后在腸黏膜組織中可以檢測(cè)到高含量的14C蝦青素[28]。

腸道絨毛細(xì)胞吸收不同類胡蘿卜素, 其機(jī)制不同, 對(duì)于疏水性的蝦青素, 很多學(xué)者認(rèn)為是通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞奖晃誟20,29]。Choubert等[20]研究發(fā)現(xiàn)鮭魚血液中蝦青素的濃度與食物中濃度成線性劑量關(guān)系; Olsen等[27]進(jìn)一步證實(shí)食物蝦青素的濃度是影響血液蝦青素濃度的主要因素。這表明蝦青素的吸收最可能是通過(guò)被動(dòng)方式進(jìn)行[30,31], 但蝦青素的吸收是否需要特殊蛋白的協(xié)助還需要更多的試驗(yàn)證據(jù)。

2.3 蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的代謝

盡管人們對(duì)動(dòng)物體內(nèi)蝦青素代謝的具體過(guò)程及相關(guān)的酶還不是很清楚, 但已有的研究顯示, 蝦青素的代謝方式在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)與在哺乳動(dòng)物體內(nèi)并不相同。在小鼠的離體培養(yǎng)肝細(xì)胞中, 蝦青素的代謝產(chǎn)物有 3-羥基-4-酮基-p-紫羅(蘭)酮和它的還原物 3-羥基-4-酮基-7, 8-二氫-p-紫羅(蘭)酮兩種[32]; 在人體中蝦青素代謝和小鼠類似, 但代謝產(chǎn)物有4種, 分別是 3-羥基-4-酮基-p-紫羅(蘭)酮和 3-羥基-4-酮基-p-紫羅(蘭)醇, 及它們的還原物 3-羥基-4-酮基-7, 8-二氫-p-紫羅(蘭)酮和 3-羥基-4-酮基-7, 8-二氫-p-紫羅(蘭)醇, 其中, 兩種醇類產(chǎn)物能與蛋白質(zhì)結(jié)合以復(fù)合物的形式存在[33]。Bandaranayake等[8]研究了低等的無(wú)脊椎動(dòng)物海參中色素成分及其次生產(chǎn)物, 雖不能確定蝦青素的代謝物, 但在海參的次生代謝物中并沒有檢測(cè)到與小鼠或人體中相同的代謝產(chǎn)物; 而且蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)代謝后能夠被轉(zhuǎn)化為idoxanthin和維生素A[34～39], 而在小鼠、人等的體內(nèi)卻不能[33]。表明蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物與陸生哺乳動(dòng)物體內(nèi)有不同的代謝途徑。

Idoxanthin似乎是海水魚代謝蝦青素的第一個(gè)產(chǎn)物, 給大西洋鮭投喂用14C標(biāo)記的蝦青素6 h后, 可以在血液中檢測(cè)到蝦青素的還原產(chǎn)物 idoxanthin[40];Bjerkeng等[23]也檢測(cè)到投喂蝦青素的大西洋鮭和大比目魚的血液、肝臟及全腎中都含idoxanthin, 由此他推測(cè)蝦青素在兩種魚體內(nèi)代謝方式可能是一致的,但有關(guān)idoxanthin的代謝缺乏相關(guān)報(bào)道。蝦青素被轉(zhuǎn)化為維生素 A在大西洋鮭[35]、比目魚(Hippoglossus hippoglossus )[41]、淡水孔雀魚(Lebistes reticulatus)和雜色劍尾魚(Xiphophorus variatus)[42]中都有報(bào)道, 但在甲殼動(dòng)物中似乎缺乏這種能力[43]。

在魚類腸道中蝦青素的代謝比較復(fù)雜, Schiedt等[35]和Al-Khalifa等[36]發(fā)現(xiàn)缺乏維生素A時(shí)大西洋鮭腸道中大量的蝦青素被轉(zhuǎn)化為維生素 A1和 A2;Schiedt等[44]等還檢測(cè)到大西洋鮭腸道中78%的蝦青素被轉(zhuǎn)化為idoxanthin; Guillou等[45]通過(guò)同位素標(biāo)記在虹鱒魚腸道中檢測(cè)到蝦青素可以被代謝為金盞花黃質(zhì)(adonirubin)。此外, 一些文獻(xiàn)中提到蝦青素能逆轉(zhuǎn)化為 β-胡蘿卜素及玉米黃質(zhì)[46]?？梢娔c道組織是蝦青素代謝重要場(chǎng)所。

