精氨酸在動(dòng)物營養(yǎng)中的生理作用及其研究進(jìn)展

范玉潔，王曉旭，鮑坤，鐘偉，李光玉，王凱英

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物分子生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130112）

精氨酸（arginine, Arg）是幼齡哺乳動(dòng)物及家禽的必需氨基酸之一。母乳中含量低、自身合成精氨酸能力不足，無法滿足動(dòng)物機(jī)體營養(yǎng)的需求，致使幼畜生長性能受限，需要額外供給。對(duì)于成年動(dòng)物，精氨酸是一種條件必需氨基酸，當(dāng)動(dòng)物處于健康狀態(tài)時(shí)，其自身合成量能夠滿足機(jī)體需要，精氨酸就成為非必需氨基酸[1]；當(dāng)動(dòng)物處于創(chuàng)傷、饑餓、應(yīng)激及快速生長等狀態(tài)下時(shí)，自身合成量無法滿足機(jī)體需要，精氨酸就成為必需氨基酸。近年來精氨酸的營養(yǎng)生理功能越來越受到重視，國內(nèi)外許多研究表明精氨酸通過代謝反應(yīng)參與機(jī)體的營養(yǎng)免疫調(diào)節(jié)。本文對(duì)目前精氨酸在動(dòng)物營養(yǎng)方面的研究進(jìn)行簡要闡述，旨在為精氨酸在特種動(dòng)物健康養(yǎng)殖方面的利用提供借鑒。

1 精氨酸的理化特性與功能

精氨酸是一種堿性氨基酸，分子量為174.20，為單斜片狀結(jié)晶或白色菱形結(jié)晶，無臭、味苦、易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。其結(jié)構(gòu)式見圖1。

精氨酸是瑞士化學(xué)家Schulze 1886 年從羽扇豆幼苗中首次分離出來并命名。1895 年Hedin從動(dòng)物蛋白質(zhì)中也分離出了精氨酸。精氨酸存在兩種異構(gòu)體，即L-精氨酸和D-精氨酸，在生物體內(nèi)能夠發(fā)揮生理作用的是L-精氨酸。

圖1 精氨酸結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of arginine

精氨酸是目前發(fā)現(xiàn)功能最多的一種氨基酸，在所有氨基酸中具有非常重要的地位。精氨酸不僅廣泛參與動(dòng)物機(jī)體代謝，其代謝產(chǎn)物在動(dòng)物免疫、神經(jīng)、心血管和內(nèi)分泌系統(tǒng)中發(fā)揮多種功能，如調(diào)控蛋白質(zhì)合成、促進(jìn)蛋白質(zhì)沉積等[2-4]；參與NO 和多胺的合成，是尿素循環(huán)的中間產(chǎn)物；而且能調(diào)控動(dòng)物的蛋白質(zhì)代謝、生長發(fā)育，調(diào)節(jié)動(dòng)物機(jī)體消化吸收脂溶性物質(zhì)、降低動(dòng)物機(jī)體血糖水平和抗應(yīng)激反應(yīng)等諸多重要的生理機(jī)能，如刺激動(dòng)物機(jī)體釋放生長激素和胰島素，刺激下丘腦、腎上腺等部位分泌激素，對(duì)糖、脂肪和蛋白質(zhì)的代謝起著重要的協(xié)同平衡作用[5]。

2 精氨酸在動(dòng)物體內(nèi)的合成與代謝機(jī)制

2.1 精氨酸在動(dòng)物體內(nèi)的合成

動(dòng)物體內(nèi)精氨酸的來源主要分3 個(gè)方面：一是飼糧的供給，飼糧中約40%的精氨酸直接在小腸內(nèi)被分解代謝，其余進(jìn)入其他器官組織參與機(jī)體代謝循環(huán)，這是精氨酸最主要的來源[6]；二是機(jī)體蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)代謝，動(dòng)物禁食時(shí)，高達(dá)80%的精氨酸依賴于機(jī)體蛋白質(zhì)的分解；三是動(dòng)物機(jī)體內(nèi)源合成，由脯氨酸和谷氨酸等其他氨基酸轉(zhuǎn)化而來。

