胍基乙酸的代謝途徑及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

王子苑，舒健虹，袁暘暘，王小利

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006)

0 引言

胍基乙酸(Guanidine acetic acid, GAA)又稱(chēng)胍乙酸、N-咪基甘氨酸(N-Amidinoglycine)，是一種氨基酸類(lèi)似物，在脊椎動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)甲基化形成肌酸(Creatine, Cr)，并且是合成肌酸的唯一前體物[1]。1835年CHEVREUL首次在骨骼肌中發(fā)現(xiàn)肌酸，之后的研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物本身可內(nèi)源性合成機(jī)體所需肌酸的60%，但每天會(huì)有1.7%左右的肌酸-磷酸肌酸體系轉(zhuǎn)化成肌酐隨尿液排出體外[2]，因此機(jī)體必須持續(xù)地補(bǔ)充肌酸以滿足生長(zhǎng)需求。營(yíng)養(yǎng)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在畜禽飼料中外源補(bǔ)充肌酸能提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能，促進(jìn)肌肉中相關(guān)基因的表達(dá)以及蛋白質(zhì)的合成[3-4]，然而補(bǔ)充的肌酸穩(wěn)定性較差、利用率低，因此現(xiàn)在動(dòng)物生產(chǎn)中多采用胍基乙酸替代肌酸，其已經(jīng)被證實(shí)在提高組織肌酸負(fù)荷方面比肌酸更有效[5]。自2009年歐盟正式批準(zhǔn)胍基乙酸作為飼料添加劑應(yīng)用于肉仔雞以來(lái)，胍基乙酸作為一種新型綠色的飼料添加劑受到越來(lái)越多動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家的關(guān)注。綜述了胍基乙酸的代謝途徑及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的作用效果，以期為胍基乙酸的進(jìn)一步研究提供參考。

1 胍基乙酸的來(lái)源及代謝途徑

WEBER最早從人和狗的尿液中分離出胍基乙酸，并提出胍基乙酸是合成肌酸的前體物質(zhì)。肌酸磷酸化后生成磷酸肌酸，二者共同組成磷酸原系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)體ATP供應(yīng)不足時(shí)，磷酸肌酸在肌酸激酶(Creatine kinase, CK)的作用下將其磷酸基轉(zhuǎn)移到ADP中，快速合成ATP以供給能量。肌酸激酶主要存在于細(xì)胞質(zhì)和線粒體中，與細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)運(yùn)、肌肉收縮和ATP再生有著密切聯(lián)系，能可逆地催化磷酸肌酸和ATP間高能磷酸鍵的轉(zhuǎn)化。肌酸由L-精氨酸、甘氨酸和甲硫氨酸3種氨基酸合成，L-精氨酸在精氨酸-甘氨酸咪基轉(zhuǎn)移酶(L-arginine glycine amidinotransfercase, AGAT)的作用下斷開(kāi)胍基鍵形成L-鳥(niǎo)氨酸，切下的咪基轉(zhuǎn)移到甘氨酸上形成GAA，故GAA是一種甘氨酸衍生物。腎臟和胰腺合成的GAA以及外源獲得的GAA均通過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)礁闻K，S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine, SAM)在胍乙酸-N-甲基轉(zhuǎn)移酶(S-adenosyl methionine: guanidinoacetate N-methyltransferase, GAMT)的催化下將甲基轉(zhuǎn)移到GAA上生成肌酸和S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine, SAH)[6-8]。SAH提供甲基后水解成同型半胱氨酸和腺苷，其中同型半胱氨酸有2條去路：若甲硫氨酸充足，同型半胱氨酸進(jìn)入轉(zhuǎn)硫途徑，與絲氨酸在胱硫醚β合成酶(Cystathionineβsynthase, CβS)的作用下縮合形成胱硫醚，再水解為L(zhǎng)-半胱氨酸和α-酮丁酸；若甲硫氨酸缺乏，同型半胱氨酸從N5-甲基四氫葉酸接受甲基，重新甲基化后生成L-甲硫氨酸(圖1)。可見(jiàn)機(jī)體SAM的濃度很大程度上決定了同型半胱氨酸和甲硫氨酸的代謝途徑。有研究表明，機(jī)體內(nèi)源性合成肌酸所需甲基主要由SAM提供，因此在日糧中補(bǔ)充胍基乙酸勢(shì)必會(huì)增加機(jī)體對(duì)甲基的需求量[9]，然而動(dòng)物機(jī)體不能內(nèi)源性合成甲基，需要從食物中獲得以維持正常的生理功能。甜菜堿作為高效甲基供體，能在甜菜堿-同型半胱氨酸S-甲基轉(zhuǎn)移酶(Betaine-homocysteine S-methyltransferase, BHMT)的催化下，將甲基從甜菜堿轉(zhuǎn)移到同型半胱氨酸上產(chǎn)生二甲基甘氨酸和蛋氨酸，以此滿足機(jī)體對(duì)甲基需求量，同時(shí)清除體內(nèi)同型半胱氨酸的過(guò)分積累。LIU等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠日糧中添加甜菜堿和膽堿能減少同型半胱氨酸血癥的發(fā)生率。