3 蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)沉積

3.1 蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)

Ando等[47]發(fā)現(xiàn)在大西洋鮭血液中蝦青素與脂蛋白結(jié)合, 同時(shí)也能與另一種不含脂質(zhì)、大小與血清蛋白類似的高密度蛋白(HDPF)結(jié)合; Aas等[40]給大西洋鮭投喂14C標(biāo)記的蝦青素, 6 h后血液中可以檢測(cè)到含14C標(biāo)記的蝦青素, 之后迅速上升, 30 h后飽和, 血液中HDPF、HDL、LDL含14C標(biāo)記的蝦青素,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58%、36%、6%。這表明蝦青素可能和脂質(zhì)一樣, 通過(guò)這些蛋白載體運(yùn)輸?shù)礁鹘M織中, 但只具有這些蛋白受體的組織細(xì)胞才能存儲(chǔ)蝦青素[47]。

Kitahara[48]發(fā)現(xiàn)在雌鮭魚性成熟過(guò)程中肌肉中的蝦青素也可通過(guò)血清脂蛋白運(yùn)輸?shù)铰押透贡荒ぶ?之后卵黃蛋白原被發(fā)現(xiàn)也參與了此過(guò)程[49,50]。

Bjerkeng等[23]通過(guò)比較大西洋鮭和大比目魚對(duì)蝦青素的積累, 發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)112 d的養(yǎng)殖, 鮭體內(nèi)蝦青素的質(zhì)量比(2.5 mg/kg)顯著地高于比目魚體內(nèi)蝦青素的質(zhì)量比(0.04 mg/kg); Sarah等[51]研究發(fā)現(xiàn)大西洋鮭肌肉中與蝦青素結(jié)合的蛋白為α-輔肌動(dòng)蛋白,比目魚中也存在能與蝦青素結(jié)合的α-輔肌動(dòng)蛋白。結(jié)合Bjerkeng的研究[23], Sarah推測(cè)比目魚含蝦青素低的原因可能是不同動(dòng)物體內(nèi)除蝦青素的代謝途徑不同外, 蝦青素轉(zhuǎn)運(yùn)沉積能力也有很大不同, 結(jié)合蛋白不是蝦青素積累的限制因素。

3.2 蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的沉積

蝦青素經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)各組織后, 以蝦青素酯或類胡蘿卜素蛋白質(zhì)復(fù)合物形式暫時(shí)儲(chǔ)存, 因?yàn)? 游離態(tài)蝦青素的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定, 而酯化形式或類胡蘿卜素蛋白質(zhì)結(jié)合形式的蝦青素能夠穩(wěn)定地存在[52]。游離蝦青素以及與類胡蘿卜素蛋白結(jié)合形式要沉積在動(dòng)物體內(nèi), 仍需要經(jīng)過(guò)酯化作用[53]?？梢?酯化作用對(duì)蝦青素在動(dòng)物體內(nèi)的沉積具有重要作用。但不同種類動(dòng)物、同一動(dòng)物不同組織中, 蝦青素的儲(chǔ)存形式略有不同, 如在鮭魚的皮膚中, 蝦青素以單酯或雙酯的形式存在, 在肌肉中則以游離形式存在[54]; Dall等[16]發(fā)現(xiàn)在老虎對(duì)蝦 Penaeus esculentus表皮中, 蝦青素主要以單酯和雙酯的形式存在,但性腺在成熟過(guò)程中, 游離蝦青素濃度急劇升高可達(dá)總量的 80%, 并推測(cè)蝦青素在這種對(duì)蝦的卵及幼蟲的發(fā)育過(guò)程中有重要的作用。蝦青素的這種功能在后來(lái)的研究中得到很好的體現(xiàn), 如 Sawanboonchun等[55]發(fā)現(xiàn)在飼料中添加蝦青素后大西洋鱈產(chǎn)卵量稍減, 但卵的質(zhì)量、孵化率卻明顯比對(duì)照組高。此外,蝦青素酯可能有利于蝦青素的大量存儲(chǔ)和在組織間的轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)血液及組織中游離蝦青素含量升高時(shí)合成蝦青素酯大量?jī)?chǔ)存在某些組織中, 當(dāng)血液及組織中游離蝦青素含量降低時(shí)蝦青素酯水解釋放游離的蝦青素維持各組織中蝦青素濃度的動(dòng)態(tài)平衡, 如在天鵝龍蝦Panulirus cygnus性成熟過(guò)程中, 剛蛻下的紅色殼中蝦青素含量(以蝦青素酯形式存在)是新生白色殼的2.4倍, 但表皮中游離的蝦青素在蛻殼前后變化不大[51]; 另外, 酯化的蝦青素也可能有具有某些生理功能, 如Wade認(rèn)為酯化的蝦青素在天鵝龍蝦中可促進(jìn)蝦青素分泌進(jìn)入外骨骼[51]。

