鋅的抗氧化機制及其在豬禽生產中的研究進展

王中杭，陳靈君，章亦武，丁浩軒，馮 杰

（浙江大學飼料科學研究所，浙江省動物營養(yǎng)重點實驗室，浙江杭州 310058）

適宜水平的自由基能夠調控細胞分化、發(fā)揮信號傳導等功能[1]，而當機體遭受刺激時，體內會生成過量的活性氧（ROS）和大量的活性氮自由基（RNS），若自身抗氧化系統(tǒng)無法及時清除這些多余的自由基，便會發(fā)生氧化應激。誘發(fā)動物產生氧化應激的因素很多，如斷奶、分娩過程、環(huán)境劇烈變化等。氧化應激會導致DNA 損傷、脂質過氧化和蛋白質降解，對動物肝臟、腸道等組織器官造成損傷，影響動物健康，降低動物生產性能[2]。從營養(yǎng)調控方面緩解生產中氧化應激，可以有效減輕氧化應激對畜牧業(yè)造成的負面效應。

目前研究表明，鋅作為動物必需的微量元素之一，其通過調控體內多種酶的活力，影響蛋白質、核酸的合成以及細胞的增殖、分化等許多細胞活動[3]。適量補鋅不僅可以提高動物繁殖性能、改善腸道健康等，而且會增強機體抗氧化功能，提高免疫力[4-5]。動物缺鋅可能導致鋅依賴性抗氧化功能下降，氧化應激易感性隨之增加。基于目前畜禽養(yǎng)殖行業(yè)中易出現氧化應激的問題，使得抗氧化應激相關研究得到更多關注。本文綜述了鋅的抗氧化機制及其在動物生產中的研究進展，以期為鋅元素在畜禽養(yǎng)殖中的合理使用提供參考。

1 鋅的抗氧化機制

1.1 鋅調控自由基的產生與猝滅 鋅具有調節(jié)多種蛋白質活性的能力，其可能是鋅調節(jié)ROS 和RNS 產生的基礎。鋅可直接抑制NADPH 氧化酶活性，減少自由基的產生。缺鋅則引起NADPH 氧化酶活性的增加，進而導致NADPH 含量降低，而NADPH 是產生具有抗氧化作用的谷胱甘肽（GSH）和保持谷胱甘肽還原酶活性所必需的[6]，故NADPH 含量的降低會引起自由基的增加。鋅可通過調節(jié)N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）進而影響神經元細胞中NO 和超氧陰離子（O2-）的產生，鋅與受體通道孔內外2 個位點結合，抑制NMDAR激活；缺鋅則會引起NMDAR 活化導致孔的開放，鈣和其他陽離子從細胞外空間進入細胞，鈣離子（Ca2+）可與鈣調素（CaM）結合，激活NO 合酶（NOS），從而引起NO 的生成增加；Ca2+濃度上升還可激活蛋白激酶C（PKC），進而激活NADPH 氧化酶，NADPH 氧化酶可催化O2-的形成[7-9]。鋅通過影響同型半胱氨酸（Homocysteine，Hcy）的代謝來減少自由基的生成。過量Hcy 會促進自由基的產生，引起機體氧化應激加重，而Hcy 主要通過2 個渠道進行代謝。其一條為轉硫途徑，涉及胱硫醚β-合成酶（Cystathionineβ-synthase，CBS）催化同型半胱氨酸到胱硫醚的硫轉移，其可以進一步形成半胱氨酸和GSH，而CBS 受Sp1 及其他鋅依賴性轉錄因子的調控[10]；第二條為甲基化途徑，主要受甜菜堿高半胱氨酸甲基轉移酶（BHMT）和甲硫氨酸合成酶（MS）調控，而它們均為鋅金屬蛋白酶[11]。因此，鋅可通過調節(jié)鋅金屬蛋白酶及鋅依賴性轉錄因子進而促進Hcy 的代謝，減輕機體氧化損傷。

