精氨酸代謝途徑及其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

李 帥 王 麗 梁興偉 肖 昊*

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部華南動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，畜禽育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心，廣東省畜禽育種與營(yíng)養(yǎng)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640; 2.廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

精氨酸(arginine, Arg)是20種組成普通蛋白質(zhì)的氨基酸之一，屬于極性帶正電荷的氨基酸(堿性氨基酸)，一種多功能的半必需或條件性必需的氨基酸。在健康成年動(dòng)物中由于Arg能在很多種細(xì)胞中通過(guò)瓜氨酸內(nèi)源合成，因而被認(rèn)為是一種非必需氨基酸。腸道產(chǎn)生的瓜氨酸在腎臟中合成了大量的Arg[1]。然而在很多病理?xiàng)l件下(如敗血癥、外傷和癌癥等)及幼齡動(dòng)物體內(nèi)，Arg則通常是一種多功能的半必需或條件性必需的氨基酸。Arg參與了很多動(dòng)物機(jī)體的生理生化反應(yīng)，是很多合成代謝的前體物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核苷酸、尿素、多胺、脯氨酸、谷氨酰胺、胍基丁胺和肌酸。Arg對(duì)提高動(dòng)物機(jī)體的生理代謝功能有著重要作用，如改善生殖率、心血管功能、免疫功能等；同時(shí)也能促進(jìn)傷口愈合、增強(qiáng)胰島素敏感性和維護(hù)組織器官的完整。Arg代謝是復(fù)雜且高度調(diào)控的，其合成代謝和分解代謝對(duì)于Arg的生理生化功能有著重要的作用。

1 Arg轉(zhuǎn)運(yùn)

絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，滿足Arg的需求主要是通過(guò)胞外特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)載體攝入。Arg的轉(zhuǎn)運(yùn)載體包括y+系統(tǒng)(高親和，非Na+依賴的轉(zhuǎn)運(yùn)載體)和Na+依賴轉(zhuǎn)運(yùn)載體(如b0，+、B0，+和y+L)，轉(zhuǎn)運(yùn)載體具有組織特異性。生理或環(huán)境應(yīng)激，如細(xì)菌毒性和炎癥因子，能動(dòng)態(tài)調(diào)控相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性。溶質(zhì)載體家族7(SCL7)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體分為2個(gè)子家族——陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)載體(CAT家族)和糖蛋白關(guān)聯(lián)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體。Arg轉(zhuǎn)運(yùn)載體中最重要的是陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)——y+系統(tǒng)，也就是CAT家族包括5個(gè)確認(rèn)的載體——CAT1、CAT2A、CAT2B、CAT3和CAT4[2]，主要由溶質(zhì)載體家族7成員1(SLC7A1)到溶質(zhì)載體家族7成員4(SLC7A4)基因編碼。而異質(zhì)二聚體轉(zhuǎn)運(yùn)載體分為7個(gè)蛋白，主要由溶質(zhì)載體家族7成員5(SLC7A5)到主要由溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)編碼，其中只有y+L氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(y+LAT2)溶質(zhì)載體家族7成員6(SLC7A6)、L-型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(y+LAT1)溶質(zhì)載體家族7成員7(SLC7A7)和b0，+AT溶質(zhì)載體家族7成員9(SLC7A9)轉(zhuǎn)運(yùn)陽(yáng)離子氨基酸。另外，屬于溶質(zhì)載體家族6(SLC6)的B0，+AT溶質(zhì)載體家族6成員14(SLC6A14)能在鈉和氯化物依賴條件下轉(zhuǎn)運(yùn)Arg[3]。轉(zhuǎn)運(yùn)載體CAT和y+LAT廣泛地分散在很多組織細(xì)胞中。CAT是Arg主要的轉(zhuǎn)運(yùn)載體，轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞中的Arg被用于蛋白合成和參與Arg代謝。CAT1在除了肝臟以外的組織表達(dá)；CAT2A主要表達(dá)在肝臟中，CAT2B的表達(dá)靠細(xì)胞因子誘導(dǎo)。而CAT3在胚胎發(fā)育中則廣泛表達(dá)，但在成年動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和胸腺中活性被抑制[4]。與CAT相比，y+LAT蛋白是胞外中性氨基酸和胞內(nèi)陽(yáng)性離子的轉(zhuǎn)換載體[4]，負(fù)責(zé)與Arg的輸出而不是輸入。b0,+AT則在小腸和腎臟的上皮細(xì)胞中廣泛表達(dá)，負(fù)責(zé)陽(yáng)性氨基酸和半胱氨酸的吸收或重吸收[5]。SLC6家族的ATB0,+也都轉(zhuǎn)運(yùn)陽(yáng)性及中性氨基酸，在多種組織的上皮細(xì)胞頂膜中表達(dá)[4]。y+系統(tǒng)的表達(dá)不僅存在組織特異性，并且在翻譯水平上有著動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)變化。y+系統(tǒng)在很多細(xì)胞類型中存在，但是在肝細(xì)胞中缺失。然而y+系統(tǒng)載體能被炎癥因子誘導(dǎo)。y+系統(tǒng)載體的表達(dá)在很多細(xì)胞中是和一氧化氮合酶(iNOS)共誘導(dǎo)表達(dá)的，意味著Arg攝取的升高也能促進(jìn)一氧化氮(NO)的合成。研究發(fā)現(xiàn)在大鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，被誘導(dǎo)的NO合成依賴于y+系統(tǒng)載體(CAT-2)的共同誘導(dǎo)[6]。

