色氨酸的代謝與功能及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

張文杰，馬 健,2，王志遠(yuǎn)，范 雪，竇晶晶*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物營養(yǎng)研究所，四川 成都 611130)

色氨酸是許多動物的必需氨基酸，與動物體內(nèi)蛋白質(zhì)的更新密切相關(guān)，作為一種特殊的功能性氨基酸，色氨酸在機(jī)體的生理代謝和生長發(fā)育中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[1]。此外，色氨酸及其代謝產(chǎn)物在調(diào)控消化道微生物組成及維持機(jī)體免疫功能方面起著重要作用[2]。在動物體內(nèi)，色氨酸主要有3條代謝途徑：一是犬尿氨酸代謝途徑，占整個代謝途徑的95%；二是5-羥色胺代謝途徑；三是吲哚和臭糞素代謝途徑。由于色氨酸對動物具有重要作用，因此對色氨酸各種功能及在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究一直從未間斷。本文簡要介紹了色氨酸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，著重闡述了色氨酸的代謝途徑及生理功能，并綜述了色氨酸在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用，希望為更好的開發(fā)利用色氨酸提供參考。

1 色氨酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

色氨酸是一種芳香族α氨基酸，化學(xué)名稱為α-氨基-β-吲哚丙酸，有3種同分異構(gòu)體(L 型、D 型和DL 型)，其分子式為C11H12N2O2，分子質(zhì)量為204.33。由于芳香環(huán)具有富集電子的特點(diǎn)，因此色氨酸的還原性很強(qiáng)，容易被氧化，屬于不穩(wěn)定的氨基酸。許多飼料原料都含有色氨酸，但是含量不同，動物的精料類型多為玉米-豆粕型，但玉米色氨酸含量很低，需要外源性添加色氨酸來滿足動物對色氨酸的需求[1]。

2 色氨酸的代謝

色氨酸在動物生產(chǎn)中起著重要作用，在動物體內(nèi)可以代謝生成犬尿酸、5-羥色胺和煙酸等重要的前體物質(zhì)，這些物質(zhì)進(jìn)而參與機(jī)體內(nèi)的許多生理代謝過程[3]。

2.1 色氨酸的代謝途徑

由于動物細(xì)胞無法合成色氨酸，因此機(jī)體內(nèi)存在的氨基酸都是來源于日糧[4]。Bender等[5]研究指出，機(jī)體攝入的色氨酸，只有不到1%的部分用于合成蛋白質(zhì)，其他的色氨酸都被動物細(xì)胞降解。動物體內(nèi)有3條途徑對色氨酸進(jìn)行降解：①95%以上的色氨酸通過犬尿酸途徑被分解；②1%～2%的色氨酸通過生成5-羥色胺途徑進(jìn)行降解；③2%～3%的色氨酸經(jīng)過脫羧基作用生成色胺及轉(zhuǎn)氨基作用生成吲哚-3-丙酮酸進(jìn)行降解。

2.1.1 犬尿氨酸途徑 犬尿氨酸途徑是指色氨酸在色氨酸2，3-雙加氧酶或吲哚胺-2，3-雙加氧酶的作用下分解，產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，統(tǒng)稱為犬尿氨酸，之后經(jīng)過多級酶促反應(yīng)生成吡啶羧酸、喹啉酸類等[6]，詳細(xì)代謝途徑見圖1A。色氨酸2，3[1]雙加氧酶和吲哚胺-2，3-雙加氧酶是色氨酸降解第一步的限速酶，其中，色氨酸2，3-雙加氧酶主要在肝臟中起作用，含有血紅素和銅，可以氧化分解色氨酸的吲哚環(huán)生成N-甲酰犬尿酸原。而吲哚胺-2，3-雙加氧酶廣泛分布在動物體內(nèi)，是除肝臟以外唯一一個可以分解吲哚環(huán)的酶[7]，當(dāng)機(jī)體收到外界刺激出現(xiàn)感染時，吲哚胺-2，3-雙加氧酶的表達(dá)量顯著增加。