精氨酸在動(dòng)物體內(nèi)合成和吸收的主要部位是小腸，腎臟也是動(dòng)物合成精氨酸的重要部位。Francois 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物機(jī)體利用脯氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺在腸細(xì)胞線粒體合成瓜氨酸，幼齡動(dòng)物在腸上皮細(xì)胞中將瓜氨酸直接轉(zhuǎn)化為精氨酸，而成齡哺乳動(dòng)物則是將合成的瓜氨酸在小腸釋放并主要進(jìn)入腎臟合成精氨酸。

2.2 精氨酸在動(dòng)物體內(nèi)的代謝

精氨酸主要在動(dòng)物小腸和肝臟代謝。在小腸中，大約40%的精氨酸被分解為尿素和鳥氨酸，鳥氨酸進(jìn)而轉(zhuǎn)化為脯氨酸，大約6% 被轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟分解為尿素和鳥氨酸，其余則參與機(jī)體血液循環(huán)。精氨酸在體內(nèi)的代謝途徑：①在腸內(nèi)，通過Ⅰ型和Ⅱ型精氨酸酶的作用分解代謝為尿素和鳥氨酸，鳥氨酸通過鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶和P5C還原酶進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為脯氨酸[8]。②在腸外組織中，精氨酸在甘氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、精氨酸脫羧酶和一氧化氮合酶的作用下與甘氨酸、蛋氨酸合成代謝為鳥氨酸、肌酐酸、胍丁胺和一氧化氮[9]，再由精氨酸分解酶分解代謝為鳥氨酸和尿素。這兩種途經(jīng)的最終產(chǎn)物均為尿素和鳥氨酸，其中尿素經(jīng)由腎臟并隨著尿液排出體外，鳥氨酸經(jīng)過一系列代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化為腐胺、谷氨酰胺和脯氨酸。其中腐胺能繼續(xù)分解為亞精胺和精胺，此三者統(tǒng)稱為多胺，多胺是細(xì)胞增殖的促進(jìn)劑，能夠調(diào)控細(xì)胞生長；谷氨酰胺可進(jìn)入三羧酸循環(huán)，進(jìn)行氧化供能并產(chǎn)生CO2。③通過氧化途徑，以L-精氨酸為底物，經(jīng)一氧化氮合酶（NOS），以分子氧和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸為輔助因子催化生成一氧化氮（NO）和瓜氨酸。其中NO 成為機(jī)體內(nèi)具有多種調(diào)節(jié)作用的信號(hào)分子，而瓜氨酸通過體循環(huán)運(yùn)送到腎臟重新合成精氨酸。④在家禽體內(nèi)，精氨酸參與機(jī)體鳥氨酸循環(huán)分解成氨并參與嘌呤的合成，最后降解為尿酸排出體外?？梢姡彼峒捌潢P(guān)鍵代謝產(chǎn)物，是動(dòng)物機(jī)體十分重要的生理因子，合理利用直接關(guān)系動(dòng)物生長發(fā)育和健康。

3 精氨酸在動(dòng)物營養(yǎng)生理中的作用

精氨酸能夠促進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，因此日糧中添加適量精氨酸可有效降低日糧的蛋白質(zhì)水平，平衡日糧的氨基酸組成，提高飼料轉(zhuǎn)化率。精氨酸在動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)作用具體如下：