1.2 鋅可直接激活抗氧化酶活性 GSH 為疏基含量最高的非蛋白質，在保護機體免受氧化損傷方面具有重要作用[12]。谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）能夠利用GSH將過氧化氫轉化為水，避免機體發(fā)生氧化損傷[13]。缺鋅時機體容易發(fā)生脂質過氧化，GSH-Px 耗竭也會引起GSH-Px 活性下降[14]。補鋅可通過提高超氧化物歧化酶（SOD）活性，增強機體清除ROS 的能力。SOD 能將O2-轉化為水保護細胞免受損傷，對機體的氧化還原平衡起著重要作用。根據金屬輔基的不同，機體內SOD存 在Fe-SOD、Mn-SOD 及Cu/Zn-SOD 3 種形式，而鋅是Cu/Zn-SOD 的輔因子[15]。因此，補鋅可通過提高SOD 活性增強機體清除ROS 的能力。

1.3 鋅調控抗氧化蛋白的合成 激活核因子E2 相關因子2（Nrf2）作為一種轉錄因子能夠調控抗氧化蛋白的表達，Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白-1（Keap1）是Nrf2 的胞漿抑制蛋白，其可調節(jié)Nrf2 的激活；當機體生理狀態(tài)處于正常時，Nrf2 與胞漿抑制蛋白Keap1 結合而發(fā)生泛素化和蛋白酶體降解，使其保持一般水平；當機體發(fā)生氧化應激時，Keap1 的構象會發(fā)生改變，導致其介導的泛素化對Nrf2 的降解作用減弱[16]，Nrf2 水平增加，其核易位與小Maf 蛋白結合形成異二聚體后再與抗氧化反應元件（ARE）結合[17]，進而啟動下游一系列抗氧化物質（如谷氨酰半胱氨酸連接酶、谷胱甘肽S 轉移酶等）的表達[7]。鋅能夠通過激活信號通路蛋白激酶B（Akt）/糖原合成酶激酶3β（GSK-3β），減少Fyn 蛋白對 Nrf2 的轉運與降解，影響Nrf2 的表達[18]。同時，鋅作為細胞內的第二信使，能夠通過刺激Keap1調控Keap1-Nrf2 通路[7]。此外，鋅還可通過調控Nrf2促進GSH 的合成[19]。

1.4 鋅參與金屬硫蛋白介導的抗氧化功能 鋅可調控鋅代謝相關蛋白進而調節(jié)金屬硫蛋白（MT）基因的表達。MT 不僅是一種金屬結合蛋白，也是過氧化物和自由基的有效清除劑。在評估空腹應激引起肝臟MT 抗氧化特性的試驗中發(fā)現，禁食24 h 后過氧化氫酶、Mn-SOD和GSH-Px 活性沒有發(fā)生改變，而肝臟MT 合成顯著增加，表明MT 在禁食狀態(tài)下作為抗氧化劑起著核心作用；同時禁食應激可提高肝臟脂質過氧化水平，而禁食應激前48 h 和24 h 皮 下注射ZnSO4（300 mmol/kg）可顯著提高禁食24 h 小鼠肝臟MT 水平，緩解空腹應激引起的脂質過氧化水平[20]。鋅可通過直接與金屬轉錄因子1（MTF-1）結合導致其活化，MTF-1 與存在于MTI和MTII 啟動子中的金屬響應元件相結合，誘導MT基因表達增加[21]。鋅離子也可通過磷脂酰肌醇-3 激酶（PI-3K）/Akt 信號轉導通路，間接調節(jié)并使轉錄因子CCAAT/ 增強子結合蛋白-α（C/EBP-α）磷酸化，C/EBP-α也能夠上調MT基因轉錄，與MTF-1 具有協同作用[22-23]。黃燕萍等[24]通過缺鋅日糧干預懷孕母鼠建立的缺鋅小鼠模型，其肝臟鋅含量及血清Cu/Zn-SOD活性、MT 含量極顯著低于正常小鼠，表明小鼠抗氧化力減弱與先天機體鋅含量相關。