2.1.2 5-羥色胺途徑與吲哚和糞臭素途徑 5-羥色胺是色氨酸在色氨酸羥化酶和芳香酸脫羧酶的催化作用下產(chǎn)生的，當(dāng)色氨酸羥化酶收到抑制后，5-羥色胺的生產(chǎn)量也隨之降低，因此，色氨酸羥化酶是這個過程的限速步驟[8]。5-羥色胺的生成是由2部分組成，首先是色氨酸羥化酶催化色氨酸分解成5-羥色氨酸，之后，芳香酸脫羧酶催化5-羥色氨酸脫羧產(chǎn)生5-羥色胺。5-羥色胺代謝途徑如圖1B所示。吲哚和糞臭素途徑是指色氨酸在多種微生物的作用下通過脫氨和脫羧作用生成吲哚乙酸、吲哚丙酮酸、吲哚及糞臭素等[9]。吲哚和糞臭素途徑代謝途徑如圖1C所示。

圖1 色氨酸代謝途徑

2.2 色氨酸的代謝產(chǎn)物和功能

色氨酸的代謝產(chǎn)物主要有5-羥色胺、犬尿氨酸、褪黑素、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸、吲哚和糞臭素等。5-羥色胺是腸道中的重要信號分子，可以調(diào)節(jié)胃腸道代謝及食欲等。劉華珍[10]研究表明，改變鴨的下丘腦5-羥色胺的含量，可以對鴨的采食和能量代謝進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。對犬尿氨酸的研究表明，犬尿氨酸具有神經(jīng)保護(hù)作用，而其代謝物3-羥基鳥嘌呤和喹啉酸則具有神經(jīng)毒性[1]。此外，當(dāng)動物出現(xiàn)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)時，血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生大量的犬尿氨酸，具擴(kuò)張血管和降低血壓的作用[11]。煙酸是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組成部分，在細(xì)胞代謝及炎癥反應(yīng)中有重要作用。

褪黑素是哺乳動物松果體分泌的一種胺類激素。褪黑素可以抑制TNF-α的表達(dá)，具有一定的的抗炎作用，同時褪黑素可以保護(hù)胃腸道粘膜組織，加速潰瘍的愈合。除此以外，褪黑素還可以調(diào)節(jié)動物年齡相關(guān)的晝夜節(jié)律性、性激素的分泌以及免疫功能[12]。吲哚是色氨酸最主要的代謝產(chǎn)物之一，是由吲哚丙酮酸脫去α-酮戊二酸形成的。吲哚丙酮酸在多種微生物的作用下又可以脫羧形成吲哚乙酸。吲哚乙酸是糞臭素的主要前體，在脫羧酶的作用下脫去羰基形成糞臭素。吲哚和糞臭素是豬禽糞便中最為惡臭的化合物[13]。有研究指出，吲哚作為一種特殊性的微生物信號分子，在動物腸道中具有較高的濃度，有助于維持腸道健康，具有一定的抗炎作用[14]。Whitfield-Cargile等[15]研究發(fā)現(xiàn)，適量的吲哚可有效緩解由固有免疫應(yīng)答引起的炎癥反應(yīng)，并且可以提高腸道菌群種類。

