L-肉堿的代謝及其在魚類養(yǎng)殖應(yīng)用中的研究進展

于 婷，王秋舉，陳秀梅，馬 悅，王 寧，張東鳴,2

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130118；2.通化師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，吉林通化 134002）

L-肉堿（又名維生素Bt）自1905年被首次發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長期研究，人們對L-肉堿的功能已越來越清晰。目前，L-肉堿已經(jīng)應(yīng)用到養(yǎng)殖、食品、生物制藥等多種行業(yè)中，成為老年人、孕婦、病人等一些特殊人群的必需營養(yǎng)物質(zhì)。L-肉堿最基本的功能是協(xié)助長鏈脂肪酸從細胞質(zhì)穿過線粒體，促進脂肪酸進一步氧化供能。除此以外，L-肉堿還可以加快三羧酸循環(huán)代謝速率、蛋白合成等過程，在節(jié)約蛋白質(zhì)、增強運動耐受力、繁殖力、抗氧化和免疫方面發(fā)揮重要作用。本文概述了L-肉堿結(jié)構(gòu)、來源、合成、轉(zhuǎn)運、代謝等，并綜述了L-肉堿對魚類生長、脂代謝、抗氧化及免疫方面的研究進展，為闡明L-肉堿發(fā)揮多種功能的機制提供理論參考，為推廣L-肉堿在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的科學(xué)應(yīng)用提供理論根據(jù)。

1 L-肉堿的概述

1.1 L-肉堿的結(jié)構(gòu)、理化特性 L-肉堿（C7H15NO ），化學(xué)名稱又叫L-3-羥基-4-三甲基胺丁酸，相對分子質(zhì)量為161.2。L-肉堿是一種白色粉末，無味，易溶于水，微溶于乙醇，難溶于有機溶劑，無毒副作用。肉堿有左旋（L型） 和右旋（D型）2種異構(gòu)體，只有L-肉堿在生物體內(nèi)具有生理功能。L-肉堿結(jié)構(gòu)見圖1，其分子結(jié)構(gòu)中含有一個可供脂肪酸酯化的羥基，所含飽和鍵和極性官能團有良好的水溶性和吸濕性，性質(zhì)穩(wěn)定（200℃以上仍穩(wěn)定存在）。

圖1 L-肉堿分子結(jié)構(gòu)

1.2 L-肉堿的來源及分布 動物體L-肉堿的來源有2條途徑，即膳食中攝取及自身合成。L-肉堿主要來源是從膳食中獲取，正常飲食的人群每天從膳食中攝取約2～12 μmol/kg體重的L-肉堿，約占機體總L-肉堿含量的2/3。膳食中紅肉含有的L-肉堿最豐富，尤其是羊肉和牛肉，魚肉、豬肉、家禽乳制品也含有一定量的L-肉堿。蔬菜及水果中L-肉堿含量很少，甚至檢測不到，但鱷梨和蘆筍中L-肉堿含量高于其他水果和蔬菜[1]。L-肉堿存在于幾乎所有生物體內(nèi)，包括動物、植物及大多數(shù)微生物[2]。其中動物體內(nèi)的L-肉堿含量最高，尤其是心臟和骨骼肌中。血漿中總L-肉堿濃度約為30～70 μmol/L，而肌肉和肝臟等組織中的L-肉堿濃度比血漿濃度高25～50倍[3]。

內(nèi)源性L-肉堿的合成量約為每天1.2 μmol/kg，如50 kg的成年人每天合成L-肉堿的量約為60 μmol，占機體總L-肉堿的1/3。由于L-肉堿主要存在于動物產(chǎn)品中，嚴格的素食主義者和乳清素食者每天從膳食中能獲得的L肉堿很少（＜0.1 μmol/kg）。因此，素食主義者還需要通過自身合成超過90%的L-肉堿才能維持機體的健康[4]。

L-肉堿的內(nèi)源合成是以賴氨酸（碳源供體）和蛋氨酸（甲基供體）為原料，在煙酸、葉酸、維生素B6、維生素C及相關(guān)酶類的作用下合成L-肉堿。由圖2可知，L-肉堿以賴氨酸和蛋氨酸為底物，經(jīng)過4種重要酶的催化，生成4種中間代謝產(chǎn)物，最終生成L-肉堿。第一代謝產(chǎn)物6-N-三甲基賴氨酸（6-N-trimethyllysine，TML）殘基通過TML雙加氧酶（TML dioxygenase，TMLD）將TML羥基化生成3-羥基-6-N-三甲基賴氨酸（3-hydroxy-6-N-trimethyllysine，HTML）。隨后，HTML醛縮酶（HTML-aldolase，HTMLA）將HTML分解成4-N-三甲基氨基丁醛（4-N-Trimethylaminobuty-raldehyde，TMABA）和甘氨酸。TMABA脫氫酶（TMABA Dehydrogenase，TMABADH）對TMABA的脫氫導(dǎo)致形成4-N-三甲基氨基丁酸（4-N-Trimethy-laminobutyrate，γ-BB）。最后，γ-BB被γ-丁基甜菜堿雙加氧酶（γ-Butyrobetaine Dioxygenase，BBD）羥基化，生成L-肉堿（圖2）[5]。肉堿合成所需的前3種酶（TMLD、HTMLA和TMABADH）在機體內(nèi)分布廣泛，而關(guān)鍵限速酶BBD僅存在于肝臟、腎臟和腦中。因此，多種組織可以完成從第一中間代謝產(chǎn)物TML到第四中間代謝產(chǎn)物γ-BB的合成過程，而終產(chǎn)物L(fēng)-肉堿僅能在腎、肝和腦中得到進一步合成[6]。