1.5 鋅通過競爭性吸收減少過渡金屬誘導的氧化應激鋅與過渡金屬競爭性結合吸附位點，能夠減少自由基的生成[14]。具有氧化還原活性的鐵、銅離子與大分子物質（如DNA、蛋白質）結合會降低它們的化學反應電勢，通過氧化還原循環(huán)反應將產生大量自由基[25]。此外，過渡金屬與過氧化氫通過芬頓反應也能產生·OH，·OH具有較強的氧化性，能夠引發(fā)脂質過氧化和蛋白質羰基化[14]。而鋅與鐵、銅配位化學性質相似，可競爭結合位點，減少自由基的產生，避免脂質雙分子層受到破壞[25]。同時，研究發(fā)現二價金屬鋅轉運體能夠抑制鐵的轉運[14]。

1.6 鋅對蛋白質疏基的保護作用 鋅可通過與蛋白質疏基結合，發(fā)揮抗氧化作用。鋅能通過與疏基接近的位點結合形成空間位阻，或與其他位點結合導致蛋白質構象發(fā)生變化，防止疏基被氧化進而起到對蛋白質的保護作用[25]。NO 等氧化劑可以導致鋅從MT 或其他含鋅蛋白中釋放，同時對硫醇殘基進行化學修飾，若被修飾的蛋白質參與信號傳遞（如轉錄因子、激酶、磷酸酶、微管蛋白等），則活性的變化將導致信號調節(jié)的變化。同時，鋅本身可以調節(jié)轉錄因子或相關酶的活性，間接影響氧化還原信號傳導。

綜上所述，鋅通過調節(jié)自由基的生成與猝滅、激活抗氧化酶活性、調節(jié)抗氧化蛋白的合成、競爭性結合吸附、保護蛋白質疏基等多種途徑發(fā)揮抗氧化功能。

2 鋅對畜禽抗氧化功能的影響

2.1 豬 近年來的研究表明，日糧中補充適量鋅可提高仔豬抗氧化性能，改善機體免疫力，緩解斷奶應激引起的仔豬腹瀉。解玉懷等[26]研究發(fā)現，日糧添加25、50、75、100 mg/kg 大豆水解產物螯合鋅組或硫酸鋅組仔豬生長性能均高于對照組，飼喂補鋅日糧10 d 后，仔豬肝臟Mn-SOD 活性、MT 含量及有機鋅組仔豬十二指腸MT 含量均顯著高于對照組。劉樹全[27]研究發(fā)現，與飼喂基礎日糧的對照組相比，日糧中添加50、100、200 mg/kg 甘氨酸鋅（Zn-Gly）均可顯著提高斷奶仔豬血清Cu/Zn-SOD 活性，促進仔豬生長，其中100 mg/kg鋅的改善效果最好。唐萍[28]的研究結果表明，與對照組相比，日糧中添加不同水平的蛋氨酸鋅（Zn-Met）均可顯著提高斷奶后7 d 或14 d 仔豬血清Cu/Zn-SOD 活性及GSH-Px 活性。前期的研究結果表明補鋅對豬的抗氧化性能具有改善效果，近年來也有一些研究主要側重于不同鋅源間抗氧化效果的比較。方洛云等[29]研究表明，添加100 mg/kg Zn-Met 較添加同劑量的ZnO 相比，斷奶仔豬血清SOD 活性極顯著提高了1.36 倍，肝臟SOD 活性提高了29.33%，同時，肝臟MT 含量增加了1.5倍。黃丹萍[30]研究發(fā)現，日糧中添加100 mg/kgZn-Gly 或Zn-Met 可緩解仔豬腹瀉，改善機體抗氧化性能，表現為補鋅組血清及肝臟NO 含量、丙二醛（MDA）含量顯著降低，同時肝臟GSH-Px 活性及總抗氧化能力（T-AOC）顯著升高，其對仔豬抗氧化性能的改善效果優(yōu)于同劑量ZnSO4。此外，研究表明高劑量ZnO 也具有改善仔豬抗氧化性能的效果。呂航等[31]研究發(fā)現，日糧中添加2250 mg/kg ZnO 飼喂斷奶仔豬能夠顯著降低腹瀉率，同時提高仔豬第14 天血漿T-SOD 和第28天血漿GSH-Px 活性。目前，關于高劑量ZnO 的改善效果是ZnO 分子態(tài)還是Zn2+態(tài)發(fā)揮作用目前尚不能確定，高劑量ZnO 緩解仔豬腹瀉一方面可能與其具有的收斂黏附作用有關，另一方面藥理劑量的ZnO 還可改善仔豬腸道細胞氧化還原狀態(tài)，提高機體抗氧化能力，進而抑制腸道細胞凋亡、促進細胞增殖，增強腸道屏障的修復功能[32]。此外，高鋅可能通過抑制有害菌的生長及其黏附作用發(fā)揮效應。

