鉻在動物營養(yǎng)中的作用及其機(jī)理研究進(jìn)展

劉進(jìn)軍，郭勇慶，劉 潔，任二軍，梁國明，韓學(xué)良

（石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，河北石家莊050041）

鉻是動物機(jī)體必需的微量元素之一，參與動物體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝，在緩解畜禽應(yīng)激、提高免疫力、改善繁殖性能、提高胴體品質(zhì)、促進(jìn)生長等方面均有明顯作用。

1 鉻的生理學(xué)功能及其作用機(jī)制

鉻最核心的生理功能是作為葡萄糖耐受因子（GTF）組成部分提高胰島素的功能而影響糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等代謝 （郭玉華等，2004）。GTF是維持動物血液中葡萄糖水平正常的一種物質(zhì)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)尚不完全清楚，但通常認(rèn)為是一種鉻的煙酸鹽。

1.1 鉻在糖代謝中的作用

1.1.1 鉻與葡萄糖耐受因子 鉻在維持動物體內(nèi)血糖濃度平衡系統(tǒng)中起著重要作用，而在血糖濃度平衡系統(tǒng)中具有重要作用的兩種活性物質(zhì)分別是胰島素和GTF。GTF是胰島素的協(xié)同因子，可以協(xié)助和加強(qiáng)胰島素在體內(nèi)的作用，而鉻是GTF的主要活性成分，所以鉻的典型生物學(xué)功能是作為胰島素的增強(qiáng)劑。家畜采食后體內(nèi)未被利用的葡萄糖通常以肝糖元的形式貯存于肝臟中，或轉(zhuǎn)變?yōu)槿８视妥鳛槟芰康膬?，這兩種轉(zhuǎn)化都需胰島素的作用才能完成，胰島素是糖代謝的核心物質(zhì)，而胰島素是通過與細(xì)胞表面特定受體接觸而發(fā)揮作用的，三價鉻形成的GTF能夠增加細(xì)胞表面胰島素受體數(shù)量或激活胰島素與細(xì)胞膜受體之間的二硫鍵形成以促進(jìn)胰島素與特定受體的結(jié)合，或二者同時作用，以促進(jìn)肝糖元生成，抑制糖元分解，刺激組織細(xì)胞對葡萄糖的攝取，并促進(jìn)糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹荆瑥亩寡墙档?，從而提高糖元合成量，使葡萄糖迅速轉(zhuǎn)移到組織并被利用。

鉻的主要作用發(fā)生在葡萄糖利用的最初階段，在給豬飼喂0.2 mg/kg甲基吡啶鉻后，葡萄糖的消失率提高，半衰期縮短，證實鉻提高了組織對胰島素的敏感性 （Amoikon等，1995）。 劉兵等（2006）研究發(fā)現(xiàn)，添加吡啶羧酸鉻能顯著降低豬血清中葡萄糖的含量。

1.1.2 鉻與葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4和胰島素受體底物-1 葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4（GLUT-4）是胰島素及其受體系統(tǒng)發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵物質(zhì)。吳蘊(yùn)棠等（2005）研究了鉻對糖尿病大鼠骨骼肌組織基因表達(dá)的調(diào)控作用。在試驗中運用mRNA差異顯示技術(shù)探討鉻對糖尿病大鼠代謝相關(guān)基因表達(dá)的影響，為闡明鉻調(diào)控糖尿病代謝紊亂的分子機(jī)制提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。同源性比較結(jié)果顯示Cr-3與GLUT-4的同源性為98%；Cr-5與胰島素受體底物-1（IRS-1）的同源性為100%，RT-PCR驗證結(jié)果顯示GLUT-4表達(dá)量在糖尿病補(bǔ)鉻組高于糖尿病對照組。從而得出結(jié)論為：鉻可誘導(dǎo)糖尿病大鼠骨骼肌中GLUT-4 mRNA的表達(dá)，這可能是鉻改善糖尿病糖、脂代謝紊亂的分子機(jī)制之一。Chen等（2006）研究認(rèn)為，吡啶羧酸鉻可以增強(qiáng)胰島素刺激后的GLUT-4轉(zhuǎn)位，但機(jī)制卻與胰島素信號通路無關(guān)，而與吡啶羧酸鉻降低細(xì)胞膜膽固醇的含量有關(guān)。