3.1 精氨酸對(duì)動(dòng)物機(jī)體生長性能的影響

精氨酸是新生哺乳動(dòng)物的必需氨基酸[10]，是新生哺乳動(dòng)物維持最佳生長狀態(tài)的營養(yǎng)性氨基酸，能使幼齡哺乳動(dòng)物的生長性能達(dá)到最佳狀態(tài)[11]。有關(guān)研究報(bào)道，精氨酸是維持新生哺乳仔豬生長發(fā)育的功能性條件必需氨基酸[1]。Kim 等[12]在7～21 日齡人工哺乳仔豬的代乳品中分別添加0.2%和0.4%的精氨酸后，發(fā)現(xiàn)仔豬血漿中精氨酸的濃度分別增加了30% 和61%，體重分別提高了28%和66%。Yao 等[13]在21 日齡去勢(shì)仔豬飼糧中添加1%的精氨酸可促進(jìn)仔豬腸道生長發(fā)育以及腸道黏膜血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的表達(dá)，說明精氨酸有助于改善血管功能和生長性能，并促進(jìn)小腸營養(yǎng)吸收。精氨酸通過刺激動(dòng)物機(jī)體下丘腦、胰腺和腎上腺等部位來促使相關(guān)激素的分泌，如催乳素和GH、INS 和IGF-1 等，從而影響機(jī)體的生長性能和免疫功能。范苗[14]在新生仔豬飼糧中添加精氨酸，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組血清生長激素和胰島素水平分別比未添加精氨酸組提高28.23%和4.68%。姜麗麗[15]發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加0.215%～0.238%精氨酸可使蛋雛鴨血清中的IgM、GH、INS 和IL-2 水平提高，并能顯著增強(qiáng)其機(jī)體免疫功能。作為一種功能性氨基酸，精氨酸及其代謝產(chǎn)物在機(jī)體生長發(fā)育方面具有重要作用。孫皓然[16]研究發(fā)現(xiàn)，在母狐和公狐的育成期飼糧中分別添加0.8%和1.0%的精氨酸，冬毛期飼糧中分別添加0.6%和0.8%的精氨酸有助于提高藍(lán)狐的生產(chǎn)性能，利于其機(jī)體健康。Ding等[17]研究發(fā)現(xiàn)，與未補(bǔ)充精氨酸組或補(bǔ)充丙氨酸組相比，由頸靜脈補(bǔ)充精氨酸的泌乳奶牛乳腺中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SLC7A2 和SLC7A8）表達(dá)增加，游離氨基酸攝取明顯增加，因此產(chǎn)奶量、產(chǎn)奶效率和乳蛋白水平也隨之提高，奶牛的氮利用率和泌乳性能均得到提高。此外，張仕琦等[18,19]研究發(fā)現(xiàn)，L-精氨酸可作為營養(yǎng)調(diào)控劑，促進(jìn)伊犁馬運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量代謝，亦可用于促進(jìn)運(yùn)動(dòng)后的疲勞恢復(fù)或緩解馬運(yùn)動(dòng)疲勞。家禽體內(nèi)由于沒有合成精氨酸前體的關(guān)鍵酶，因此家禽自身無法合成精氨酸。劉鳳菊等[20]研究發(fā)現(xiàn)，1～3 周齡的肉仔雞平均日增重和體重隨著飼糧中精氨酸水平的提高而升高，精氨酸水平為1.38%時(shí)，肉仔雞體重和平均日增重提高最顯著。由此可知，精氨酸可通過促進(jìn)腸道黏膜發(fā)育以及刺激生長激素等相關(guān)激素的分泌來達(dá)到促進(jìn)動(dòng)物生長發(fā)育的作用。然而，反芻動(dòng)物的消化系統(tǒng)與單胃動(dòng)物不同，可能因?yàn)榱鑫肝⑸锃h(huán)境的影響使精氨酸的生理作用略有不同，因此亟需開展精氨酸在反芻動(dòng)物飼養(yǎng)中的研究。

