核苷酸對幼齡動(dòng)物腸道發(fā)育和免疫功能的影響

■C.D.Mateo H.H.Stein

(美國南達(dá)科他州立大學(xué)動(dòng)物科學(xué)系，美國布魯金斯市南達(dá)科他州 57007)

1 核苷酸

核苷酸是自然界普遍存在的分子，其結(jié)構(gòu)多種多樣。核苷酸是由一個(gè)含氮堿基連接在至少有一個(gè)磷酸基團(tuán)的戊糖上（見圖1）。戊糖在RNA中是核糖，而在DNA中是2'-脫氧核糖。核苷酸的堿基可能是嘌呤、嘧啶中的一種。嘧啶堿基是一個(gè)六環(huán)結(jié)構(gòu)，包括尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶（見表1）。磷酸基團(tuán)可以是一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)磷酸的結(jié)構(gòu)，而且通常與戊糖的C-5'羥基結(jié)合(Rudolph,1994)。

圖1 核苷酸結(jié)構(gòu)

表1 核苷酸術(shù)語

當(dāng)未結(jié)合磷酸基團(tuán)時(shí),核苷酸變?yōu)楹塑铡A基(嘧啶的N-1氮與嘌呤N-3氮)和戊糖(C-1碳)之間由糖苷鍵連接形成核苷(Voet等,1995)。在相鄰核苷酸戊糖的3'、5'位點(diǎn)之間形成磷酸二酯鍵從而形成核苷酸鏈,我們稱之為核酸。核酸與蛋白結(jié)合形成核蛋白。

2 食品和飼料中的核苷酸

在高蛋白食品中富含核苷酸，特別是肌酐酸IMP(Carver等，1995)。通常來說，由細(xì)胞組成的飼料或食品都是日糧核苷酸（以核蛋白的形式）的來源。肉類內(nèi)臟、雞肉和海產(chǎn)品中富含核蛋白(Kojima，1974；Clifford等，1976；Barness，1994)。單細(xì)胞蛋白、面包酵母、啤酒酵母、酵母提取物是核苷酸含量較高的原料（Maloney，1998；Ingledew，1999；Tibbets，2002）。飼料原料通常不會(huì)分析其中核苷酸的含量，大部分常用的原料核苷酸含量都相對較低。一些原料的核苷酸含量見表2。

不同動(dòng)物乳汁中核苷酸的含量不同，而且哺乳期不同核苷酸含量也會(huì)有變動(dòng)(Johke，1963；Gil等，1981；Gil等，1982a；Mateo等，2004b)。在本試驗(yàn)室最近的一項(xiàng)試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)母豬乳汁中5'AMP、5'CMP、5'GMP、5'IMP和5'UMP在哺乳期前兩周有變化，在之后變化濃度相對比較穩(wěn)定(Mateo等，2004b)（具體見表3）。

由于不同動(dòng)物乳汁中核苷酸含量的不同，那么很可能不同動(dòng)物對核苷酸的需要量也會(huì)不同，但是我們現(xiàn)在沒有關(guān)于動(dòng)物核苷酸需要量的任何數(shù)據(jù)。在應(yīng)激和快速生長階段，動(dòng)物對核苷酸的需要量增加。因此，家畜在斷奶階段對核苷酸的需要量可能會(huì)增加。本試驗(yàn)的目的就是研究如何解決這個(gè)問題。

3 核苷酸的消化、吸收和代謝

日糧中的核蛋白、核酸、核苷酸在吸收前需經(jīng)過酶解，因?yàn)橹挥泻塑铡A基和少量的核苷酸能被直接吸收。小腸是消化吸收的主要位點(diǎn)。內(nèi)切核苷酸酶、磷酸二酯酶、核苷磷酯化酶是消化吸收過程中的主要酶類(見圖2)。這些酶來源于小腸的刷狀緣上皮(Markiewicz，1983；Morley等，1987)、胰液(Weickman 等，1981)和膽汁(Holdsworth等，1975)。與成年人不同，嬰幼兒對核苷酸確切的消化機(jī)理還未知(Carver等，1995)。但是，Thorell等(1996)評(píng)估了嬰幼兒對核酸和核苷酸的消化代謝能力，研究結(jié)果表明，胎兒小腸中存在核苷酸代謝相關(guān)酶類。