關(guān)鍵限速酶BDD在腎臟中活性最高，腦中的活性較低。腎臟中BBD 酶活性不會隨著年齡的增長產(chǎn)生變化，而肝臟中BBD酶活性在不同年齡段顯示出明顯差異，研究發(fā)現(xiàn)在嬰兒肝臟中的BBD 活性約為成人水平的10%[7]，因此，有人認為哺乳動物在幼齡時期L-肉堿的合成能力不足[8-9]。此外，幼齡哺乳動物的L-肉堿合成能力不足除了與BBD酶活性有關(guān)外，TMLD活性以及產(chǎn)物TML和γ-BB水平也能影響幼齡動物L(fēng)-肉堿的合成水平[10]。值得注意的是，以上影響L-肉堿內(nèi)源合成的因素在魚類方面的研究甚少，因此上述試驗結(jié)果是否適用于水產(chǎn)動物，還需進一步研究。

圖2 L-肉堿內(nèi)源合成途徑

1.3 L-肉堿的轉(zhuǎn)運 無論是來源于膳食攝取還是內(nèi)源合成，L-肉堿在體內(nèi)的運輸主要是通過L-肉堿/有機陽離子轉(zhuǎn)運蛋白（Carnitine/Organic Cation Transporters，OCTNs）介導(dǎo)的主動運輸來完成。OCTNs是溶質(zhì)運載轉(zhuǎn)運體家族（Solute Carrier Family，SLC）的主要成員，屬于雙向轉(zhuǎn)運體，主要介導(dǎo)兩性離子的跨膜轉(zhuǎn)運，也可介導(dǎo)部分有機陽離子化合物的轉(zhuǎn)運，因而又被稱為兩性離子/有機陽離子轉(zhuǎn)運體。OCTNs包括3種轉(zhuǎn)運蛋白，分別是OCTN1、OCTN2和OCTN3。

OCTN1高表達于腎小管上皮細胞的頂側(cè)膜，在成人氣管、小腸、心臟、胎盤、胰腺和神經(jīng)細胞中也有表達[11]。研究表明，OCTN1對L-肉堿的親和力較低，但對麥角硫因具有高親和力，在機體內(nèi)主要介導(dǎo)麥角硫因的腸吸收和腎消除過程[12]。OCTN2是鈉離子依賴性的有機陽離子轉(zhuǎn)運蛋白，對L-肉堿的親和力最高，它在機體L-肉堿的穩(wěn)態(tài)中起著十分關(guān)鍵的作用。與 OCTN1類似，OCTN2 也表達于腎近曲小管上皮細胞的頂側(cè)膜，負責(zé)腎臟中腎小球濾過后L-肉堿的重吸收，用以維持血漿L-肉堿的平衡，但OCTN2的表達并不限于腎，在許多組織（如肝臟、心臟、睪丸、骨骼肌和腦）中也有發(fā)現(xiàn)[13]。這一廣泛分布的性質(zhì)保證了機體內(nèi)L-肉堿的穩(wěn)定吸收和分布，因此OCTN2在機體L-肉堿調(diào)度上具有舉足輕重的地位。OCTN3是一種過氧化物酶體L-肉堿轉(zhuǎn)運蛋白，它對L-肉堿的親和力在OCTNs家族中屬于中等，在人過氧化物酶體膜上有表達，說明L-肉堿在過氧化物酶體脂質(zhì)代謝中具有重要作用[14]。