除在斷奶仔豬中具有較好效果外，鋅添加劑在母豬和生長育肥豬中也表現出較好功效。李文等[15]研究表明，飼喂添加不同鋅源及水平（50 mg/kg ZnSO4、25 mg/kg ZnSO4+25 mg/kg Zn-Met、50 mg/kg ZnSO4+25 mg/kg Zn-Met、25 mg/kg ZnSO4+50 mg/kg Zn-Met 和100 mg/kg ZnSO4）的試驗組日糧30 d 后，與對照組相比，母豬妊娠期第110 天的血清鋅含量顯著增加，血清GSH-Px、SOD 活性顯著提高。自由基對生物膜中的不飽和脂肪酸的攻擊會導致脂質過氧化的發(fā)生，進而引起細胞膜結構和功能發(fā)生改變，脂質過氧化物代謝終產物MDA含量可反映機體脂質過氧化的程度[33]，而試驗結果也表明母豬血清中MDA 含量顯著下降，且隨著鋅含量的升高及Zn-Met 的使用，抗氧化性能逐漸升高。同時，隨著母豬妊娠后期在飼糧中補鋅，哺乳期仔豬抗氧化性能也可得到一定程度改善[15]。胡雄貴等[34]的研究表明，外源添加氨基酸螯合鋅可增加長白育肥豬血清及肌肉中鋅的沉積效率，且肌肉和血清中GSH-Px、Cu/Zn-SOD、T-AOC 水平隨氨基酸螯合鋅添加量的增加而呈上升趨勢。?，F琇等[35]研究發(fā)現，與對照組相比，日糧中分別添加40 mg/kg Zn-Met、40 mg/kg 和80 mg/kg ZnSO4可顯著提高生長育肥豬血清GSH-Px、T-SOD、Cu/Zn-SOD 活性，顯著降低MDA 含量。此外，添加40 mg/kg Zn-Met 組生長育肥豬血清MDA 含量最低，而血清GSH-Px、T-SOD 活性最高，表明不同鋅源均有助于提高豬抗氧化能力，但氨基酸螯合鋅效果優(yōu)于無機鋅，這可能與氨基酸螯合鋅穩(wěn)定的理化性質有關[36]。以上結果表明，適量補鋅能夠增強機體抗氧化能力，提高生產性能。

2.2 雞 蛋雞因長期脂質代謝旺盛容易造成體內ROS 等物質積累，產蛋期可通過補鋅維持抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)定進而改善機體狀況。陳娜娜等[37]發(fā)現，在蛋雞飼糧中添加70 mg/kg 或140 mg/kg Zn-Met 8 周后，其肝臟及血清Cu/Zn-SOD 活性和T-AOC 均可顯著提高，且MDA含量顯著下降；而當日糧中添加1 400 mg/kg Zn-Met 時，蛋雞的抗氧化性能顯著下降；根據二次曲線擬合分析得出日糧添加60～100 mg/kg Zn-Met 時，蛋雞抗氧化性及免疫性能較好。Abedini 等[38]的試驗結果也表明，飼糧補充80 mg/kg Nano-ZnO 或Zn-Met 可顯著提高產蛋量，并可改善蛋品質，同時血清、肝臟、胰臟中的SOD 活性顯著提高。王惠云等[39]報道，蛋雞產蛋后期產蛋率、日產蛋重、蛋殼品質均與羥基蛋氨酸鋅（MHA-Zn）的添加水平呈二次線性關系，以80 mg/kgMHA-Zn 替代基礎日糧中70 mg/kg ZnSO4效果最好。劉鳳霞等[40]研究結果表明，產蛋后期海蘭灰蛋雞抗氧化性能隨著日糧鋅含量的增加而得到不同程度提高，其中80 mg/kg MHA-Zn 組的蛋雞抗氧化性能改善效果最佳，表現出Cu/Zn-SOD 在血清及肝臟中的活性顯著升高，同時肝臟T-AOC 也得到顯著提高，但生產性能未隨著不同鋅源及添加水平發(fā)生顯著改變。張亞男等[41]研究表明，添加70 mg/kg ZnSO4對機體抗氧化性改善效果最佳，但添加不同水平及不同形式的鋅對生產性能并未產生顯著影響。試驗蛋雞品種、試驗周期、飼養(yǎng)環(huán)境及基礎日糧鋅含量間的不同可能是造成以上差異的原因。雖然雞對鋅的耐受量較高，但高鋅仍會對其產生毒性作用。楊自君等[42]研究表明，日糧添加1、2、4 g/kg 的鋅會引起蛋雞采食量及產蛋率明顯下降，其中4 g/kg 鋅處理組蛋雞肝臟、腎臟等器官出現變性、壞死現象。因此，生產中應嚴格把控補鋅劑量。

