絲氨酸的生理功能及其在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

周臘枚，周錫紅

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)生理與代謝過(guò)程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410125）

生豬養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，也是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)理論認(rèn)為，按照氨基酸組成和比例與體組成相吻合的理想氨基酸模式配制日糧，可以保障豬的健康生長(zhǎng)，充分發(fā)揮豬的生長(zhǎng)性能。關(guān)于氨基酸在生豬養(yǎng)殖中的大量研究主要集中在日糧中氨基酸的營(yíng)養(yǎng)需要和各類(lèi)必需氨基酸的配比。隨著對(duì)日糧氨基酸營(yíng)養(yǎng)研究的進(jìn)一步深入，許多條件性必需氨基酸（如酪氨酸、脯氨酸、絲氨酸、谷氨酰胺、瓜氨酸等）的缺乏也會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)體的健康和生理功能。因此，深入探究條件性必需氨基酸的功能一直是豬氨基酸營(yíng)養(yǎng)研究的熱點(diǎn)之一。

絲氨酸可以依靠體內(nèi)合成途徑滿(mǎn)足機(jī)體需要，因此在傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)學(xué)中被歸類(lèi)為非必需氨基酸。但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，絲氨酸位于機(jī)體多個(gè)生物代謝過(guò)程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在細(xì)胞增殖分化、氧化還原狀態(tài)、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和機(jī)體免疫功能等方面都發(fā)揮著不可或缺的作用，是維持動(dòng)物機(jī)體健康和正常生理功能必不可少的一種氨基酸。本文主要綜述了絲氨酸的生理功能及其在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為絲氨酸在生豬養(yǎng)殖中的廣泛應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 絲氨酸的主要來(lái)源及結(jié)構(gòu)

絲氨酸是一種含羥基的氨基酸，最初是通過(guò)硫酸水解蠶絲分離獲得，故命名為絲氨酸。目前，動(dòng)物機(jī)體中絲氨酸主要有3個(gè)來(lái)源：①?gòu)念^生物合成途徑，主要經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟，即由3-磷酸甘油酸脫氫酶、磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶和磷酸絲氨酸磷酸酶催化糖酵解中間體3-磷酸甘油酸生成；②直接由甘氨酸轉(zhuǎn)化生成；③日糧中攝入的蛋白質(zhì)和磷脂的周轉(zhuǎn)。前2個(gè)途徑屬于內(nèi)源性合成，后者則屬于外源攝入，這3個(gè)來(lái)源途徑在動(dòng)物體不同器官以及不同生長(zhǎng)和發(fā)育階段發(fā)揮不同的優(yōu)勢(shì)作用。例如，動(dòng)物肝臟中的絲氨酸主要是經(jīng)絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶催化甘氨酸轉(zhuǎn)化而來(lái)，而腎臟中的絲氨酸主要來(lái)源于從頭生物合成途徑。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的3種來(lái)源途徑中，從頭生物合成途徑是機(jī)體絲氨酸的主要來(lái)源。如果動(dòng)物體這一途徑被阻斷，其他2個(gè)來(lái)源途徑通常不能滿(mǎn)足機(jī)體對(duì)絲氨酸的需求。

絲氨酸化學(xué)分子式為CHNO，相對(duì)分子質(zhì)量為105.09，熔點(diǎn)為240℃，有-絲氨酸和-絲氨酸2種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。機(jī)體主要利用-絲氨酸合成蛋白質(zhì)，-絲氨酸則與神經(jīng)系統(tǒng)功能有關(guān)。目前，工業(yè)上生產(chǎn)絲氨酸的方法主要有水解提取法、化學(xué)合成法、前體發(fā)酵法以及生物酶法。純品絲氨酸外觀為白色結(jié)晶體或結(jié)晶粉末，有微甜的氣味，易溶于水和甲酸，不溶于有機(jī)溶劑。

圖1 絲氨酸結(jié)構(gòu)式

2 絲氨酸的生理功能

絲氨酸在傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)學(xué)中雖被歸類(lèi)為非必需氨基酸，但它參與機(jī)體代謝網(wǎng)絡(luò)，對(duì)一系列代謝過(guò)程和機(jī)體功能的維持都至關(guān)重要。越來(lái)越多的研究證實(shí)，體內(nèi)的絲氨酸不僅可以作為蛋白質(zhì)合成的底物，還能夠通過(guò)自身及其代謝產(chǎn)物所具有的生物活性調(diào)節(jié)機(jī)體的生理功能。

