動(dòng)物機(jī)體滲透壓調(diào)節(jié)及其機(jī)制

王海超，李思思，馮 杰

（浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310058）

在畜牧生產(chǎn)過(guò)程中，動(dòng)物往往會(huì)因內(nèi)外環(huán)境的變化而產(chǎn)生各種應(yīng)激。正常情況下，機(jī)體的滲透壓維持在300 mOsm/kg[1]。當(dāng)動(dòng)物遭受應(yīng)激時(shí)，動(dòng)物機(jī)體的水鹽代謝會(huì)受到影響，陰陽(yáng)離子失衡，滲透平衡遭到破壞，影響動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用[2]，進(jìn)而影響畜禽的生長(zhǎng)性能和生產(chǎn)性能及畜牧養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益。 本文主要綜述了高滲應(yīng)激對(duì)動(dòng)物機(jī)體造成的傷害和機(jī)體的滲透調(diào)節(jié)，并探討了滲透應(yīng)激的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控策略，旨在為動(dòng)物機(jī)體滲透壓調(diào)節(jié)研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 動(dòng)物生產(chǎn)過(guò)程中的滲透應(yīng)激

水是生命之源，水含量占機(jī)體60%左右[1]。構(gòu)成生命體的細(xì)胞生活在水環(huán)境中，其中在細(xì)胞內(nèi)部的液體稱(chēng)為細(xì)胞內(nèi)液，約占總含水量的2/3。在細(xì)胞外部，機(jī)體內(nèi)部的液體稱(chēng)為細(xì)胞外液，約占總含水量的1/3，主要由組織間液和血液組成，另有少量的腦脊液和淋巴液[1]。大部分細(xì)胞都處于等滲的液態(tài)環(huán)境中，而在哺乳動(dòng)物的腎臟內(nèi)髓細(xì)胞中，由于存在尿液的濃縮和稀釋?zhuān)?xì)胞外液的滲透壓波動(dòng)較大，甚至可以達(dá)到1 400 mOsm/kg[3]。飼料中含有大量的離子和養(yǎng)分，混雜在胃腸道的消化液中。作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的主要場(chǎng)所，小腸內(nèi)含有大量的水、離子及其他生物大分子等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]，因此小腸細(xì)胞在吸收時(shí)也處于高滲狀態(tài)。當(dāng)細(xì)胞外液滲透壓升高時(shí)，由于水的跨膜運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞會(huì)坍縮，從而導(dǎo)致機(jī)體脫水，損傷器官或組織。如果發(fā)生在腦部和神經(jīng)組織，會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的致命傷害[5-7]。在畜牧生產(chǎn)過(guò)程中，水鹽代謝更容易受到外界環(huán)境的干擾而產(chǎn)生滲透應(yīng)激。Lara等[8]發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激的家禽大量分泌汗液導(dǎo)致水分流失，呼吸頻率增加引起呼吸性堿中毒，血液中鈣離子濃度降低，降低了蛋品質(zhì)和生產(chǎn)性能。以腹瀉為典型癥狀的斷奶應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體大量脫水，滲透平衡遭到破壞，嚴(yán)重影響了動(dòng)物的生長(zhǎng)性能[9]。當(dāng)機(jī)體受到病菌感染時(shí)，細(xì)胞的通透性會(huì)發(fā)生改變，離子和水分可以自由進(jìn)出細(xì)胞，病菌的代謝產(chǎn)物也會(huì)進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致機(jī)體的免疫力下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使動(dòng)物發(fā)病[10]。

