胍基乙酸在豬營養(yǎng)中的研究進(jìn)展

王向明，劉則學(xué)

[1.中糧家佳康（張北）有限公司，河北 張家口 076450；2.武漢中糧肉食品有限公司，湖北 武漢 430200]

胍基乙酸（guanidine acetic acid, GAA）又名為胍乙酸、N－咪基甘氨酸，是肌酸的天然前體[1]，其理化性質(zhì)見表1。動物機(jī)體中，L-精氨酸和甘氨酸可以合成胍基乙酸，L-精氨酸咪基被L-精氨酸甘氨酸咪基轉(zhuǎn)移酶分開，L-精氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)長-鳥氨酸，甘氨酸與切下的咪基結(jié)合形成胍基乙酸[2]。肌酸在肝臟中是由GAA甲基化形成的[3]，在飼糧中加入GAA的目的是為了增加動物體內(nèi)肌酸含量，歐盟在2009年10月將GAA列入飼料添加劑目錄[4]。

表1 GAA理化性質(zhì)

1 GAA的代謝途徑

胍基乙酸約80年前首次被確定為人類的天然化合物[5]。20世紀(jì)50年代被用作治療劑[6]。此后的研究發(fā)現(xiàn)，甘氨酸和L-精氨酸在動物體內(nèi)會形成GAA，即L-精氨酸甘氨酸咪基轉(zhuǎn)移酶（L-arginine:glycine amidinotranferase, AGAT）將L-精氨酸的咪基分開，形成L-鳥氨酸，被切下的咪基與甘氨酸結(jié)合形成GAA，所以GAA也被稱作甘氨酸衍生物，存在于動物的各組織器官[7]，且還是尿液的常規(guī)成分[8]。在人體中，腎臟合成的GAA約占GAA總產(chǎn)量的20%，表明腎臟是合成GAA的主要場所，但GAA也在其他組織（胰腺、肝臟和肌肉）中合成[9]。自身合成或從飼糧中吸收的GAA，都可通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)移至肝臟，利用甲基化的方式合成肌酸。在肝臟中，GAA在生物轉(zhuǎn)化過程中需要S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶（S-adenosylmethionine:guanidinoacetate N-methyltransferase, GAMT）的催化，S-腺苷蛋氨酸（S-adenosyl methionine, SAM）可給GAA提供甲基，GAA與甲基結(jié)合生成肌酸和S-腺苷高半胱氨酸（S-adenosyl-L-homocysteine, SAH），在腺嘌呤核苷同型半胱氨酸水解酶的作用下，SAH可生成腺嘌呤核苷和同型半胱氨酸。GAA合成肌酸所需要的甲基不是由機(jī)體內(nèi)其他甲基化供給，主要是由SAM提供[3]，且由SAM提供甲基的反應(yīng)85%以上在肝臟中進(jìn)行[10]。據(jù)報(bào)道，約40%的甲基用于通過GAMT催化的反應(yīng)合成肌酸[11]。肌酸在體內(nèi)可轉(zhuǎn)變成磷酸肌酸和肌酐，參與能量代謝。研究發(fā)現(xiàn)，L-精氨酸和甘氨酸在合成胍基乙酸的過程中分別作為機(jī)體合成肌酸的限速步驟和調(diào)節(jié)靶點(diǎn)[12]。肌酸可利用反向調(diào)節(jié)功能調(diào)整甘氨酸咪基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)[13]，但不能反向調(diào)節(jié)S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N–甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)[12]。這表明胍基乙酸和肌酸的合成步驟是不可逆的，必須胍基乙酸合成在前，肌酸合成在后。如果GAA在飼糧中過量添加，就會造成甲基需要量增大，導(dǎo)致同型半胱氨酸量增多，易引發(fā)胱氨酸血癥[14-15]。

2 GAA的生物學(xué)功能

2.1 GAA促進(jìn)動物代謝合成

GAA能夠刺激或抑制與糖代謝有關(guān)的關(guān)鍵酶的活性加強(qiáng)體內(nèi)分解代謝，增加三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）水平從而來加強(qiáng)能量物質(zhì)的合成[16]。此外，機(jī)體合成肌酸的主要基礎(chǔ)物質(zhì)就是GAA，作為體內(nèi)新陳代謝的重要組成部分，肌酸是能量臨時(shí)儲存的場所。肌酸包括游離肌酸和磷酸肌酸，兩者在體內(nèi)共同組成磷酸原系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)體ATP含量高時(shí)，磷酸肌酸就會把能量儲存；當(dāng)機(jī)體ATP含量低時(shí)，磷酸肌酸就會釋放ATP，但因ATP無法穿透細(xì)胞膜，因此不能從體外獲得ATP，所以只能由葡萄糖或其他能源物質(zhì)提供[17]。合成肌酸的前體物質(zhì)就是胍基乙酸，生產(chǎn)中可以在飼糧中加入胍基乙酸來達(dá)到補(bǔ)充肌酸的目的。在肌酸激酶的作用下，肌酸可以形成磷酸肌酸，磷酸肌酸一方面是機(jī)體活細(xì)胞能量來源的關(guān)鍵物質(zhì)，另一方面也是機(jī)體組織中關(guān)鍵的能量儲備[18-19]，機(jī)體缺乏能量時(shí)，可以利用肌酸激酶催化磷酸肌酸，使其釋放ATP，從而提高機(jī)體ATP水平[20]。