蝦青素在海產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的沉積一方面與環(huán)境因素有關(guān), 如食物、溫度、棲息地背景色、光周期等[56],另一方面也與其自身的遺傳因素有關(guān), 如 Melville-Smith 等[57]發(fā)現(xiàn)天鵝龍蝦體色的改變可能更多的取決于體內(nèi)某些編碼分子的改變, 環(huán)境因素的作用是微效的; Tlusty等[58]在研究全同胞美洲螯龍蝦蝦青素沉積后也發(fā)現(xiàn)遺傳因素起到了重要的作用; Bjerkeng等[23]、Sarah等[51]發(fā)現(xiàn)與同樣攝取含蝦青素食物的鮭魚相比, 大比目魚的 ADC顯著高于大西洋鮭, 但大比目魚對(duì)蝦青素的保持率幾乎為零, 導(dǎo)致其體內(nèi)蝦青素的積累量極低, 可見高的ADC并不意味著能更多的積累蝦青素; 另外, Bjerkeng等[23]的研究顯示組織對(duì)不同構(gòu)型的蝦青素的沉積具有選擇性, 鮭魚肌肉和血液只保持全反式結(jié)構(gòu)的蝦青素, 而 13Z-蝦青素只在肝臟和腎中積累。以上研究結(jié)果表明, 通過(guò)定向遺傳選育, 培育出蝦青素轉(zhuǎn)化率及積累量高、具多種營(yíng)養(yǎng)功能的海產(chǎn)動(dòng)物新品種是可能的, 也為人們從自然界獲取更多的蝦青素提供了新思路。

4 展望

蝦青素在動(dòng)物體內(nèi)的沉積轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝吸收相當(dāng)復(fù)雜, 許多過(guò)程還需更深入的探索, 如蝦青素酯化的細(xì)微過(guò)程、細(xì)胞吸收的具體機(jī)制、代謝的清晰途徑、轉(zhuǎn)運(yùn)與沉積中的基因控制等。由于蝦青素的重要商業(yè)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景, 闡明這些過(guò)程不但更有益于蝦青素的商業(yè)利用, 而且從生理、生化、遺傳等多個(gè)角度闡明動(dòng)物體內(nèi)蝦青素的來(lái)源、轉(zhuǎn)運(yùn)、沉積、代謝等機(jī)制對(duì)培育富含蝦青素的海產(chǎn)動(dòng)物新品種具有重要指導(dǎo)意義。

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S968

A

1000-3096(2010)04-0104-05

2009-03-18;

2009-07-02

廣東省海洋漁業(yè)科技推廣專項(xiàng)項(xiàng)目(A200899E03); 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2009B090300344)

劉合露(1984-), 男, 湖北黃石人, 碩士研究生, 電話：0754-82903285, E-mail： 08glliu@stu.edu.cn, 研究方向： 貝類遺傳育種;鄭懷平, 通信作者, 電話： 0754-82903285, E-mail： hpzheng@stu.edu.cn

(本文編輯： 康亦兼)