2 高滲對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的傷害

在高滲環(huán)境中，由于動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)部的滲透壓低于細(xì)胞外液，從而導(dǎo)致水分流失，使細(xì)胞脫水，造成細(xì)胞體積縮小[3-4]。同時(shí)使胞內(nèi)離子濃度和張力增加，生物大分子在細(xì)胞內(nèi)積聚，導(dǎo)致DNA損傷和細(xì)胞骨架改變[11]。在體外培養(yǎng)的mIMCD3細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基的滲透壓從正常的300 mOsm/kg急劇增加到500～600 mOsm/kg時(shí)，會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)部的DNA產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，DNA片段破碎，轉(zhuǎn)錄和翻譯受到抑制，細(xì)胞停止生長(zhǎng)[12]。在高滲環(huán)境中，G1期的細(xì)胞不能起始DNA的復(fù)制，S期正在分裂的細(xì)胞停止分裂，處于G2期的細(xì)胞也不分離[13]。當(dāng)滲透壓恢復(fù)到正常水平時(shí)，細(xì)胞能夠?qū)κ軗p的DNA進(jìn)行修復(fù)，使細(xì)胞快速的復(fù)制，但是仍有很多破碎的DNA片段[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNA發(fā)生破碎時(shí)，核蛋白Mre11能夠快速結(jié)合破碎的DNA片段，從而啟動(dòng)DNA的修復(fù)[16]。同時(shí)，在DNA破碎處的組蛋白H2AX被磷酸化修飾[16]。但在高滲條件下，Mre11被迫由核中轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中，從而使Mre11不能與染色體結(jié)合，導(dǎo)致受損的DNA得不到修復(fù)[17]。當(dāng)滲透應(yīng)激超過(guò)一定水平，坍塌的細(xì)胞體積得不到恢復(fù)，細(xì)胞無(wú)法適應(yīng)這樣的高滲環(huán)境，機(jī)體就會(huì)抑制p53對(duì)損傷細(xì)胞的修復(fù)，使細(xì)胞進(jìn)行程序化死亡，即細(xì)胞凋亡[18]。

3 動(dòng)物機(jī)體對(duì)滲透壓的調(diào)節(jié)

滲透調(diào)節(jié)是機(jī)體細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)水的跨膜流動(dòng)從而維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的能力。哺乳動(dòng)物通過(guò)一系列的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)水鹽代謝，使體液處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[19]。

3.1 機(jī)體整體性調(diào)節(jié) 應(yīng)激反應(yīng)是機(jī)體在受到內(nèi)外環(huán)境刺激時(shí)所產(chǎn)生的非特異性全身性反應(yīng)。當(dāng)遭受滲透應(yīng)激時(shí)，動(dòng)物機(jī)體會(huì)同時(shí)激活交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)和下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)激素系統(tǒng)，不僅能夠提高機(jī)體對(duì)外界刺激的基礎(chǔ)耐受能力，而且能夠提高機(jī)體的應(yīng)變能力[20]。而機(jī)體滲透壓的改變與水分進(jìn)出細(xì)胞有關(guān)。因此，維持滲透壓的平衡需要維持細(xì)胞外液容量的恒定。細(xì)胞外液的滲透壓和容量主要受神經(jīng)內(nèi)分泌機(jī)制的調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)胞外液的滲透壓升高時(shí)，滲透壓感受器會(huì)興奮，當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)傳到垂體后葉的神經(jīng)末梢時(shí)，會(huì)引起抗利尿激素（Antidiuretic Hormone，ADH）的釋放[21]。ADH作用于腎臟的遠(yuǎn)曲小管和集合管，促進(jìn)腎臟對(duì)水分的重吸收。滲透壓感受器的興奮會(huì)刺激渴覺(jué)中樞，從而增加機(jī)體對(duì)水分的攝入。滲透壓的升高也會(huì)刺激腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（Renin-Angiotensin-Aldosterone，RAAS）[22]。醛固酮作用于腎臟的遠(yuǎn)曲小管，調(diào)節(jié)腎臟對(duì)Na+的重吸收。當(dāng)RAAS興奮時(shí)，腎小管對(duì)Na+的重吸收增多，同時(shí)能夠保留一定量的水分穩(wěn)定滲透壓；反之，醛固酮分泌量減少，遠(yuǎn)曲小管對(duì)Na+的重吸收減少，甚至停止，過(guò)量的Na+就會(huì)排入尿中。鈉鹽的排出伴隨一定量的水分排出，從而維持滲透壓的穩(wěn)定。