2.2 GAA在動物抗氧化過程中的作用

利用抗氧化系統(tǒng)，動物能快速消除機(jī)體過多的自由基，從而維持機(jī)體自由基平衡。正常情況下，自由基的生成和清除是處于平衡狀態(tài)的。在受到外部刺激或機(jī)體紊亂時(shí)，自由基會大量產(chǎn)生并積聚，當(dāng)超出機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的耐受力后，就會導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化損傷，從而影響動物的健康。飼喂含有GAA飼糧的動物體內(nèi)抗氧化活性增強(qiáng)有兩個原因：一是攝取GAA后，動物體內(nèi)肌酸和磷酸肌酸含量明顯增加，肌酸具備良好的抗氧化功能，磷酸肌酸能夠加強(qiáng)抗氧化酶系統(tǒng)功能，以此來防止氧化應(yīng)激的出現(xiàn)。肌酸可通過清除活性氧，特別是羧基和活性氮來保護(hù)細(xì)胞，此外，肌酸激活肌酸激酶（creatine kinase, CK）利用二磷酸腺苷（adenosine diphos-phate, ADP）再循環(huán)系統(tǒng)消除自由基，從而起到抗氧化功能[21]。Lawler等[22]研究表明，高濃度肌酸能夠清除自由基；Guidi等[23]發(fā)現(xiàn)，由氧化應(yīng)激造成的線粒體DNA損傷可通過肌酸得到緩解。二是添加GAA可減少動物的內(nèi)源性合成，降低精氨酸消耗，增加細(xì)胞內(nèi)精氨酸的含量。精氨酸具有抗氧化作用，可以消除如超氧陰離子等自由基，能夠清除黃嘌呤氧化酶所產(chǎn)生的超氧陰離子，抑制銅離子誘發(fā)的脂蛋白氧化和內(nèi)皮細(xì)胞及主動脈環(huán)釋放的超氧陰離子[24]。此外，內(nèi)皮細(xì)胞中氧化低密度脂蛋白（low density lipoprotein, LDL）可誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激，而精氨酸則可阻止機(jī)體受到損傷[25]。GAA是合成肌酸的前體物質(zhì)，在動物飼糧中添加GAA可以提高機(jī)體肌酸和磷酸肌酸的量，節(jié)省精氨酸的消耗，GAA就是利用這種方式達(dá)到抗氧化的目的。

3 GAA在豬飼糧中的應(yīng)用

3.1 GAA對豬生產(chǎn)性能的影響

飼糧中添加GAA可以有利于肌酸的合成，提高豬的生產(chǎn)性能[26]。相關(guān)研究見表2。

表2 GAA對豬生產(chǎn)性能的影響

飼糧中加入GAA有助于動物生長，原因可能是GAA的內(nèi)源合成減少了。GAA在體內(nèi)合成需要甘氨酸和精氨酸的參與，在飼糧中添加GAA可以減少甘氨酸和精氨酸的消耗量，這樣使得精氨酸和甘氨酸可以最大程度地參與機(jī)體氨基酸和蛋白質(zhì)的合成，從而促進(jìn)機(jī)體的生長[34]。作為生長肥育豬的必需氨基酸，當(dāng)飼糧中精氨酸缺乏時(shí)可以通過添加GAA來解決。機(jī)體攝入GAA后，可以增加肌肉中肌酸和磷酸肌酸的含量，降低機(jī)體碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的損耗。GAA一方面影響γ－氨基丁酸分泌，促進(jìn)下丘腦分泌促生長激素釋放激素，進(jìn)而促進(jìn)垂體分泌生長激素[1]；另一方面，GAA還可以促進(jìn)類胰島素樣生長因子-Ⅰ（IGF-Ⅰ）的分泌來促進(jìn)機(jī)體生長[35]。

通過表2可知，飼糧中添加GAA能提高仔豬和肥育豬日增重和降低料重比，并且添加GAA可以提高磷酸肌酸和ATP等利用率，減少蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物的分解，進(jìn)而有助于促進(jìn)動物生長，提高飼料利用率。