研究表明，三價鉻化合物可以增加胰島素受體（IR）的數(shù)量和活性，可以使胰島素信號通路中蛋白激酶B的磷酸化增強(qiáng)，但對胰島素受體底物（IRS）并沒有使其磷酸化表達(dá)增強(qiáng)的作用（王毅群和姚明輝，2007）。IRS-1是一種受體后信號傳導(dǎo)蛋白，是胰島素受體底物（IRSs）蛋白家族中的一員，廣泛分布于胰島素敏感組織內(nèi)。胰島素一旦結(jié)合于IR，不僅使IR自身β亞基膜內(nèi)部分的酪氨酸殘基磷酸化，提高其酪氨酸蛋白激酶活性，還使其膜內(nèi)底物即胰島素受體底物（IRSs）的酪氨酸殘基磷酸化。IRSs作為一種船塢蛋白，它的磷酸化為下游的信號傳導(dǎo)蛋白提供了一個高親和力的位點，募集下游含有SH2功能域的信號分子與之結(jié)合，即通過與磷脂酰肌醇3-激酶（PI3-K）的P85亞基結(jié)合并招募催化亞基P110，從而激活PI3-K，而PI3-K的激活是GLUT-4從胞內(nèi)到脂膜易位的關(guān)鍵，最終導(dǎo)致GLUT-4轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜上。孫忠等（2005）研究了補(bǔ)鉻對糖尿病大鼠骨骼肌IRS-1基因表達(dá)的影響，研究結(jié)果表明糖尿病對照組IRS-1 mRNA表達(dá)量 （0.791±0.038） 低于正常對照組 （0.892±0.053，P ＜ 0.05），糖尿病補(bǔ)鉻組 IRS-1 mRNA 的表達(dá)量 （0.822±0.066）與糖尿病對照組相比有所恢復(fù)，但尚未恢復(fù)到正常水平（P＞0.05）。從而得出結(jié)論：補(bǔ)鉻對糖尿病大鼠骨骼肌IRS-1 mRNA表達(dá)有上調(diào)趨勢，Cr-5將作為候選基因有待于進(jìn)一步研究；并說明IRS-1表達(dá)水平的降低可能是產(chǎn)生胰島素抵抗的原因之一，這為闡明鉻改善糖尿病大鼠糖、脂代謝紊亂分子機(jī)制提供了線索。

1.2 鉻在脂肪代謝中的作用 三價鉻作為葡萄糖耐量因子不僅參與碳水化合物的代謝，還參與脂肪的代謝過程。試驗表明，微量元素鉻和脂肪代謝密切相關(guān)（陳炳卿，1992）。鉻對脂類代謝的影響主要是參與維持血液中正常膽固醇水平（Page等，1993）。研究表明，鉻在體內(nèi)血清膽固醇平衡中起作用，主要通過兩個機(jī)制調(diào)節(jié)脂類代謝：一是缺鉻胰島素活性降低，并通過糖代謝誘發(fā)脂類代謝紊亂，而補(bǔ)鉻可增加胰島素活性而調(diào)節(jié)脂代謝，從而改善血脂狀況；二是鉻可增強(qiáng)脂蛋白脂酶（LPL）和卵磷脂膽固醇?；D(zhuǎn)移酶（LCAT）活性，這兩種酶參加高密度脂蛋白（HDL）合成，體內(nèi)缺鉻時LPL、LCAT活性下降，HDL合成減少 （郭玉華等，2004）。仲菊（1997）指出，鉻主要是通過改善糖代謝以及通過加強(qiáng)脂蛋白脂酶和卵磷脂膽固醇?；D(zhuǎn)移酶的活性來影響脂類代謝，并且作用程度顯著與否與動物機(jī)體的鉻水平、飼料、添加劑和環(huán)境因素有關(guān)。

孫長顥等（2001）證實了鉻對大鼠肥胖基因表達(dá)和體重的影響及與血糖、血脂的關(guān)系。他們分別應(yīng)用基礎(chǔ)飼料對照組、基礎(chǔ)飼料加鉻組（不同劑量的葡萄糖酸鉻）、高脂飼料對照組、高脂飼料加鉻組（不同劑量的葡萄糖酸鉻）4種日糧飼養(yǎng)80只大鼠，結(jié)果表明加鉻組與對照組相比，瘦素水平顯著降低（P ＜ 0.05）。 血糖、總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）顯著降低 （P<0.05），高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）顯著升高（P<0.05）。 從而得出結(jié)論鉻對大鼠體重的影響不大，但可抑制肥胖基因的表達(dá)，同時具有降低血糖、TC、TG和升高HDL-C的作用。陳世偉等（2004）研究了吡啶酸鉻（三價）對肥胖大鼠體重及其脂質(zhì)代謝的影響，結(jié)果表明吡啶酸鉻有改善大鼠肥胖及降低高血脂水平的作用。該研究發(fā)現(xiàn)吡啶酸鉻可降低肥胖基因的表達(dá)產(chǎn)物瘦素水平，提示吡啶酸鉻可能是通過降低瘦素內(nèi)源性抵抗等內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用來實現(xiàn)減肥作用的。