3 色氨酸的功能

3.1 緩解氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激會增強(qiáng)色氨酸的分解代謝，色氨酸的氨基可與氧化劑直接結(jié)合，可以有效阻止其他物質(zhì)的氧化反應(yīng)，能夠起到抗氧化的作用。色氨酸的代謝產(chǎn)物褪黑素，作為一種非酶類抗氧化劑可清除體內(nèi)自由基，也具有抗氧化作用[16]。褪黑素自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易發(fā)生自身氧化。可通過吲哚環(huán)上的5-甲氧基捕捉活性氧，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉茄趸镔|(zhì)，自身變成低毒中間產(chǎn)物N1-乙酰-N2甲酰-5-甲氧犬尿酰胺，變成比自身抗氧化能力更強(qiáng)的物質(zhì)，清除更多的活性氧，從而起到緩解氧化應(yīng)激的作用。此外，色氨酸還可以激活Nrf2/Keap1信號通路上抗氧化酶mRNA的表達(dá)，進(jìn)而提高氧化酶的活性。江敏[17]研究表明，斷奶仔豬日糧中添加色氨酸可以提高血液中的總抗氧化能力、谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶水平，降低丙二醛含量，并可以促進(jìn)腸道中抗氧化酶基因表達(dá)。Raju等[18]研究同樣表明，日糧中缺乏色氨酸時，肝臟中的谷胱甘肽過氧化物酶活性降低。

應(yīng)激對動物的生長及生產(chǎn)性能的發(fā)揮都會產(chǎn)生不良影響，在日糧中補(bǔ)充色氨酸可以有效緩解動物應(yīng)激。李萌萌等[19]研究發(fā)現(xiàn)，給小鼠灌胃色氨酸可以緩解慢性應(yīng)激帶來的焦慮等應(yīng)激反應(yīng)。動物在斷奶、分群及運(yùn)輸?shù)韧饨鐟?yīng)激下，會提高5-羥色胺分解為5-羥基吲哚乙酸的速度，不可避免的產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。Koopmans等[20]試驗(yàn)表明，日糧中添加0.5%的色氨酸時，仔豬因合群應(yīng)激導(dǎo)致的皮質(zhì)醇升高得到緩解，并改善了腸道形態(tài)，仔豬更喜歡躺臥。以上試驗(yàn)表明，色氨酸具有抗氧化作用，并能緩解動物的應(yīng)激反應(yīng)。色氨酸緩解氧化應(yīng)激功能的研究主要集中在豬禽上，而在草食動物上的研究較少，犢牛在斷奶時的應(yīng)激較大，因此色氨酸能否緩解斷奶犢牛應(yīng)激等相關(guān)研究有必要進(jìn)行開展。

3.2 提高免疫功能

色氨酸及其代謝物通過調(diào)節(jié)免疫球蛋白和淋巴細(xì)胞的生成，提高機(jī)體免疫力，具有調(diào)節(jié)動物免疫的功能。作為一種與免疫蛋白有關(guān)的限制性氨基酸，色氨酸可直接參與動物體液免疫的調(diào)節(jié)，色氨酸可以促進(jìn)骨髓T淋巴細(xì)胞前體分化為成熟T淋巴細(xì)胞，當(dāng)色氨酸缺乏時，體液免疫功能會降低。5-羥色胺作為一種免疫調(diào)節(jié)因子，通過結(jié)合不同的受體可以發(fā)揮相對應(yīng)的免疫功能[21]。此外，色氨酸的代謝產(chǎn)物褪黑素可以刺激機(jī)體活化免疫細(xì)胞，使機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體，增強(qiáng)抗體對抗原的特異敏感性，通過促進(jìn)淋巴細(xì)胞的增殖以及提高免疫因子數(shù)量和活性來提高機(jī)體的免疫功能。褪黑素可以促進(jìn)免疫器官的增大，使淋巴細(xì)胞體積增生，此外，褪黑素通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生干擾素和白細(xì)胞介素，對免疫進(jìn)行調(diào)控[22]。Emadi等[23]試驗(yàn)證實(shí)，肉雞日糧中添加一定水平的色氨酸可以明顯提高免疫球蛋白含量，增強(qiáng)抗病力。另有研究表明，日糧中添加色氨酸可以提高血液中的總免疫球蛋白含量[24]。眾多研究證實(shí)色氨酸在提高動物免疫力方面具有重要作用。