日糧補充鋅也可提高肉雞抗氧化功能。劉澤輝等[43]研究發(fā)現，添加60、120、180 mg/kg 的不同形態(tài)鋅（無機鋅源為ZnSO4，有機鋅源分別為絡合強度較弱的復合氨基酸鋅C（Zn-AAC）、絡合強度中等的鋅蛋白鹽B（Zn-Pro B）及絡合強度較強的鋅蛋白鹽A（Zn-Pro A）均可顯著提高肉雛雞胸、腿肌及肝臟中Cu/Zn-SOD 與MT 的基因表達水平，肝臟、胸肌、腿肌Cu/Zn-SOD活力、MT 含量也得到顯著提高，而肝臟MDA 含量顯著降低。Akhavan-Salamat 等[44]等報道，將不同形式的鋅（ZnO、Zn-Met、Nano-ZnO）分別以不同的劑量（20、40、80 mg/kg）添加至日糧中飼喂熱應激肉雞，結果表明，隨著鋅濃度的增加，SOD 活性有升高趨勢，血清MDA濃度下降，且Zn-Met、Nano-ZnO 的抗氧化效果顯著優(yōu)于ZnO。吳量等[45]在研究等量Zn-Met 與ZnSO4對肉雞性能影響的試驗中也發(fā)現，40 mg/kg Zn-Met 可顯著降低耗料增重比，同時顯著提高21 日齡肉雞血清Cu/Zn-SOD 活力，MDA 含量顯著降低，Cu/Zn-SOD 在42日齡肉雞血清中的活力及血清中的T-AOC 都得到顯著提高。不同鋅源的應用效果可能與這些補充劑中鋅的生物利用度有關。趙潤梅等[46]研究表明，鋅源及添加鋅水平均會對肉雞日增重、耗料增重比產生影響，其中在1～6 周齡肉雞日糧中補充60 mg/kg ZnSO4效果較好；不同鋅水平日糧對肉雞抗氧化力的改善效果不顯著，不同鋅源僅在21 日齡GSH-Px 活性方面存在差異，其中ZnSO4效果優(yōu)于Zn-Met，造成這種結果可能與有機鋅品質有關；其次，基礎日糧中原料所含鋅元素可能會滿足雛雞營養(yǎng)需求，因此額外補充鋅尚未達到顯著提高機體抗氧化性的效果。

3 小 結

鋅元素對動物機體抗氧化作用的發(fā)揮具有重要作用，其可以通過自由基猝滅、抑制NADPH 氧化酶活性、激活抗氧化酶活性、調控鋅代謝相關蛋白、競爭性結合吸附、半胱氨酸代謝調控、保護蛋白質疏基等多種途徑發(fā)揮抗氧化功能，但不同劑量、不同鋅源對動物機體的抗氧化應激功效存在差異，這在動物實際生產中應予以關注，且動物在不同應激狀態(tài)下鋅元素的抗氧化效應也值得深入探討。