圖1 胍基乙酸的代謝途徑Fig.1 Metabolic pathways of GAA

2 胍基乙酸在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

飼糧中外源性添加GAA可直接提高磷酸肌酸ATP值，數(shù)值越高說(shuō)明細(xì)胞能量代謝越快，即能為肌肉組織收縮、細(xì)胞活動(dòng)以及合成代謝提供更多及時(shí)的ATP[11]，從而促進(jìn)肌纖維的發(fā)育，改善動(dòng)物的生產(chǎn)性能。RINGEL等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨GAA添加量的增加，肉雞胸肉的產(chǎn)出量也線性上升。在循環(huán)熱應(yīng)激條件下，肉雞日糧添加GAA(正常蛋白水平的90%)能降低生長(zhǎng)肉雞在高溫條件下的死亡率，同時(shí)在日糧中添加5 g/kg GAA可以改善熱應(yīng)激條件下肉雞的生長(zhǎng)性能、死亡率、抗氧化狀態(tài)和腸絨毛形態(tài)[13]。張德福等[14]在肉仔雞基礎(chǔ)飼糧中添加800 mg/kg、1 600 mg/kg、4 000 mg/kg和8 000 mg/kg GAA發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加800～4 000 mg/kg GAA能顯著提高肉仔雞的日增重，降低后期(22～42日齡)和全期料重比；添加800～8 000 mg/kg GAA對(duì)肉仔雞血常規(guī)指標(biāo)、堿性磷酸酶、尿素氮、總膽紅素和谷草轉(zhuǎn)氨酶等血清生指標(biāo)、臟器指數(shù)以及組織同型半胱氨酸含量無(wú)顯著影響，說(shuō)明肉仔雞可耐受8 000 mg/kg GAA。

王亞瓊等[15]研究GAA對(duì)櫻桃谷肉鴨抗氧化能力的影響發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加0.05% GAA的試驗(yàn)組血清中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)活性和還原型谷胱甘肽(GSH)含量均顯著增加，肝臟中超氧化物歧化酶(SOD)活性和GSH含量也顯著增加，說(shuō)明在肉鴨飼糧中添加0.05% GAA可在一定程度上提高機(jī)體的抗氧化能力。HIRAMATSU[16]研究認(rèn)為，GAA既可以是抗氧化劑，也可以是助氧化劑。原因一方面是GAA的共軛堿能提供電子而生成自由基-過(guò)氧化物，具有促氧化作用；另一方面，GAA代謝后的肌酸和精氨酸有清楚自由基的功能，從而起抗氧化作用。然而目前對(duì) GAA和細(xì)胞氧化-抗氧化體系之間的關(guān)系還沒(méi)有明確定論。