2.1 絲氨酸促進(jìn)細(xì)胞增殖分化 絲氨酸是一碳單元的供體，而一碳單元可以作為核苷酸的合成底物以維持機(jī)體細(xì)胞的高增殖率。若靶向破壞催化絲氨酸從頭合成的第1個(gè)關(guān)鍵酶3-磷酸甘油酸脫氫酶，會(huì)導(dǎo)致絲氨酸缺失，細(xì)胞的增殖速度減緩。Metcalf等研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)源生物合成途徑發(fā)生障礙的同時(shí)，去除培養(yǎng)基中的絲氨酸能夠明顯抑制HCT116細(xì)胞（一種人類(lèi)結(jié)腸直腸癌細(xì)胞系）的增殖分化。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞對(duì)外源性絲氨酸的消耗非常旺盛，在各類(lèi)氨基酸中僅次于谷氨酰胺。Gao等研究結(jié)果顯示，與含絲氨酸的培養(yǎng)基相比，不含絲氨酸的培養(yǎng)基中的HCT116細(xì)胞增殖分化受到了抑制。這些研究表明絲氨酸對(duì)細(xì)胞增殖分化是非常重要的。

骨骼肌的形成是一個(gè)高強(qiáng)度代謝和動(dòng)態(tài)的過(guò)程，包括單核成肌細(xì)胞的增殖、分化和融合，最終形成多核的肌管。Brearley等研究發(fā)現(xiàn)，隨著C2C12細(xì)胞向肌源性細(xì)胞分化的發(fā)生，參與絲氨酸從頭生物合成途徑的3個(gè)關(guān)鍵酶（3-磷酸甘油酸脫氫酶、磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶和磷酸絲氨酸磷酸酶）的基因表達(dá)在分化第2天上調(diào)，且與肌細(xì)胞生成素的基因表達(dá)升高相一致。Sim等也發(fā)現(xiàn)，外源添加絲氨酸會(huì)增加C2C12細(xì)胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的含量以及與線(xiàn)粒體生成相關(guān)基因的表達(dá)，并激活沉默信息調(diào)節(jié)因子1（Silent Information Regulator 1，SIRT1，一種依賴(lài)NAD的去乙酰化酶，其功能與細(xì)胞代謝和線(xiàn)粒體生成有關(guān)），加快線(xiàn)粒體生成，使線(xiàn)粒體數(shù)量增多，從而保證骨骼肌細(xì)胞的增殖。這些結(jié)果表明，肌細(xì)胞在分化過(guò)程中對(duì)絲氨酸的需求增加，提示絲氨酸可能促進(jìn)肌細(xì)胞分化。

2.2 絲氨酸提高抗氧化功能 絲氨酸作為維持氧化還原狀態(tài)的重要物質(zhì)谷胱甘肽的合成底物，可促進(jìn)機(jī)體蛋氨酸循環(huán)和谷胱甘肽合成，發(fā)揮抗氧化作用。Wang等發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期飼喂-半乳糖誘導(dǎo)的小鼠衰老模型中，日糧絲氨酸缺失可加劇小鼠的炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致小鼠的存活率降低。Zhou等在高脂日糧誘導(dǎo)小鼠的氧化應(yīng)激模型中，發(fā)現(xiàn)妊娠母鼠日糧添加1%絲氨酸可顯著提高谷胱甘肽水平和谷胱甘肽合成相關(guān)基因的表達(dá)，減輕高脂日糧誘導(dǎo)小鼠肝臟的炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)。He等以豬腸上皮細(xì)胞（IPEC-J2）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)正常情況下，培養(yǎng)基中絲氨酸的缺失對(duì)IPEC-J2細(xì)胞氧化還原狀態(tài)無(wú)顯著影響；但過(guò)氧化氫誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激后，絲氨酸缺失會(huì)加劇細(xì)胞氧化應(yīng)激；而外源補(bǔ)充絲氨酸可促進(jìn)谷胱甘肽合成和激活Nrf2信號(hào)通路，從而緩解氧化應(yīng)激。這些結(jié)果表明，在氧化應(yīng)激條件下，絲氨酸從頭生物合成途徑不能滿(mǎn)足機(jī)體對(duì)抗氧化應(yīng)激的需要。