3.2 精氨酸對(duì)動(dòng)物機(jī)體免疫功能的影響

除促生長作用外，精氨酸對(duì)動(dòng)物體內(nèi)的代謝還起到平衡免疫反應(yīng)的作用，尤其是對(duì)T 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞特別重要[21]。精氨酸主要通過“精氨酸酶途徑”和“一氧化氮途徑”來調(diào)節(jié)動(dòng)物機(jī)體的免疫功能。在“精氨酸酶途徑”中，精氨酸在精氨酸酶的作用下水解產(chǎn)生鳥氨酸，鳥氨酸在線粒體中繼續(xù)生成瓜氨酸，這些代謝產(chǎn)物可促進(jìn)機(jī)體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，從而提高機(jī)體的免疫功能。在“一氧化氮途徑”中，精氨酸通過NOS 的催化作用生成NO，NO 通過引起組織血管的擴(kuò)張來調(diào)控機(jī)體免疫反應(yīng)，以此維持機(jī)體的免疫平衡[22]。Rodriguez等[23]通過在大鼠飲水中補(bǔ)充2%的精氨酸，結(jié)果表明過量的精氨酸可促進(jìn)T 細(xì)胞增殖，證實(shí)精氨酸具有提高機(jī)體免疫的作用。Bronte 等[24]在進(jìn)行細(xì)胞體外培養(yǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)精氨酸的濃度超過100mol/L 時(shí)，能夠在某種程度上刺激T 細(xì)胞增殖，在培養(yǎng)液中加入精氨酸，除輔助性T 細(xì)胞（CD4+）數(shù)量無變化外，細(xì)胞毒性T 細(xì)胞（CD8+）和記憶性T 細(xì)胞亞群數(shù)量均增加。Han等[25]在斷奶仔豬的飼糧中添加0.5%的精氨酸可增加仔豬的淋巴細(xì)胞數(shù)量，提高血清IL-2 與IFN-的表達(dá)水平以及改善仔豬免疫應(yīng)激；此外，對(duì)仔豬免疫抑制具有緩解作用。羅海吉等[26]研究發(fā)現(xiàn)，適量的精氨酸可改善由高溫應(yīng)激引起的小鼠免疫功能衰退以及小鼠胸腺和脾臟的急性萎縮，淋巴細(xì)胞增殖活性也顯著增強(qiáng)；其在2005 年研究表明，適量的精氨酸能夠提高小鼠的免疫力，而過量的精氨酸則會(huì)抑制淋巴細(xì)胞的增殖，降低免疫力[27]。以上研究結(jié)果表明，適量添加精氨酸可以改善動(dòng)物機(jī)體的免疫功能，若添加量不足則不能刺激免疫細(xì)胞增殖；若過量添加會(huì)對(duì)動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生負(fù)面影響，可見，精氨酸添加量要遵循適度原則。

3.3 精氨酸對(duì)動(dòng)物繁殖性能的影響

作為合成一氧化氮（NO）和多胺的前體物，精氨酸對(duì)于促進(jìn)哺乳動(dòng)物胎盤血管生成和發(fā)育具有關(guān)鍵作用。一氧化氮（NO）為促使血管舒張的信號(hào)分子；多胺為合成DNA和蛋白質(zhì)的關(guān)鍵調(diào)控者[28-30]，因此，精氨酸的代謝產(chǎn)物——一氧化氮（NO）和多胺可調(diào)節(jié)和改善子宮胎盤血流量，從而防止胎兒在母體子宮內(nèi)生長受限的情況出現(xiàn)[31,32]。有研究發(fā)現(xiàn)NO 不僅參與到調(diào)控胎盤血管發(fā)生的過程[33]，還可以通過擴(kuò)張血管來增加胎盤-胎兒血流量[34]。Vander Lende 等[35]在母豬妊娠的第14～30 天和第105 天分娩時(shí)均補(bǔ)飼l%的精氨酸，發(fā)現(xiàn)母豬的分娩率提高到15%、窩產(chǎn)仔數(shù)和窩產(chǎn)活仔數(shù)均增加了8%。Zeng 等[36]試驗(yàn)研究表明，在妊娠第1～7 天的大鼠飼料中添加1.3%的精氨酸，妊娠第7 天大鼠胚胎存活率增加30%，窩產(chǎn)仔數(shù)增加3 只。Lassala 等［37,38］研究表明，精氨酸可提高多胎母羊胎兒出生體重和營養(yǎng)不良母羊的單胎兒出生體重。Yang等[39]研究顯示，在妊娠期和泌乳期母豬日糧中補(bǔ)充1%的精氨酸，可使母豬產(chǎn)仔數(shù)提高22%，每窩活產(chǎn)仔數(shù)平均增加2 頭，且活出生窩重提高24%，同時(shí)對(duì)初產(chǎn)母豬泌乳性能具有潛在的促進(jìn)作用。以上各研究結(jié)果表明在妊娠雌性動(dòng)物日糧中添加精氨酸有利于促進(jìn)胚胎穩(wěn)定附植于母體子宮以及提高胚胎存活率。對(duì)于雄性動(dòng)物，精氨酸分解代謝產(chǎn)生的NO 可以參與調(diào)控雄性動(dòng)物睪丸的微循環(huán)，改善精子活力和提高受精能力。李永海等[40]研究報(bào)道，精氨酸顯著影響受胎率，其機(jī)制可能是精氨酸對(duì)性染色體上的睪丸決定因子起作用。以上研究結(jié)果表明，精氨酸及其代謝產(chǎn)物既能促進(jìn)雌性哺乳動(dòng)物胎盤血管生成和發(fā)育，也能有效提高雄性動(dòng)物的精子活力，適量攝入可有效提高哺乳動(dòng)物繁殖性能。