2.2 胍基乙酸在家畜生產(chǎn)中的應(yīng)用

GAA作為肌酸的唯一前體物質(zhì)，能直接提高磷酸肌酸和ATP等高能量物質(zhì)的存貯量或利用效率，減少蛋白質(zhì)和脂肪的分解供能，有效促進(jìn)肌肉的能量代謝，從而促進(jìn)動(dòng)物機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育[17]。趙元等[18]報(bào)道，在育肥豬日糧中添加500 mg/kg、1 000 mg/kg和1 500 mg/kg的GAA能顯著提高育肥豬的日增重、胴體重、瘦肉率、屠宰率和眼肌面積，降低料肉比和第十肋骨處背膘厚；與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的背最長(zhǎng)肌和半腱肌的滴水損失、蒸煮損失、剪切力和粗脂肪含量均顯著下降，pH明顯升高。劉洋等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在育肥豬日糧中添加1 g/kg GAA及1 g/kg GAA+0.5 g/kg甜菜堿能顯著降低肌肉的滴水損失、硬度和蒸煮損失，同時(shí)提高pH45min和pH24h值、肌酸、磷酸肌酸以及ATP含量。這是由于GAA可間接為肌肉的收縮及新陳代謝提供ATP，延緩宰后肌肉糖酵解產(chǎn)生乳酸的速度，即減緩pH的下降，從而提高肌肉系水力改善肉質(zhì)[20]。

在灘羊基礎(chǔ)飼糧中添加0.1%氮氨甲酰谷氨酸(NCG)+0.08% GAA能顯著提高試驗(yàn)灘羊的平均日增重、飼料轉(zhuǎn)化率、屠宰率和凈肉率，明顯改善灘羊體脂的分配，即尾脂和GR值下降，肌內(nèi)脂肪含量升高[21]。肌酸能夠促進(jìn)肌肉組織蛋白重鏈和肌動(dòng)蛋白的合成，加強(qiáng)肌內(nèi)脂肪組織能量供給，從而提高肌肉中脂肪含量[22]。此外，辛均平等[23]采用體外產(chǎn)氣法研究不同水平GAA(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)對(duì)錦江黃牛瘤胃體外發(fā)酵參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加胍基乙酸能促進(jìn)瘤胃的發(fā)酵功能，試驗(yàn)組瘤胃pH顯著低于對(duì)照組，瘤胃微生物蛋白含量與GAA添加量呈正相關(guān)，隨著添加量的增加瘤胃液中揮發(fā)性脂肪酸總量顯著高于對(duì)照組。

2.3 胍基乙酸在水產(chǎn)生產(chǎn)中的應(yīng)用

有研究發(fā)現(xiàn)，在鯉的基礎(chǔ)飼料中添加3% EM菌+250 mg/kg GAA可在一定程度上提高鯉的生長(zhǎng)性能，促進(jìn)能量代謝，改善其非特異性免疫力[24]。洑琴等[25]研究GAA對(duì)建鯉生產(chǎn)性能和肌肉能量代謝的影響結(jié)果表明，在基礎(chǔ)飼料中添加250 mg/kg、500 mg/kg和1 000 mg/kg GAA可顯著降低餌料系數(shù)，其中以添加250 mg/kg GAA能獲得較佳的飼料轉(zhuǎn)化率；添加250 mg/kg和500 mg/kg GAA能顯著提高肌糖原含量，說(shuō)明葡萄糖更多以糖原的形式貯存在肌肉中，同時(shí)丙酮酸激酶、琥珀酸脫氫酶活性及肌酸激酶活性顯著下降，說(shuō)明外源性添加GAA能直接增加磷酸肌酸和ATP含量，減少葡萄糖分解供能，從而導(dǎo)致糖酵解反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵酶丙酮酸激酶和三羧酸循環(huán)中的標(biāo)志酶琥珀酸脫氫酶活性降低[26]。

3 展望

GAA作為新型飼料添加劑，不僅能促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)性能、提高飼料利用率、改善肉質(zhì)，同時(shí)還在抗氧化應(yīng)激方面發(fā)揮著一定效果。目前GAA在我國(guó)動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用尚處于起步階段，對(duì)于其在飼料中的添加劑量及作用機(jī)制，特別是對(duì)于反芻動(dòng)物特殊的消化道結(jié)構(gòu)，在日糧中添加GAA在瘤胃內(nèi)是否會(huì)被微生物大量降解，是否遵循單胃動(dòng)物及家禽同樣的代謝機(jī)制，或許將是營(yíng)養(yǎng)學(xué)家下一步的研究方向和重點(diǎn)。