2.3 絲氨酸改善免疫功能 絲氨酸可通過(guò)介導(dǎo)嘌呤核苷酸的從頭合成和一碳代謝來(lái)支持T細(xì)胞的增殖；活化的T細(xì)胞再上調(diào)參與絲氨酸從頭合成途徑以及一碳代謝通路的基因的表達(dá)，進(jìn)而直接調(diào)節(jié)T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫。在機(jī)體發(fā)生炎癥或感染的情況下，絲氨酸水平顯著降低。因此，機(jī)體需要依賴(lài)外源補(bǔ)充絲氨酸。Kitamoto等研究發(fā)現(xiàn)，小鼠感染巴氏桿菌會(huì)造成體內(nèi)絲氨酸水平和免疫功能下降，外源添加絲氨酸則可減少體內(nèi)巴氏桿菌的數(shù)量，緩解機(jī)體炎癥反應(yīng)和增強(qiáng)免疫功能，并顯著提高小鼠的存活率。Rodriguez等的研究結(jié)果也表明，絲氨酸從頭合成途徑的抑制會(huì)使巨噬細(xì)胞中白介素-1（IL-1）的表達(dá)降低，從而導(dǎo)致小鼠免疫力低下和存活率顯著下降。

2.4 絲氨酸促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)-絲氨酸可作為膠質(zhì)細(xì)胞的強(qiáng)效營(yíng)養(yǎng)因子促進(jìn)膠質(zhì)細(xì)胞釋放-絲氨酸。-絲氨酸與N-甲基--天冬氨酸（NMDA）受體亞型結(jié)合實(shí)現(xiàn)調(diào)控突觸傳遞、神經(jīng)元興奮性等重要功能。研究發(fā)現(xiàn)，絲氨酸合成障礙（如3-磷酸甘油酸脫氫酶或磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶無(wú)表達(dá)或表達(dá)下降）會(huì)引起嚴(yán)重的神經(jīng)癥狀，表現(xiàn)為先天性小頭畸形、癲癇和精神運(yùn)動(dòng)遲緩等。Savoca等和Yamamoto等研究表明，在神經(jīng)元培養(yǎng)基中添加絲氨酸可有效維持神經(jīng)元的活性，增加細(xì)胞的延伸和分支，且絲氨酸作用呈現(xiàn)出濃度依賴(lài)性。以上研究結(jié)果說(shuō)明，絲氨酸可以促進(jìn)神經(jīng)元的生長(zhǎng)、分化，加強(qiáng)樹(shù)突伸長(zhǎng)、分支和突觸形成，是大腦發(fā)育和功能維持的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3 絲氨酸在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

豬生產(chǎn)過(guò)程中的不同階段會(huì)遇到多種因素引起的應(yīng)激，機(jī)體發(fā)生應(yīng)激會(huì)破壞自由基代謝，導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低生產(chǎn)性能，減少經(jīng)濟(jì)效益。絲氨酸作為維持機(jī)體氧化還原狀態(tài)的重要物質(zhì)谷胱甘肽的合成底物，能夠緩解機(jī)體因氧化應(yīng)激所引起的炎癥反應(yīng)，并改善機(jī)體的抗氧化功能，從而在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的各個(gè)階段發(fā)揮功能作用。

3.1 絲氨酸在仔豬中的應(yīng)用 仔豬新陳代謝旺盛，生長(zhǎng)速度非?？?，這個(gè)階段與養(yǎng)豬的生產(chǎn)效益有直接關(guān)聯(lián)。由于仔豬消化器官和消化系統(tǒng)發(fā)育不完全以及自身免疫功能尚未健全，仔豬斷奶應(yīng)激會(huì)對(duì)仔豬胃腸道產(chǎn)生極大的刺激和傷害，使仔豬的腸道屏障功能下降，導(dǎo)致消化不良、腹瀉和抑制生長(zhǎng)。因此，仔豬斷奶引起的氧化應(yīng)激是影響仔豬生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素。有研究顯示，在氧化應(yīng)激條件下，仔豬血漿絲氨酸濃度明顯降低。Zhou等研究結(jié)果表明，在21日齡斷奶仔豬日糧中添加0.2%絲氨酸可顯著提高斷奶仔豬日增重，降低腹瀉發(fā)生率。此外，斷奶會(huì)使腸上皮細(xì)胞凋亡增加和再生失敗，導(dǎo)致絨毛萎縮和隱窩加深；使腸道緊密連接蛋白表達(dá)減少，導(dǎo)致腸道屏障功能發(fā)生障礙。而絲氨酸有利于維持仔豬腸道絨毛的完整性，促進(jìn)腸道緊密連接蛋白的表達(dá)和抑制腸上皮細(xì)胞凋亡，且絲氨酸可能通過(guò)抑制炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)來(lái)緩解斷奶應(yīng)激。這些結(jié)果說(shuō)明，飼糧中添加絲氨酸能有效緩解仔豬斷奶引起的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，并改善斷奶仔豬的腸道功能，表明絲氨酸可作為一種潛在的飼料添加劑應(yīng)用于斷奶仔豬。