1.4 L-肉堿的代謝 L-肉堿的穩(wěn)態(tài)通過膳食攝取、適度的合成速率以及有效的腎重吸收來共同維持。在正常L-肉堿循環(huán)濃度下，腎臟是調(diào)節(jié)體內(nèi)L-肉堿濃度的重要器官，90%以上的L-肉堿在腎臟被重吸收，多余未被吸收的L-肉堿主要以酰基肉堿的形式隨尿液排出，少量隨膽汁排出。當飲食中L-肉堿攝入量增加時，腎臟重吸收率降低并且增加清除率，使機體循環(huán)的L-肉堿濃度迅速下降至基本水平；反之，當飲食中L-肉堿攝入減少時，腎臟重吸收率增加并且清除率降低，使循環(huán)L-肉堿濃度保持在正常范圍內(nèi)[15]。因此，隨著膳食L-肉堿攝入量的變化，尿排泄L-肉堿的量也會隨之變化，以維持血漿和機體各組織L-肉堿水平在正常范圍內(nèi)。

2 L-肉堿在魚類養(yǎng)殖中的研究進展

2.1 L-肉堿對魚類生長的影響 飼料中添加L-肉堿對魚類生長的影響是最早被關(guān)注的熱點問題。總結(jié)多項研究結(jié)果可知，L-肉堿對魚類生長的影響并不一致。從表1中可以看出，不同魚類對L-肉堿的最適需求量不同（150～2 000 mg/kg）；此外，同種魚類、飼養(yǎng)周期相近，不同生長階段所需L-肉堿的最適添加量也有不同，大規(guī)格魚需要添加較多L-肉堿，小規(guī)格魚（如鯉魚）需要添加較少L-肉堿。但總體來說，添加L-肉堿能促進一些魚類生長，提高其飼料效率。然而也有部分研究表明，飼料中添加L-肉堿對魚類生長、蛋白質(zhì)利用率和飼料轉(zhuǎn)化率無明顯影響，如雜交條吻鱸、大菱鲆、黃顙魚、黑鯛、大口黑鱸、歐洲鱸和初始體重為（151.00±1.69）g的虹鱒。由表1可知，在40 g左右虹鱒飼料中添加800 mg/kg L-肉堿能促進其生長，但在151 g左右虹鱒飼料中添加500 mg/kg L-肉堿對生長無影響，可能原因是151 g左右虹鱒飼料中L-肉堿的添加量不足導(dǎo)致未表現(xiàn)出促生長作用。L-肉堿對不同魚類生長效果的影響具有差異性，這可能與魚的種類、體質(zhì)、生存環(huán)境、飼料組成等因素有關(guān)。生存環(huán)境和魚體體質(zhì)的不同導(dǎo)致魚體對L-肉堿的需求量產(chǎn)生差異；而飼料原料的不同配比（如飼料中蛋氨酸和賴氨酸的水平）對內(nèi)源L-肉堿的合成產(chǎn)生影響，魚體自身合成L-肉堿的含量發(fā)生變化，隨之對飼料中L-肉堿的需求也會發(fā)生改變。

2.2 L-肉堿對魚類脂代謝的影響 飼料中補充L-肉堿不僅會對魚類生長產(chǎn)生影響，還會改變機體的脂代謝過程，進而對整個魚體健康穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生積極或消極的影響。研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加L-肉堿可以減少草魚（Ctenopharyngodon idella）肌肉和肝胰臟脂肪含量，促進脂質(zhì)降解[16]。在高脂飼糧中添加外源L-肉堿使非洲鯰魚（Clarias gariepinus）呼吸商顯著下降，明顯降低肝臟、肌肉等組織中n-3多不飽和脂肪酸含量，表明添加外源L-肉堿可通過促進脂肪酸代謝產(chǎn)生能量，減少其他方式（如碳水化合物、蛋白質(zhì)）的氧化供能，達到節(jié)約蛋白質(zhì)、降低脂肪沉積的目的[36]。但有其他魚類的研究結(jié)果與上述研究不盡相同，如在歐洲海鱸（Dicentrarchus labrax）飼料中補充L-肉堿增加了乙酰輔酶A羧化酶3倍的活性，使歐洲海鱸肝臟脂肪生成率升高，更易導(dǎo)致脂肪沉積[35]。這一結(jié)果與以黃鯰（Pelteobagrus fulvidraco）為研究對象的結(jié)果一致，且進一步表明飼料中添加L-肉堿能在mRNA水平上通過上調(diào)與脂代謝有關(guān)的關(guān)鍵酶基因（如脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶）的表達來增加肝臟、肌肉脂質(zhì)水平[37]。綜上可知，L-肉堿對魚類脂肪酸的調(diào)節(jié)作用并不一致，這種差異產(chǎn)生的機制目前尚未見詳細報道，可能與研究對象大小、環(huán)境及外源L-肉堿添加量不同等有關(guān)，需要進一步深入研究。