3.2 細(xì)胞自身性調(diào)節(jié) 滲透壓是水跨膜流動(dòng)的源動(dòng)力，滲透壓變化會(huì)導(dǎo)致水流入或流出細(xì)胞，從而改變細(xì)胞的體積，因此維持滲透壓的衡定對(duì)細(xì)胞體積的大小至關(guān)重要[23]。在高滲應(yīng)激條件下，細(xì)胞本身可以通過(guò)無(wú)機(jī)離子和有機(jī)滲透劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而維持生命的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2.1 無(wú)機(jī)離子的調(diào)節(jié) 無(wú)機(jī)離子能夠?qū)?xì)胞體積的改變做出快速且有效的反應(yīng)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的跨膜離子通道的通透性實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞體積的調(diào)節(jié)[24]。在高滲環(huán)境中，細(xì)胞脫水導(dǎo)致體積縮小，這時(shí)細(xì)胞會(huì)吸收離子使體積增大，這部分增大的體積稱(chēng)為調(diào)節(jié)性體積增大（Regulated Volume Increased，RVI）[25]。高滲會(huì)同時(shí)激活Na+/H+交換子和Cl-/HCO3-交換子[26]。通過(guò)Na+/H+交換子使Na+入胞，同時(shí)H+出胞。通過(guò)Cl-/HCO-3交換子使Cl-入胞，HCO-出胞。在胞外，H+和HCO-33在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，進(jìn)而分解成水和二氧化碳[27]。這2個(gè)交換子協(xié)調(diào)作用使胞外的NaCl進(jìn)入細(xì)胞，同時(shí)在胞外生成水，這樣不僅通過(guò)胞外離子濃度的降低和水的生成雙重作用來(lái)降低胞外的滲透壓，而且增加了胞內(nèi)的離子濃度和滲透壓，降低細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓差。高滲條件下，細(xì)胞膜上的Na+通道也會(huì)被激活，從而使胞外的Na+進(jìn)入細(xì)胞，Na+的內(nèi)流往往伴隨著Cl-的內(nèi)流。高滲還會(huì)激活細(xì)胞膜上的Na+-K+-2Cl-共轉(zhuǎn)運(yùn)載體通道和鈉鉀泵（Na-K-ATPase）的活性。Na+-K+-2Cl-通道同時(shí)將1個(gè)Na+、1個(gè)K+和2個(gè)Cl-轉(zhuǎn)入細(xì)胞。而由Na+/H+交換子、Na+通道和Na+-K+-2Cl-通道進(jìn)入細(xì)胞中的Na+被鈉鉀泵泵出細(xì)胞，同時(shí)將K+泵入細(xì)胞，以維持胞內(nèi)高鉀胞外高鈉的離子狀態(tài)。有些細(xì)胞會(huì)抑制膜上的K+通道和Cl-通道，防止K+和Cl-流出細(xì)胞[24]。這些細(xì)胞膜上離子通道綜合作用的結(jié)果是KCl凈流入細(xì)胞。

3.2.2 有機(jī)滲透劑的調(diào)節(jié) 雖然無(wú)機(jī)離子能夠?qū)ν饨绲臐B透變化迅速作出反應(yīng)以維持細(xì)胞的體積，但大量的無(wú)機(jī)離子積聚在細(xì)胞內(nèi)，會(huì)影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，抑制酶的活性，阻礙細(xì)胞的正常生長(zhǎng)[27]。有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑雖然只占滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的10%～20%，但能夠調(diào)節(jié)60%～70%的體液滲透壓[28]。這是因?yàn)橛袡C(jī)滲透劑濃度的變化不會(huì)影響機(jī)體的代謝。有機(jī)滲透劑主要包括3種類(lèi)型：多羥基類(lèi)化合物，如甘油、肌醇；甲胺類(lèi)化合物，如甜菜堿、氧化三甲胺、甘油磷酸膽堿；氨基酸及其衍生物，如精氨酸、脯氨酸、?；撬醄29]。有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑的合成基因或轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因的表達(dá)受到嚴(yán)格的調(diào)控。

TonEBP/OREBP（Tonicity-Responsive Enhancer Binding Protein/Osmotic Response Element Bingding Protein） 是Rel家族的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。正常情況下，TonEBP/OREBP分布在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間。在高滲條件下，細(xì)胞可以通過(guò)多種途徑激活TonEBP/OREBP[30-33]。TonEBP/OREBP激活后形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)[34]，并進(jìn)入細(xì)胞核，通過(guò)絲氨酸/蘇氨酸磷酸化后與DNA結(jié)合從而啟動(dòng)下游基因的轉(zhuǎn)錄[35]，其下游基因至少包含1個(gè)DNA保守結(jié)構(gòu)域滲透反應(yīng)元件（Osmotic Response Element，ORE）或張力反應(yīng)增強(qiáng)子（Tonicity-Responsive Enhancer，TonE），主要有山梨醇合成酶AR（Aldose Reductase）、甘油磷脂膽堿合成酶NTE（Neuropathy Target Esterase）、甜菜堿轉(zhuǎn)運(yùn)載體BGT1（Betaine Gamma-Amino Butyric Acid Transporter）、肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)載體SMIT（Sodium Myo-Inositol Transporter）和?；撬徂D(zhuǎn)運(yùn)載體TauT（Taurine Transporter）[36]。這些合成酶基因（AR、NTE）和轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因（BGT1、SMIT、TauT）的表達(dá)使細(xì)胞內(nèi)積累大量的有機(jī)滲透劑，一方面增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，緩解高滲應(yīng)激；另一方面置換出無(wú)機(jī)離子，穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象和功能，從而減少高滲對(duì)細(xì)胞的損傷。