郭艷麗等（1999）、劉彩霓和咼于明（1997）使用酵母鉻后都發(fā)現(xiàn)肉仔雞的腹脂減少，脂肪代謝受到影響。喬富強(qiáng)等（2007）通過研究也發(fā)現(xiàn)有機(jī)鉻影響了肉雞的脂質(zhì)代謝，與錳互作，有顯著降低肉雞脂肪沉積的趨勢。段銘等（2003）研究了吡啶羧酸鉻對肉仔雞血清生化指標(biāo)及肝臟中相關(guān)酶基因表達(dá)的影響，結(jié)果表明給4～6周齡肉仔雞日糧中添加1 mg/kg吡啶羧酸鉻后，TG、TC、低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白均有下降的趨勢，而高密度脂蛋白有上升的趨勢，但是差異均不顯著（P＞0.05）。運用RT-PCR定量三種基因（脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶、β-羥甲基戊二酰輔酶A還原酶基因）的mRNA，結(jié)果表明添加鉻后脂肪酸合成酶和β-羥甲基戊二酰輔酶A還原酶的轉(zhuǎn)錄明顯受到影響，分別比對照組下降34.82%和48.26%，而乙酰輔酶A羧化酶受影響很小，其轉(zhuǎn)錄僅下降了3.87%。從而得出與郭艷麗（1999）、劉彩霓和咼于明（1997）相似的結(jié)論：在日糧中添加有機(jī)鉻可以影響動物的脂肪代謝。但段銘等（2003）認(rèn)為，試驗日糧中添加1 mg/kg吡啶羧酸鉻對肉仔雞機(jī)體內(nèi)脂肪代謝的影響程度不明顯。

1.3 鉻在蛋白質(zhì)及核酸代謝中的作用

1.3.1 鉻與蛋白質(zhì)代謝 鉻對蛋白質(zhì)代謝的影響主要是促進(jìn)氨基酸進(jìn)入細(xì)胞，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。這是因為鉻可通過加強(qiáng)胰島素功能起到類似營養(yǎng)再分配劑的“定向沉積作用”，通過改變機(jī)體營養(yǎng)的流向，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)趨向于肌肉生長，而不是轉(zhuǎn)化為脂肪 （徐桂英等，2006）。朱良印和鄭林英（2006）研究結(jié)果表明，鉻可能通過啟動胰島素與其受體細(xì)胞膜的二硫鍵連接而促進(jìn)葡萄糖與氨基酸進(jìn)入細(xì)胞，在生長激素及類胰島素生長因子I的作用下，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成。另一種觀點表明，鉻可能通過促進(jìn)甘氨酸、絲氨酸和蛋氨酸等氨基酸在組織內(nèi)的貯存，增強(qiáng)肝臟利用甘氨酸、絲氨酸、蛋氨酸合成蛋白質(zhì)的能力。

Kim等（1997）研究表明，在雞日糧中添加0.4 mg/kg鉻可促進(jìn)日糧蛋白質(zhì)利用水平提高，消化代謝試驗結(jié)果表明補(bǔ)鉻組比對照組雞群氨的排泄量減少了33.2%。李麗立等（2001）報道，在肉鴨日糧中添加酵母鉻，可降低干物質(zhì)排泄量15.52%，減少蛋白質(zhì)排泄9.72%，增加氮存留。張偉（2005）在用不同水平三價鉻飼喂肉仔雞時也得出與Kim等（1997）相似的結(jié)論。

1.3.2 鉻與核酸代謝 鉻與維持核酸結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)。鉻主要積累于細(xì)胞核核仁，當(dāng)DNA與鉻結(jié)合后，DNA上原有的合成RNA非活性啟動位點顯現(xiàn)出功能性；另外，核中積累的鉻可以激活核染色質(zhì)以及形成一種分子量為70 kD的鉻結(jié)合蛋白，這兩種作用共同促進(jìn)RNA的合成，這種鉻蛋白與核染色質(zhì)相結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)變得松散，增加染色質(zhì)DNA中的β結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又有利于鉻蛋白的結(jié)合并促進(jìn)RNA的合成；同時，鉻增加了合成RNA的DNA模板活性，DNA上原有的合成RNA的非活性啟動位點呈現(xiàn)出功能性，啟動位點增加，促進(jìn)RNA的合成（張偉，2005）。鉻在核酸中含量較高，有助于核酸結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性的維持。目前對其作用機(jī)制尚不清楚，但據(jù)RNA對熱變性穩(wěn)定的性質(zhì)表明，鉻在維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)中起著重要作用。鉻在細(xì)胞核中累積似乎還表明Cr3+有改變和調(diào)節(jié)基因的能力（郭玉華等，2004）。