表 1 飼料中添加L-肉堿對魚類生長及飼料利用的影響

2.3 L-肉堿對魚類抗氧化和免疫功能的影響 隨著生活水平的不斷提高，人們對水產(chǎn)品的需求量不斷增加，這使我國現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正朝向集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展。在現(xiàn)代養(yǎng)殖條件下，魚類養(yǎng)殖密度增大及水環(huán)境的復(fù)雜多變，極易造成魚體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，而任何應(yīng)激均伴有氧化應(yīng)激發(fā)生[38]，長期處于不良脅迫下的魚類其體內(nèi)原有的氧化還原平衡狀態(tài)極易受到破壞，導(dǎo)致機體產(chǎn)生氧化應(yīng)激，進一步影響各組織器官功能的正常行使，導(dǎo)致魚體免疫力下降、生長發(fā)育緩慢、飼料轉(zhuǎn)化率降低、發(fā)病率升高，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，自20世紀90年代以來，L-肉堿的抗氧化功能受到越來越多研究者的重視。

在體外條件下，Gül?in等[39]證明，L-肉堿能夠清除過氧化氫和超氧化物自由基以及螯合過渡金屬離子，是一種新型有效的抗氧化劑。多項研究發(fā)現(xiàn)，L-肉堿可以有效保護哺乳動物細胞免受氧化損傷[40-42]。在草魚性腺細胞系（GCO）[43]及胖頭鱥肌肉細胞系（FHM）[44-45]的研究發(fā)現(xiàn)，L-肉堿可對H2O2引起的氧化應(yīng)激起到明顯的保護作用，首次證明了L-肉堿對魚類細胞的抗氧化作用。Safari等[46]研究表明，飼糧中補充L-肉堿能明顯提高淡水小龍蝦抗氧化酶活性，增強機體的抗氧化功能。在氧化損傷條件下，補充適宜濃度的L-肉堿能顯著提高羅非魚和鯉魚的抗氧化酶活性[47-48]，從而展現(xiàn)出L-肉堿的有效保護效果。進一步說明體內(nèi)研究L-肉堿對魚類的抗氧化功能同樣具有促進作用。

隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)L-肉堿發(fā)揮抗氧化作用與NF-E2-Related Factor 2-Keap1-Antioxidant-Response Element（Keap1-Nrf2-ARE）信號通路有關(guān)。而Keap1-Nrf2-ARE通路是機體在長期的進化過程中，為緩解所受損害而形成一套復(fù)雜且關(guān)鍵的氧化應(yīng)激應(yīng)答系統(tǒng)[49]。而Nrf2作為外源性有毒物質(zhì)和氧化應(yīng)激的感受器，介導(dǎo)并調(diào)控許多抗氧化基因的表達，在細胞防御保護中扮演重要角色[50]。Zambrano等[51]研究發(fā)現(xiàn)，L-肉堿可以通過特異性調(diào)節(jié)Nrf2轉(zhuǎn)錄因子，使超氧陰離子的產(chǎn)生降低，從而達到抵抗高血壓大鼠腎皮質(zhì)氧化應(yīng)激的目的。Li等[52]發(fā)現(xiàn)，L-肉堿通過Akt介導(dǎo)激活的Nrf2信號通路保護人類肝細胞免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的毒性。而L-肉堿通過調(diào)節(jié)Keap1-Nrf2-ARE通路從而發(fā)揮抗氧化功能的研究在魚類中鮮有報道。

L-肉堿對魚類免疫功能也有影響。明建華等[23]研究發(fā)現(xiàn)，添加L-肉堿可顯著提高青魚血清溶菌酶活性及補體 C3和 C4水平，從而增強魚體的非特異性免疫力。Safari等[46]研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加L-肉堿不僅能減少小龍蝦脂質(zhì)過氧化，增強其抗氧化防御功能外，還能顯著提高其免疫能力。

3 結(jié)語與展望

L-肉堿作為一種條件必需營養(yǎng)素，具有多重功能特性；L-肉堿是一種小分子物質(zhì)，容易被動物機體吸收，性質(zhì)穩(wěn)定，并無明顯毒副作用；L-肉堿的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)成熟、價格相對低廉， 因此L-肉堿作為穩(wěn)定飼料添加劑應(yīng)用具有重要優(yōu)勢，但L-肉堿在魚類養(yǎng)殖方面的研究仍然缺乏，建議從以下幾個方面進行深入研究：①確定魚類不同生長階段L-肉堿的需要量，實現(xiàn)精準添加和投喂，避免浪費。②魚類飼料中通過添加L-肉堿來提高脂肪的利用效率進而節(jié)約蛋白質(zhì)，是解決減少蛋白質(zhì)使用、魚粉替代的另一重要途徑。③在魚類中L-肉堿合成路徑、合成能力、轉(zhuǎn)運過程及部分生理功能發(fā)揮的機制尚不清晰，從而完善魚類L-肉堿的代謝和生理功能等基礎(chǔ)信息，為其科學(xué)應(yīng)用提供更詳盡的參考依據(jù)。