表3 不同動(dòng)物乳汁中AMP、GMP、IMP、CMP、UMP的含量(μmoles/100 ml)ab

圖2 核苷酸的消化吸收（來源于Quan等，1991）

十二指腸對核苷酸類物質(zhì)的吸收能力最強(qiáng)(Bronk等，1987)。不同核苷酸的吸收效率不同，而鳥苷的吸收速度最快(Sanderson等，1994)。在生理狀態(tài)下，核苷酸通過細(xì)胞膜的能力有限(Sanderson等，1994)?？赡苁且?yàn)槿狈ο嚓P(guān)核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。核苷酸還含有高負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)，阻礙了其吸收。因此，核苷是嘌呤和嘧啶進(jìn)入上皮細(xì)胞的主要形式。日糧和內(nèi)源的核苷及堿基的90%以上被吸收進(jìn)入上皮細(xì)胞(Salati等，1984；Uauy，1989)。核苷進(jìn)入上皮細(xì)胞通過協(xié)助擴(kuò)散和特定的Na+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制(Bronk等，1987)。

部分吸收的核苷酸和核苷從上皮細(xì)胞中進(jìn)入肝門靜脈。這些分子轉(zhuǎn)運(yùn)至肝細(xì)胞中進(jìn)一步代謝。部分分子分解釋放至血液循環(huán)中，進(jìn)入肌肉組織中。如果這些產(chǎn)物未被重新利用生成核酸，或者未被某些組織吸收利用，嘌呤和嘧啶將其分解為尿酸和β-丙氨酸或β-氨基異丁酸(Rudolph，1994；Carver等，1995；Thorell等，1996)。除靈長類外的哺乳動(dòng)物，尿酸進(jìn)一步被尿酸酶分解為尿囊素，然后尿囊素排入尿液中。在禽類和靈長類動(dòng)物中，尿酸通過尿液直接排出。嘧啶的分解代謝產(chǎn)物（如β-丙氨酸或β-氨基異丁酸）進(jìn)一步分解為NH3、CO2和乙酰輔酶A。

4 核苷酸的合成

如果原料具備，人類和動(dòng)物都能從頭合成核苷酸。這個(gè)過程在上皮細(xì)胞的胞液中進(jìn)行，其中含嘌呤和嘧啶合成所需的各種酶。肌苷酸是由α-D-核糖-5-磷酸通過11個(gè)反應(yīng)合成的。在第一個(gè)反應(yīng)中，α-D-核糖-5-磷酸在碳1位點(diǎn)與ATP供應(yīng)的磷酸基團(tuán)磷酸化形成磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。在第二個(gè)反應(yīng)中，一個(gè)N-糖苷鍵合成5-磷酸核糖胺，谷氨酰胺是氮的提供者。甘氨酸、天冬氨酸和四氫葉酸是IMP合成過程中需要的其他前體物。IMP通過腺苷酸基琥珀酸和單磷酸黃嘌呤核苷分別合成腺嘌呤和鳥嘌呤（Rodwell，2000）。嘧啶合成的前體物有氨甲酰磷酸和天冬氨酸。尿嘧啶的合成需要6步反應(yīng)。尿嘧啶（UMP）脫磷酸生成二磷酸尿嘧啶，隨后轉(zhuǎn)化為胞嘧啶和胸腺嘧啶。胞嘧啶和胸腺嘧啶的合成過程中分別需要谷氨酰胺和N5N10-甲烯四氫葉酸（Rodwell，2000）。內(nèi)源合成嘌呤和嘧啶是一個(gè)需要消耗大量ATP的過程。

從核苷和無機(jī)磷酸合成核苷酸是一個(gè)內(nèi)源補(bǔ)救合成途徑。其中核苷可能來源于日糧中的核苷酸，因?yàn)榇蟛糠趾塑账嵩谖涨岸冀到鉃楹塑铡＿@個(gè)途徑同樣也能將核苷酸分解生成的核苷磷酸化重新生成核苷酸。這個(gè)途徑能有效節(jié)省能量，而且能讓不能從頭合成核苷酸的細(xì)胞（如：白細(xì)胞、紅細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、腸道黏膜細(xì)胞、淋巴細(xì)胞）能維持其核苷酸池(Sanderson等，1994)。

嘌呤和嘧啶合成的摩爾量是相同的。合成受到反饋調(diào)節(jié)和變構(gòu)調(diào)節(jié)的嚴(yán)格控制(Rodwell，2000)。

5 核苷酸的儲(chǔ)存

核苷酸代謝以穩(wěn)定的合成和分解為特點(diǎn)。動(dòng)物示蹤素的研究結(jié)果表明，2%～5%的日糧核苷酸存留在小腸、肝臟和骨骼肌代謝池中（Saviano等，1978）。也有研究表明，當(dāng)動(dòng)物為幼齡動(dòng)物（Kobota，1969）或者處于饑餓狀態(tài)（Saviano 等，1978；Gross等，1991）時(shí)，組織中存留的核苷酸會(huì)增加，這可能是生理需求的表現(xiàn)。核苷酸代謝池在分化細(xì)胞中（如癌細(xì)胞）比未分化細(xì)胞中（如正常細(xì)胞）更大（Sanderson等，1994）。這表明未分化細(xì)胞更依賴于日糧提供的核苷酸。