除上述生物學(xué)功能外，絲氨酸還可與微量元素硒發(fā)揮協(xié)同作用改善豬的抗氧化性能。硒是機(jī)體的重要抗氧化物質(zhì)，且主要通過(guò)硒蛋白發(fā)揮作用。硒蛋白會(huì)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，并清除代謝產(chǎn)物自由基，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化功能，抑制炎癥的發(fā)生，進(jìn)一步保障機(jī)體膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性。而硒蛋白合成過(guò)程中需要絲氨酸參與。Long等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日糧添加0.25%或0.50%絲氨酸可以顯著提高28日齡斷奶仔豬肌肉和肝臟中硒蛋白的表達(dá)和硒蛋白酶的活性。這一研究結(jié)果表明，絲氨酸可能提高硒向硒蛋白轉(zhuǎn)化的利用率，進(jìn)而提高機(jī)體抗氧化能力。

3.2 絲氨酸在育肥豬中的應(yīng)用 在養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中存在很多使機(jī)體發(fā)生氧化并影響豬肉品質(zhì)的因素，其中育肥階段日糧中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的組成及比例和屠宰前應(yīng)激是重要影響因素之一。研究表明，育肥階段機(jī)體過(guò)量的活性氧積聚會(huì)使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能受到破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、脂肪發(fā)生氧化，不僅會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物體質(zhì)量降低與死亡率增加，還會(huì)使肉的商品價(jià)值降低。

絲氨酸具有顯著的抗氧化作用，且絲氨酸和甘氨酸可直接互相轉(zhuǎn)化。而甘氨酸和半胱氨酸可以直接結(jié)合成谷胱甘肽，參與調(diào)節(jié)動(dòng)物體氧化還原狀態(tài)。劉永輝等研究發(fā)現(xiàn)，在低蛋白日糧條件下，當(dāng)育肥階段日糧中絲氨酸和甘氨酸比例為1:2時(shí)，背最長(zhǎng)肌中氧合肌紅蛋白含量顯著增加，且谷胱甘肽過(guò)氧化物酶基因表達(dá)量升高。此外，Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，日糧中絲氨酸和甘氨酸比例為1:2時(shí)可促進(jìn)脂肪在育肥豬背最長(zhǎng)肌沉積并提高氧化型肌纖維的數(shù)量；絲氨酸和甘氨酸在該比例下通過(guò)調(diào)控脂肪酸氧化相關(guān)基因啟動(dòng)子甲基化水平從而影響脂肪代謝，還可以通過(guò)激活A(yù)MPK和鈣調(diào)蛋白信號(hào)通路促進(jìn)肌纖維轉(zhuǎn)化。這些結(jié)果表明低蛋白日糧條件下，絲氨酸可在不影響生長(zhǎng)性能的前提下改善育肥豬的肉品質(zhì)。

肉色是豬肉品質(zhì)最直觀的外觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。豬宰前應(yīng)激導(dǎo)致自由基及其氧化物的增加會(huì)破壞高鐵肌紅蛋白還原酶，導(dǎo)致豬肉中肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白氧化，使血紅素亞鐵（Fe）生成正鐵肌紅蛋白（Fe），導(dǎo)致豬肉顏色變暗。劉永輝等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于正常蛋白質(zhì)飼糧（16%粗蛋白質(zhì)），降低4百分點(diǎn)的低蛋白質(zhì)飼糧會(huì)引起育肥豬肌肉中氧合肌紅蛋白含量降低，高鐵肌紅蛋白含量升高；當(dāng)?shù)偷鞍踪|(zhì)飼糧中絲氨酸和甘氨酸比例為1:2時(shí)，育肥豬背最長(zhǎng)肌OxyMb（Fe）含量升高，MetMb（Fe）含量降低。這一研究結(jié)果表明，日糧中絲氨酸和甘氨酸在該比例下有利于緩解育肥豬屠宰后背最長(zhǎng)肌的氧化應(yīng)激。