3.2 GAA對豬胴體品質(zhì)和肉質(zhì)的影響

在動物飼糧中添加GAA，不僅可以提高胴體性狀，而且可以改善肉質(zhì)。有關(guān)研究如表3所示。

表3 GAA對豬胴體性狀和肉質(zhì)的影響

綜上所述，飼糧中添加GAA對肥育豬生長性能、胴體性狀、肉質(zhì)、肌肉品質(zhì)的改善具有積極作用。通常，動物屠宰后其血液內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)就會停止供氧，造成ATP水平下降，此時(shí)無氧酵解發(fā)揮作用，在肌肉中產(chǎn)生乳酸，導(dǎo)致肌肉pH降低。然而，在飼糧中添加GAA可以增加肌酸和磷酸肌酸的儲備，提高ATP的含量，屠宰后可以緩解無氧酵解在肌肉中的反應(yīng)，進(jìn)而提高肌肉pH。Rahman等[37]發(fā)現(xiàn)，肌肉系水力增加能夠改善肉的硬度。屠宰后肌肉pH達(dá)到最低前，鈣離子會從肌細(xì)胞的肌漿內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中游離出來[38]，在能量的作用下會出現(xiàn)肌肉收縮。通常，當(dāng)肌肉收縮達(dá)到40%時(shí)，硬度最高，但當(dāng)收縮大于40%時(shí)，肌肉會變得柔軟，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是肌動蛋白絲發(fā)生Z線斷裂造成的，添加GAA可以增加ATP的水平，在能量充足的條件下肌肉產(chǎn)生超收縮，進(jìn)而提升肌肉嫩度[35]。

3.3 GAA對豬抗氧化性能和糖代謝關(guān)鍵酶的影響

動物利用抗氧化系統(tǒng)能夠快速清除機(jī)體過量的自由基，保持機(jī)體穩(wěn)態(tài)。丙二醛（Malondialdehyde，MDA）作為脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物可以體現(xiàn)機(jī)體過氧化程度。作為體內(nèi)抗氧化酶之一的超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase,SOD），能夠把超氧根陰離子歧化為過氧化氫（Hydrogen peroxide, H2O2），從而清除毒性[39]。谷胱甘肽（Glutathione, GSH）能夠消除體內(nèi)自由基，總抗氧化能力（Total Antioxidant Capacity, T-AOC）則能反映機(jī)體總抗氧化的能力。GAA對豬抗氧化性能和糖代謝關(guān)鍵酶的影響見表4。

表4 GAA對豬抗氧化性能和糖代謝關(guān)鍵酶的影響

GAA通過增強(qiáng)抗氧化酶活力，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力。而GAA的抗氧化能力可能與肌酸水平有關(guān)。Lawler等[22]通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高濃度肌酸能夠清除體內(nèi)自由基。有報(bào)道稱，磷酸肌酸可以降低MDA含量，提高SOD和CAT活性，從而減輕阿霉素造成的氧化應(yīng)激，起到保護(hù)心肌的目的[42]。Maddock等[43]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生氧化應(yīng)激損傷后，可通過肌酸增強(qiáng)DNA活性，保證其正常功能。

血液中酶活性的變化可以反映機(jī)體的生理狀態(tài)[44]。在生成葡萄糖-6-磷酸和果糖-1，6-二磷酸的過程中，己糖激酶（Hexokinase, HK）催化葡萄糖磷酸化和磷酸果糖激酶（PFK）催化果糖-6-磷酸化分別會消耗1個ATP。三羧酸循環(huán)發(fā)生在線粒體中，其中異檸檬酸氧化脫羧轉(zhuǎn)化成α-酮戊二酸，這是異檸檬酸脫氫酶（IDH）催化三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的第1個脫羧反應(yīng)，此過程伴有NADH的形成[45]。

三羧酸循環(huán)生成的NADH能夠直接進(jìn)入呼吸鏈，與氧氣結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生2.5個ATP。胍基乙酸可以增加NADH-輔酶Q還原酶和ATP合成酶的活性，這也許和肌酸水平增加有關(guān)。磷酸肌酸能催化線粒體中ATP的形成，保持能量正常運(yùn)轉(zhuǎn)[46-47]。ATP水平的增加可以促進(jìn)能量儲存組織如肌肉和脂肪的合成。肌酸是胍基乙酸通過肝臟和SAM形成的，磷酸肌酸和ADP則是肌酸經(jīng)肌酸激酶（CK）催化再與ATP結(jié)合形成的，ATP消耗量低于ATP合成量，因此在飼糧中添加GAA，可增加ATP水平。

4 小結(jié)

飼糧中添加胍基乙酸，不僅能夠增加畜禽飼料利用率，調(diào)節(jié)能量代謝，改善肉品質(zhì)，而且還可以增加養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。作為新型的飼料添加劑，胍基乙酸在我國養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用當(dāng)前還處在摸索時(shí)期，對胍基乙酸的最佳添加劑量、耐受性和作用機(jī)制需要進(jìn)一步研究和探索。