3.3 調(diào)節(jié)動物生長發(fā)育

色氨酸通過調(diào)節(jié)動物的采食量來調(diào)控生長性能。色氨酸調(diào)控動物采食的途徑可能是以下2個途徑：(1)色氨酸代謝產(chǎn)物5-羥色胺作用于下丘腦的采食中樞，對動物的采食行為進(jìn)行調(diào)控，5-羥色胺作為色氨酸代謝過程中重要的代謝產(chǎn)物，其含量與神經(jīng)興奮和抑制有密切的關(guān)系，5-羥色胺可使動物處于安靜狀態(tài)，促進(jìn)動物睡眠，可能對動物降低維持需要十分有利，進(jìn)而提高飼料的轉(zhuǎn)化效率和促進(jìn)動物的生長發(fā)育；(2)色氨酸通過影響肽胃饑餓素的分泌來調(diào)控動物的采食行為。日糧中色氨酸水平較低時，口服色氨酸可以提高血液中的饑餓素濃度，進(jìn)而提高采食量。此外，色氨酸通過5-羥色胺與不同受體結(jié)合也可以影響采食，從而對動物的生長性能進(jìn)行調(diào)控。Voigt等[25]研究表明，5-羥色胺與5-羥色胺1A受體結(jié)合可以促進(jìn)動物采食，皮下注射5-羥色胺1A受體激動劑時，會刺激瘦鼠進(jìn)行攝食。在動物生產(chǎn)性能方面，日糧中的色氨酸水平會對動物有明顯的影響。饒巍等[26]發(fā)現(xiàn)，日糧色氨酸水平為0.175%～0.200%時，蛋雞的飼料利用率和產(chǎn)蛋率最高。Sève等[27]試驗(yàn)表明，日糧色氨酸水平過低時，滿足不了豬的生長需求量，會降低飼料利用率。由此可以看出，對于動物來說，適宜的色氨酸含量對動物生長性能有重要作用。

色氨酸還可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成。色氨酸是蛋白質(zhì)的組成成分，當(dāng)色氨酸與核酸色氨酸受體結(jié)合時，會對肝核蛋白的合成有一定的促進(jìn)作用，進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成。有研究針對色氨酸調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的機(jī)制進(jìn)行了分析，色氨酸可以影響肝臟中蛋白質(zhì)的代謝，對細(xì)胞質(zhì)RNA的合成有一定促進(jìn)作用，增強(qiáng)了核膜核苷三磷酸酶的活性[28]。余東游等[29]報道，色氨酸可以提高雞蛋中蛋白質(zhì)的沉積量。Anthony等[30]研究指出，日糧中色氨酸缺乏時，大鼠血液中的胰島素濃度和肝臟蛋白質(zhì)合成會顯著降低。除此以外，色氨酸缺乏還會導(dǎo)致動物疾病的產(chǎn)生，適宜的色氨酸水平對動物的繁殖能力有促進(jìn)作用，在生產(chǎn)中要充分考慮色氨酸的綜合功能，力爭動物最大的生產(chǎn)潛力。

4 色氨酸在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 色氨酸在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

近年來，有很多研究提倡家禽應(yīng)該低蛋白飼養(yǎng)，既可以降低飼料成本又也可以減少環(huán)境污染，但同時低蛋白日糧會造成色氨酸等的氨基酸營養(yǎng)平衡。由于色氨酸在動物體內(nèi)不能合成，因此在現(xiàn)代家禽養(yǎng)殖業(yè)中，色氨酸已成為不可缺少的飼料添加劑。色氨酸在提高家禽的生長性能及生產(chǎn)性能等方面均發(fā)揮著重要作用。

Birkl等[31]研究指出，缺乏色氨酸會導(dǎo)致家禽血漿中色氨酸水平降低，影響血清素的合成，進(jìn)而降低了家禽的采食量。王文策等[32]指出，日糧色氨酸水平為0.202%時，1～21日齡北京鴨的日采食量顯著提高。除了影響采食量，色氨酸還會影響家禽的日增重。Opoola等[33]研究表明，1～28日齡和33～56日齡肉仔雞日糧的最適色氨酸水平分別為0.24%和0.21%，過高或過低都會影響動物的日增重。另有研究也表明，日糧中添加一定量的色氨酸，可以提高初生黃羽雛雞的體重[34]。色氨酸作為營養(yǎng)物質(zhì)，可直接參與動物機(jī)體蛋白質(zhì)的合成，具有促生長的作用，此外，色氨酸的代謝物5-羥色胺可以影響生長激素和甲狀腺激素的合成及分泌進(jìn)而影響動物的生長發(fā)育。