6 核苷酸的生理功能

所有細(xì)胞中核苷酸的濃度基本保持不變，而脫氧核苷酸在細(xì)胞的不同周期含量變化較大(Barness，1994)。核苷酸是核酸（如DNA和RNA）的基本組成單位。但是，核苷酸在機(jī)體內(nèi)還有其他的生理功能，如能量來源（ATP和GTP）、氧化反應(yīng)的輔因子(如FAD、NAD+和 NADP+)、生理調(diào)節(jié)因子(如cAMP和 cGMP)和轉(zhuǎn)運(yùn)活性物質(zhì)(如UDP-葡萄糖、CMP-唾液酸和CDP-膽堿)和輔酶基團(tuán)(如 CoA)。

快速分裂組織中DNA復(fù)制和RNA的合成速度都有提高（Cory，1992）。因?yàn)楹塑账崾荝NA合成的單位，在受傷或營養(yǎng)缺乏后新組織的再生加速了（Iwasa等，1997；Yamauchi等，1998）。發(fā)生在細(xì)胞周期S階段的DNA復(fù)制時(shí)，嘌呤和嘧啶的合成酶活性增加，核苷酸相互轉(zhuǎn)化增加（Carver等，1995）。因此，在細(xì)胞分化和生長期間核苷酸的需要增加（Tsujinaka等，1999）。

日糧核苷酸同時(shí)還與細(xì)胞免疫和體液免疫相關(guān)，但是其確切的機(jī)理還不清楚。核苷酸的缺乏引起T細(xì)胞停留在細(xì)胞周期的G階段，阻止對在轉(zhuǎn)化成S階段時(shí)產(chǎn)生的各種免疫信號(hào)的反應(yīng)(Kulkarni等，1994)。同時(shí)缺乏核苷酸還能引起吞噬活性、淋巴因子生成的降低，阻礙淋巴細(xì)胞的成熟(Paubert-Braquet等，1992)。日糧核苷酸有助于增加可利用的核苷，促進(jìn)白細(xì)胞的生成(Kulkarni等，1994；Carver等，1995)。因此，在免疫激發(fā)期間，動(dòng)物對核苷酸的需要量增加。

嬰幼兒的抗體免疫反應(yīng)中日糧因素發(fā)揮了一定的作用。嬰兒食用強(qiáng)化的核苷酸奶粉有更好的免疫反應(yīng)，因?yàn)榭梢栽鰪?qiáng)體液免疫反應(yīng)（Fanslow等，1988；Pickering等，1998），增加細(xì)胞因子生產(chǎn)（Carver等，1991）。老鼠日糧中添加核苷酸的活體試驗(yàn)結(jié)果與此類似(Jyonouchi等，1993；Jyonouchi，1994)。無核苷酸日糧中添加單核苷酸(如AMP、GMP或UMP)可以增加免疫球蛋白的濃度(Navarro等，1996)。脂多糖攻毒的新生公牛代乳粉中補(bǔ)充純核苷酸有提高IgG水平的趨勢(Oliver等，2003)。核苷酸同樣能增加50%和30%植物血凝素和伴刀豆球蛋白A攻毒斷奶仔豬的淋巴細(xì)胞水平(Zomborsky-Kovacs等，1998)。給受血藍(lán)蛋白和非特異性T細(xì)胞分裂素攻毒的仔豬飼喂酵母RNA也能得到類似的結(jié)果(Cameron等，2001)。 受大腸桿菌感染的仔豬日糧中添加酵母提取物作為核苷酸來源可以減少腹瀉，改善增重和飼料轉(zhuǎn)化效率(Maribo，2003)。這些試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，日糧核苷酸在維持、發(fā)育、提高免疫系統(tǒng)功能方面具有一定的作用。

日糧核苷酸提高腸道對鐵的吸收，影響脂蛋白和多不飽和脂肪酸的代謝，改善腸道黏膜和肝的營養(yǎng)，降低腹瀉幾率（Cosgrove，1998；Schlimme等，2000）。喂食添加了核苷酸奶粉的嬰兒糞便菌群中，雙歧桿菌占優(yōu)勢（Tanaka等，1980），而在未添加核苷酸的糞便中腸細(xì)菌占優(yōu)勢（Uauy，1994）。這些研究結(jié)果表明核苷酸能改善腸道中的菌群，從而導(dǎo)致腸道pH值較低，阻礙病原菌的增殖，表現(xiàn)為較少腹瀉（Yu，1998）。