3.3 絲氨酸在母豬中的應(yīng)用 母豬的繁殖性能是決定豬場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素之一，母豬妊娠期和泌乳期是母豬生產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期。妊娠后期，胎兒生長(zhǎng)速度加快，胎盤(pán)的代謝強(qiáng)度增加，加之此時(shí)需要將母豬轉(zhuǎn)至分娩舍，母體自身生理狀況與外部環(huán)境迅速變化，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生大量的自由基，使其遭受?chē)?yán)重的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致母豬處于亞健康狀態(tài)和繁殖性能下降。

絲氨酸可促進(jìn)機(jī)體蛋氨酸循環(huán)和谷胱甘肽合成，對(duì)于機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)具有重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，母體絲氨酸可以通過(guò)表觀遺傳機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)子代機(jī)體內(nèi)合成谷胱甘肽相關(guān)基因的表達(dá)量來(lái)緩解氧化應(yīng)激反應(yīng)，說(shuō)明母體來(lái)源的絲氨酸傳遞對(duì)維持?jǐn)嗄套哟目寡趸δ苁种匾e等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)妊娠后期和哺乳期母豬飼糧中絲氨酸含量為基礎(chǔ)日糧的125%時(shí)，仔豬初生重以及21 d時(shí)的斷奶體重均顯著增加；進(jìn)一步通過(guò)代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，絲氨酸主要通過(guò)參與嘌呤嘧啶合成、谷胱甘肽與?；撬岷铣梢约傲柞ズ颓手?lèi)代謝來(lái)發(fā)揮促生長(zhǎng)作用。此外，Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，母豬飼糧中添加絲氨酸可顯著提高母豬和后代仔豬血清中硒蛋白P含量，且硒蛋白P含量與仔豬日增重呈正相關(guān)；這一結(jié)果提示絲氨酸可能通過(guò)改善仔豬硒營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)從而提高后代仔豬生長(zhǎng)性能。另有研究報(bào)道，妊娠后期和哺乳期母豬飼糧中補(bǔ)充適量絲氨酸，即妊娠后期日糧絲氨酸水平為0.83%、哺乳期日糧絲氨酸水平為0.99%時(shí)，母豬血清中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性顯著升高，且后代仔豬谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4基因表達(dá)量也升高。這些結(jié)果提示絲氨酸可提高泌乳母豬的抗氧化能力，同時(shí)母體可通過(guò)胎盤(pán)或乳汁方式將抗氧化物質(zhì)等傳遞給仔豬來(lái)提高仔豬的抗氧化能力，以促進(jìn)其健康生長(zhǎng)。

4 小 結(jié)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于絲氨酸在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上一直被認(rèn)為是一種非必需氨基酸，其在養(yǎng)豬生產(chǎn)中應(yīng)用未受關(guān)注。近年來(lái)，隨著絲氨酸在抗氧化應(yīng)激、提高免疫力和保護(hù)腸道健康等方面的研究不斷深入，開(kāi)始將絲氨酸作為一種功能性氨基酸在豬上進(jìn)行了探索性研究。但目前關(guān)于絲氨酸在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的研究還處于初步階段，還有很多問(wèn)題亟待解決。例如，生豬養(yǎng)殖的各個(gè)階段（如哺乳仔豬、斷奶仔豬、生長(zhǎng)豬和肥育豬）日糧絲氨酸的最適添加水平；日糧中絲氨酸、甘氨酸和半胱氨酸的最適比例；日糧中添加絲氨酸的有效性和耐受性等問(wèn)題。基于絲氨酸諸多的生物學(xué)功能，隨著人們對(duì)絲氨酸營(yíng)養(yǎng)作用和調(diào)控機(jī)制更加深入的研究和認(rèn)識(shí)，絲氨酸作為一種潛在的飼料添加劑在養(yǎng)豬生產(chǎn)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。