關(guān)于色氨酸在家禽生產(chǎn)性能上的作用也進(jìn)行了很多研究。賀強(qiáng)[35]試驗(yàn)表明，日糧中添加色氨酸可以提高蛋雞產(chǎn)蛋率和平均蛋重，并能顯著降低料蛋比。馬玉娥等[34]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日糧中色氨酸水平達(dá)到0.18%時，黃羽肉種雞的繁殖性能提高，提高了種蛋的受精率。相比于色氨酸在雞上面的效果，在鴨、鵝生產(chǎn)上的作用效果則不顯著[36]。席鵬彬等[37]研究表明了日糧中添加色氨酸可以提高肉雞的產(chǎn)肉量。侯海鋒等[38]指出，在低蛋白質(zhì)日糧中添加0.2%的色氨酸可有效降低海蘭灰蛋雞的氮排泄。賀強(qiáng)[35]也指出，日糧色氨酸水平為0.19%時，可以顯著提高28周齡蛋雞的留存率。可見，在現(xiàn)代家禽養(yǎng)殖業(yè)中，色氨酸成為低蛋白飼料中非常重要的組成部分，既可以提高蛋白質(zhì)的利用率和蛋白質(zhì)的沉積，還可以降低氮排放量。綜上所述，針對色氨酸在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用，人們進(jìn)行了很多的研究，但同時可以看出，研究多集中在養(yǎng)雞生產(chǎn)中，而在鴨、鵝生產(chǎn)上有關(guān)色氨酸的作用仍需進(jìn)一步研究。此外，色氨酸的添加水平對家禽產(chǎn)品品質(zhì)及排泄臭氣化合物濃度等方面的研究還需進(jìn)一步開展。

4.2 色氨酸在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

包括色氨酸在內(nèi)的很多氨基酸對豬的免疫力十分重要，進(jìn)而對豬的生長性能和經(jīng)濟(jì)效益有一定影響。王軍等[39]研究了日糧中添加色氨酸對接種豬繁殖與呼吸綜合征弱毒苗生長豬免疫的影響，結(jié)果表明，色氨酸可以提高血清免疫球蛋白含量,促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生，進(jìn)而強(qiáng)化獲得性免疫。5-羥色胺是調(diào)節(jié)腸道蠕動的重要物質(zhì)，分布在腸黏膜的上皮細(xì)胞中，因此，色氨酸有維持豬腸道屏障功能的作用。Kim等[40]研究指出，日糧中添加色氨酸可以增加小腸絨毛高度，并可以降低結(jié)腸炎仔豬腸道的通透性，維持腸道屏障功能。除此之外，豬受到應(yīng)激時，腦中的5-羥色氨濃度較低，腎上腺素分泌增強(qiáng)，導(dǎo)致血液循環(huán)加快，從而使肌肉的代謝率提高，最后導(dǎo)致胴體品質(zhì)下降。因此，給豬補(bǔ)充適量色氨酸后，可提高腦中5-羥色胺的水平，達(dá)到減輕動物應(yīng)激、保證胴體品質(zhì)的目的。Adeola等[41]研究表明，在屠宰前5 d，日糧中添加高水平的色氨酸，可以顯著降低豬PSE肉的發(fā)生率。當(dāng)然，在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮色氨酸的添加量，過量的色氨酸不僅對肉品質(zhì)沒有改善作用，反而會造成資源浪費(fèi)。