4 精氨酸與賴氨酸的互作效應(yīng)

賴氨酸和精氨酸均屬堿性氨基酸，且賴氨酸也是必需氨基酸，二者在機(jī)體內(nèi)均不能合成或合成量有限，主要通過飼料補(bǔ)充[41,42]。精氨酸和賴氨酸在能量儲(chǔ)存、蛋白質(zhì)合成、氮代謝產(chǎn)物排泄、促進(jìn)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化和增強(qiáng)動(dòng)物免疫功能等方面都具有重要作用。賴氨酸和精氨酸在體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，共用同一套轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，除此之外，二者的重吸收途徑亦相同，因此，二者在吸收過程中存在拮抗作用[43]。目前精氨酸和賴氨酸拮抗作用的研究主要集中在豬、雞和鼠上，其他動(dòng)物的研究報(bào)道較少。家禽因缺乏某些關(guān)鍵的酶，如氨基甲酰磷酸合成酶[44]，致使其自身無法合成精氨酸或者合成率低，只能由日糧供給。禽類對(duì)精氨酸的需求量相對(duì)較高，過量賴氨酸則可通過誘導(dǎo)腎臟精氨酸酶來提高精氨酸的代謝。Austic 等[45]研究雞日糧中精氨酸和賴氨酸的拮抗試驗(yàn)證實(shí)，精氨酸和賴氨酸的拮抗作用主要與飼料中賴氨酸的添加量有關(guān)。另外，沈勇等[46]研究表明，飼料中精氨酸和賴氨酸的配比不同能夠影響全雄黃顙魚消化酶活性特別是蛋白酶活性，并影響飼料養(yǎng)分的消化吸收。孫豐[47]研究表明，當(dāng)精氨酸與賴氨酸的比例為1.4:1時(shí)，0～21 日齡肉仔雞能夠獲得最好的飼料轉(zhuǎn)化效率、最大的體增重和屠宰率，當(dāng)精氨酸與賴氨酸的比例為1:1 時(shí)，22～42 日齡肉仔雞能夠獲得最大的屠宰率和胸肌率。對(duì)于不同動(dòng)物、不同日糧組成及環(huán)境條件，日糧中賴氨酸與精氨酸的適宜比例也不同。目前，對(duì)于賴氨酸和精氨酸之間的拮抗作用沒有統(tǒng)一的說法，但是可以肯定的是，賴氨酸與精氨酸的拮抗作用因動(dòng)物種屬不同而異。因此，在對(duì)二者進(jìn)行的大量研究中，結(jié)果大都不一致。為了得出不同條件下日糧中賴氨酸與精氨酸的適宜比例，應(yīng)著重研究二者在動(dòng)物營養(yǎng)生理方面的相互關(guān)系。

5 精氨酸的研究前景

精氨酸是動(dòng)物營養(yǎng)中關(guān)鍵的條件性必需氨基酸之一，對(duì)動(dòng)物腸道發(fā)育、蛋白質(zhì)合成和氮素循環(huán)等均起著重要作用，特別是在動(dòng)物生長發(fā)育、繁殖性能和機(jī)體免疫等關(guān)鍵指標(biāo)上的促進(jìn)作用，得到了多項(xiàng)研究成果的證實(shí)，受到廣泛關(guān)注，但因?yàn)榫彼崽砑恿?、?dòng)物健康狀況及所處生理時(shí)期等實(shí)驗(yàn)條件的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡相同。此外截止目前，關(guān)于精氨酸的研究主要集中在豬、雞等傳統(tǒng)單胃畜禽上，對(duì)牛、羊等反芻動(dòng)物（特別是幼齡動(dòng)物）的研究較少，對(duì)梅花鹿的研究則基本屬于空白。以前人對(duì)單胃動(dòng)物研究成果為理論基礎(chǔ)，將精氨酸引入反芻動(dòng)物，深入開展精氨酸對(duì)反芻動(dòng)物的研究，探究精氨酸對(duì)反芻動(dòng)物的作用機(jī)制，確定精氨酸最適添加量，為優(yōu)化反芻動(dòng)物飼料配方提供理論依據(jù)，對(duì)深入探討和研究精氨酸在特種動(dòng)物上的作用、提高動(dòng)物生產(chǎn)性能具有十分重要的意義。