核苷酸能增強(qiáng)接種白色念珠菌(Fanslow等，1988)和金黃色葡萄球菌(Kulkarni等，1986；Carver，1994)的老鼠對細(xì)菌的抵抗力。腹腔注射核苷酸和核苷能減少細(xì)菌轉(zhuǎn)移和菌落數(shù)，增加耐受甲氧西林金黃色葡萄球菌攻毒小鼠的存活率(Yamamoto等，1997)。因此，核苷酸能提高動(dòng)物對許多病原菌的抵抗力。

犢牛代乳粉中添加酵母提取物的核苷酸，從糞便評(píng)分中看出可改善腸道健康 (Oliver等，2002)。核苷酸（含量與人類乳汁中相似）可以保護(hù)小豬腸道免受缺血再灌注導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)(Bustamante等，1994)。

日糧核苷通過增加小腸黏膜蛋白、DNA的表達(dá)，更高的絨毛，增加麥芽糖酶和乳糖酶的比值，表明其可以增強(qiáng)腸道上皮細(xì)胞的生長和成熟(Uauy等，1990；Carver，1994)。日糧核苷酸還能促進(jìn)腸上皮細(xì)胞分化(Sanderson等，1994)。腸外補(bǔ)充核酸能提高黏膜濕重、蛋白和DNA含量、絨毛高度，降低空腸黏膜緊密連接的寬度(使連接更緊密)(Kishibuchi等，1997；Tsujinaka等，1999)。而胃腸道的發(fā)育情況直接影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，最終影響生長性能。由于核苷酸在維持腸道形態(tài)和成熟方面的作用，為了維持仔豬斷奶階段腸道的結(jié)構(gòu)和功能，在日糧中補(bǔ)充核苷酸是必要的。

7 斷奶仔豬日糧中是否需要補(bǔ)充核苷酸

動(dòng)物處于免疫抑制、快速生長或應(yīng)激階段時(shí)對核苷酸的需要量增加。剛斷奶仔豬，所有這些狀況在剛斷奶仔豬上都存在。因此，我們認(rèn)為斷奶仔豬對核苷酸需要量很高。由于核苷酸的合成需要能量和谷氨酰胺，斷奶仔豬經(jīng)常處于能量和谷氨酰胺缺乏的狀況，有可能其不能合成足夠的核苷酸滿足需要。如果假設(shè)成立，那么在日糧中必須添加核苷酸。在一個(gè)典型斷奶仔豬配方中，5'CMP的濃度與母豬哺乳后期乳汁干物質(zhì)中的含量接近 ，但是5'AMP、5'GMP、5'IMP和 5'UMP比乳汁中的濃度低很多(見表4)。假設(shè)母豬乳汁中核苷酸的濃度代表了仔豬核苷酸的需要，那么很明顯仔豬日糧中缺乏五種核苷酸中的四種。因此在這些日糧中添加核苷酸是有益的。本試驗(yàn)室最近做的一個(gè)試驗(yàn)研究了教槽料中添加核苷的效果。使用核苷的原因是核苷酸在吸收前必須降解為核苷。在斷奶后0、7、14 d收集仔豬血液和糞便樣品，血樣分析IgG含量，糞便樣品中分析微生物菌群。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加核苷酸能降低糞便中產(chǎn)氣莢膜桿菌數(shù)量。斷奶后第14 d，核苷酸能提高糞便中嗜酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量(Mateo等，2004a)。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，斷奶仔豬日糧中添加核苷酸能降低產(chǎn)氣莢膜菌數(shù)量，增加嗜酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量，從而改善腸道菌群。隨后的體外試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，核苷酸具有抑制產(chǎn)氣莢膜菌和大腸桿菌的能力。結(jié)果表明，在仔豬日糧中添加核苷能改善腸道健康、減少腹瀉，提高生長性能。盡管以上試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)提高血清IgG水平，但是核苷酸可能通過改善腸道健康改善機(jī)體免疫功能。腸細(xì)菌的減少和有益菌（嗜酸桿菌和雙歧桿菌）的增加可能改善腸道形態(tài)，提高營養(yǎng)攝入。

表4 典型教槽料中核苷酸的含量（計(jì)算值）a

8 結(jié)論

核苷酸具有多種多樣的分子結(jié)構(gòu)。是由含氮堿基與至少含一個(gè)磷酸基團(tuán)的戊糖連接而成。食品和飼料原料都能提供核苷酸。核苷酸在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理功能、胃腸道和免疫功能。幼齡動(dòng)物代謝核酸的確切機(jī)理還不十分清楚。與補(bǔ)救合成相比，從頭合成核苷酸需要消耗大量能量和底物。在快速生長發(fā)育、疾病、創(chuàng)傷或應(yīng)激狀態(tài)下，日糧中補(bǔ)充核苷酸能促進(jìn)免疫系統(tǒng)發(fā)育，維持腸道健康，節(jié)省能量。即使這樣，針對核苷酸營養(yǎng)我們還需要進(jìn)一步的、更加深入的研究。