4 滲透應(yīng)激的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控策略

在畜牧生產(chǎn)中，可以通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控策略來(lái)預(yù)防或緩解滲透應(yīng)激[37]。滲透應(yīng)激主要是由水鹽代謝紊亂所致，因此，維持水鹽代謝平衡有助于緩解滲透應(yīng)激，而補(bǔ)充電解質(zhì)有益于水鹽代謝平衡。飲水是緩解滲透應(yīng)激最簡(jiǎn)單有效的方法。通過(guò)調(diào)節(jié)日糧的電解質(zhì)平衡（Dietary Electrolyte Balance，dEB），畜禽的生產(chǎn)性能得到明顯改善。試驗(yàn)研究表明，dEB值在-50～400 mEq/kg時(shí)，動(dòng)物的生產(chǎn)性能會(huì)隨著dEB的增加而改善[38]。研究發(fā)現(xiàn)，KCl能夠緩解滲透應(yīng)激，提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能[39]。NaHCO3作為血液和組織中的緩沖物質(zhì)，能夠提高機(jī)體的抗應(yīng)激能力[39]。NH4Cl可以抑制血液pH升高，有利于調(diào)節(jié)酸堿平衡，減緩滲透應(yīng)激的危害[37]。 電解質(zhì)的復(fù)合使用還具有協(xié)同作用。將電解質(zhì)溶解到水中添加，不僅能夠補(bǔ)充電解質(zhì)，而且能增加動(dòng)物的飲水量。在生化代謝過(guò)程中，維生素主要起輔酶催化作用。脂解作用是應(yīng)激過(guò)程中的重要代謝途徑，需要多種輔助因子參與酶促反應(yīng)[40]。因此，動(dòng)物在應(yīng)激時(shí)對(duì)維生素的需要量增加，通過(guò)日糧或飲水添加維生素能夠緩解應(yīng)激。日糧中添加有機(jī)滲透劑可以有效調(diào)節(jié)機(jī)體的滲透壓，不僅能夠緩解滲透應(yīng)激，而且不影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。有研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿具有保水作用，在日糧中添加甜菜堿可以減輕感染球蟲(chóng)的家禽和腹瀉仔豬的滲透應(yīng)激[9,28]。

5 小結(jié)與展望

動(dòng)物在應(yīng)激條件下，水鹽代謝會(huì)發(fā)生紊亂，離子平衡遭到破壞，滲透壓發(fā)生改變。動(dòng)物機(jī)體可以通過(guò)神經(jīng)內(nèi)分泌進(jìn)行全身性調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)細(xì)胞進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。在畜牧生產(chǎn)中還可以通過(guò)營(yíng)養(yǎng)策略調(diào)控滲透應(yīng)激。滲透調(diào)節(jié)的初期主要是無(wú)機(jī)離子起作用，而細(xì)胞對(duì)高滲環(huán)境的適應(yīng)主要靠有機(jī)滲透劑進(jìn)行調(diào)節(jié)[24]。關(guān)于有機(jī)滲透劑如何維持蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能，可能是有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑和蛋白質(zhì)的直接作用，與霍夫梅斯特序列特性有關(guān)[41]；也可能通過(guò)有機(jī)滲透劑-無(wú)機(jī)離子-蛋白質(zhì)復(fù)合體而起作用[42]；從熱力學(xué)的角度進(jìn)行闡釋?zhuān)袡C(jī)滲透調(diào)節(jié)劑能夠降低溶液體系的吉布斯自由能，使體系的熵值增加[43-44]。但有機(jī)滲透劑究竟是如何起作用的，還需要進(jìn)一步的研究證明，從而為動(dòng)物機(jī)體滲透壓調(diào)節(jié)研究和應(yīng)用提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，進(jìn)而提高畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益，促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展。