李華偉[42]研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加色氨酸可以提高泌乳母豬的產(chǎn)奶量，并能提高仔豬日增重，但對乳蛋白和乳脂率無明顯影響。同樣的，Paulicks等[43]也指出，泌乳母豬的產(chǎn)奶量隨著日糧色氨酸水平的增加呈先升高后下降的趨勢，但對乳中的乳蛋白和乳脂率質(zhì)沒有顯著影響，而仔豬日增重的變化趨勢和產(chǎn)奶量是一致的。動物可以利用自身儲備的色氨酸來維持機(jī)體對色氨酸的需要，因此這可能是為什么泌乳母豬乳品質(zhì)不受日糧色氨酸水平影響的原因所在。當(dāng)然，關(guān)于色氨酸對泌乳調(diào)控功能仍需要更深入研究。以上研究可以看出，色氨酸在豬生產(chǎn)中有著重要的作用，在其他氨基酸普遍添加的情況下，色氨酸成為豬日糧中的主要限制氨基酸。色氨酸除了用于沉積蛋白外，還具有調(diào)節(jié)采食量及提高免疫等功能。在生產(chǎn)實(shí)踐中，添加適量的色氨酸達(dá)到動物營養(yǎng)需要是養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)中最為理想的飼養(yǎng)模式。

4.3 色氨酸在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

反芻動物具有瘤胃，對氨基酸的降解較高，因此，色氨酸在反芻動物上的研究常用過瘤胃技術(shù)。陳俊宏等[44]研究了日糧中添加色氨酸、過瘤胃色氨酸對泌乳奶牛生產(chǎn)性能及血液指標(biāo)的影響，試驗(yàn)表明，添加色氨酸及過瘤胃色氨酸均能提高奶牛產(chǎn)奶量、血液生長激素含量及抗氧化能力，添加過瘤胃色氨酸的效果更好；此外，添加過瘤胃色氨酸還可以提高牛奶中褪黑素含量。王根等[45]試驗(yàn)指出，日糧中添加過瘤胃色氨酸可以提高綿羊血液抗氧化能力，并可以升高綿羊白天血液中褪黑素含量升高，但對夜間綿羊褪黑素含量沒有明顯影響。Kollmann等[46]給瑞士褐牛日糧中補(bǔ)充過瘤胃色氨酸，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高血液中的褪黑素含量。前文已經(jīng)介紹到，褪黑素是色氨酸的代謝產(chǎn)物之一，具有多種生理作用，在治療失眠、穩(wěn)定生物節(jié)律、提高免疫力，以及抗氧化、抗癌等方面都具有一定的作用[47]。因此，相比于人工合成褪黑素，以上研究可能對人們更好的利用褪黑素具有一定的啟示價值。劉君等[48]試驗(yàn)表明，日糧添加過瘤胃色氨酸可以有效降低肉羊尿氮的排泄，提高氮沉積，這與色氨酸在豬禽上的作用一致。綜上可以看出，反芻動物生產(chǎn)中色氨酸應(yīng)用的研究空間依然很大，需要相關(guān)從業(yè)者更加深入的研究。

5 小 結(jié)

作為動物的必需氨基酸，色氨酸與其代謝產(chǎn)物在提高動物機(jī)體免疫力、緩解應(yīng)激、促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)育等方面的功能已經(jīng)得到了很多研究的證實(shí)。在家禽與生豬產(chǎn)業(yè)中的研究已經(jīng)基本確定了色氨酸的需要量，但是在反芻動物上的研究空間仍然很大。此外，應(yīng)在合成色氨酸的技術(shù)上進(jìn)行更加深入的研究，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，以提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。目前，關(guān)于色氨酸使用時日糧中其他種類的氨基酸以及相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)理想模型的建立還缺乏相關(guān)研究。因此，深入開展色氨酸調(diào)控方面的研究意義重大，有關(guān)色氨酸對動物機(jī)體的調(diào)控機(jī)制仍需要研究，尤其是在反芻動物生產(chǎn)中。