對鉻與DNA作用的色譜學(xué)研究表明，Cr3+催化核苷三磷酸分子脫去焦磷酸，并且通過DNADNA交聯(lián)而促進(jìn)DNA的聚合（張偉，2005）。有研究表明，添加1 μmol/L的甲基吡啶鉻，可明顯促進(jìn)心肌質(zhì)膜Ca2+-ATP酶mRNA的表達(dá)及蛋白質(zhì)合成（張偉和韓友文，2000）。

2 鉻與糖、脂肪、蛋白質(zhì)及核酸代謝的綜合關(guān)系

通過大量動物試驗和臨床試驗證明，鉻可能是通過與胰島素的協(xié)同作用來發(fā)揮其生理活性而影響動物機(jī)體的糖類、脂類和蛋白質(zhì)的代謝，進(jìn)一步改變了物質(zhì)代謝的沉積和利用方向。吳永勝和董國忠（2000）提出鉻調(diào)節(jié)葡萄糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝的作用模式：當(dāng)動物采食富含鉻的日糧后，鉻經(jīng)機(jī)體吸收，能增強(qiáng)胰島素的功能，重新激活“葡萄糖支路”，加快血液中葡萄糖的遷移，即葡萄糖快速由肝臟轉(zhuǎn)移到其他組織，并被利用。食物中提供或過剩的未被利用的葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿８视?，暫時以脂肪的形式貯存，作為能量貯備庫，而不是以脂肪沉積下來。GTF鉻動員脂肪組織使其水解，生成的脂肪酸通過β-氧化途徑氧化供能，為其他組織的正常代謝或生理功能的發(fā)揮提供所需的能量。另外，血液循環(huán)中的尿素氮含量減少，表明蛋白質(zhì)合成代謝增強(qiáng)；尿素氮被部分利用作為氨基酸和蛋白質(zhì)合成的氮源。這樣就有利于蛋白質(zhì)的合成和沉積，表現(xiàn)為肌肉的增加，即有機(jī)鉻協(xié)同胰島素發(fā)揮生理作用，改變了物質(zhì)代謝的沉積和利用方向。

另外，還可從生理方面來解釋鉻與糖類等代謝的關(guān)系。補(bǔ)鉻可提高胰島素效率，一方面鉻通過提高糖元合成酶活性促進(jìn)葡萄糖合成糖元并儲存于肝臟與肌肉；另一方面，鉻提高了胰島素效率后通過抑制糖異生途徑中的關(guān)鍵酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶來抑制糖的異生，同時通過提高糖酵解限速酶——磷酸果糖激酶的活性促進(jìn)葡萄糖的酵解，促進(jìn)葡萄糖合成脂肪酸，最終通過提高三羧酸循環(huán)的效率而增強(qiáng)脂肪的分解，促進(jìn)了脂肪的利用（張偉，2005）。張偉和韓友文（2000）試驗結(jié)果表明，補(bǔ)鉻提高了脂肪酸合成酶活性；另外，鉻也增加了組織及血漿中脂蛋白脂酶的活性，而且鉻也通過提高胰島素效率增強(qiáng)了胰島素對胰高血糖素的協(xié)同脂解作用，這兩種作用共同使組織中的甘油三酯分解為游離脂肪酸，從而使血漿游離脂肪酸水平上升。能量效率的提高一方面為蛋白質(zhì)的合成提供充足的能量供給，另一方面減少了氨基酸降解供能，同時，補(bǔ)鉻促進(jìn)細(xì)胞對氨基酸的吸收，促進(jìn)了蛋白質(zhì)的吸收與沉積。

3 小結(jié)

綜上所述，鉻在動物體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝調(diào)控過程中起著一定的作用。鉻主要作為胰島素輔助因子來增強(qiáng)胰島素活性，提高動物機(jī)體對葡萄糖的耐受量，進(jìn)一步對攝入細(xì)胞中的葡萄糖和氨基酸的代謝起調(diào)節(jié)作用；鉻在調(diào)節(jié)糖代謝的同時，還能降低氨基酸代謝成尿酸隨尿排出體外的水平，從而提高機(jī)體利用氨基酸合成蛋白質(zhì)的效率；同時通過調(diào)節(jié)體內(nèi)核酸代謝以及脂類代謝，從而發(fā)揮出一系列生物學(xué)效應(yīng)。在動物生產(chǎn)中主要表現(xiàn)為鉻能改變物質(zhì)代謝的沉積和利用方向，進(jìn)一步影響動物的生長、繁殖、產(chǎn)品品質(zhì)及抗病力。闡明鉻與糖、蛋白質(zhì)等的吸收代謝關(guān)系，對于動物生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)作用，可以確定鉻在飼料中的適宜添加量，促進(jìn)動物對鉻的消化吸收及有效利用，以及減少鉻的排泄量，從而減少鉻對環(huán)境的污染。

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