2 胞內(nèi)Arg感應(yīng)通路

作為真核細(xì)胞生長(zhǎng)的主要調(diào)節(jié)因子，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)對(duì)細(xì)胞內(nèi)和胞外信號(hào)作出反應(yīng)。mTOR是磷脂酰肌醇-3-羥激酶相關(guān)激酶(PIKK)家族中的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，它形成2種不同蛋白復(fù)合物的催化亞基，即mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和2(mTORC2)。2種復(fù)合體執(zhí)行著不同的生理功能：mTORC1主要控制細(xì)胞生長(zhǎng)，而mTORC2參與控制細(xì)胞存活和增殖[7]。氨基酸通過(guò)Rag GTPases調(diào)控mTORC1的活性，Rag GTPases通過(guò)與Raptor相互作用，引導(dǎo)mTORC1從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到溶酶體上。每個(gè)氨基酸傳感器直接結(jié)合1個(gè)氨基酸或氨基酸衍生的分子，并通過(guò)Rag GTPases將信號(hào)傳遞給mTORC1。MTORC1亞基1的胞質(zhì)精氨酸傳感器(CASTOR1)直接結(jié)合胞質(zhì)內(nèi)精氨酸，通過(guò)與氨基酸信號(hào)復(fù)合物2(GATOR2)相互作用抑制mTORC1，進(jìn)而抑制GATOR2的活性，CASTOR1的同源物CASTOR2可以與CASTOR1形成異質(zhì)二聚體并結(jié)合GATOR2，但其與GATOR2的相互作用對(duì)Arg不敏感[8]。CASTOR1不是與mTORC1通信的唯一Arg傳感器。溶質(zhì)載體家族38成員9(SLC38A9)是一種重要的Arg門控溶酶體氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，允許mTORC1感知胞質(zhì)和溶酶體的Arg水平，SLC38A9通過(guò)Arg調(diào)節(jié)的鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF)機(jī)制直接影響RagA或RagB核苷酸狀態(tài)[9-11]。此外，SLC38A9直接結(jié)合Arg在其第1個(gè)跨膜螺旋(TM1)[12]。與Arg結(jié)合后，SLC38A9的N端促進(jìn)GTP結(jié)合的RagA或RagB激活[13]。

一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2(GCN2)是細(xì)胞中一種保守的感知氨基酸缺乏的絲氨酸/蘇氨酸激酶，是GCN2通路中的核心蛋白。激活該通路可降低機(jī)體蛋白質(zhì)的合成，以滿足機(jī)體對(duì)能量或其他需求。氨基酸缺乏時(shí)，空載tRNA增加會(huì)激活GCN2，引起真核翻譯起始因子2α激酶(eIF2α)磷酸化，使蛋白質(zhì)合成減少[14]。當(dāng)氨基酸受限時(shí)，GCN2通路的關(guān)鍵靶點(diǎn)誘導(dǎo)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體和氨基酸合成酶基因的表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)氨基酸的吸收和合成。星形細(xì)胞中，GCN2激活是通過(guò)限制可用Arg來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GCN2通路是由與低GCN2表達(dá)有關(guān)的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)水解提供的氨基酸引起的，說(shuō)明氨基酸信號(hào)可獨(dú)立調(diào)控GCN2通路相關(guān)基因的表達(dá)[15]。

3 Arg合成代謝

血漿中Arg的主要來(lái)源包括外源飲食和內(nèi)源蛋白質(zhì)降解及瓜氨酸合成作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物的不同物種，不同營(yíng)養(yǎng)階段和發(fā)育階段，Arg的內(nèi)源合成各有不同。在成年動(dòng)物和人體中從頭合成Arg的比例只占5%～15%，Arg的主要內(nèi)源來(lái)源是依賴蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)。而在新生兒中，從頭合成的Arg比例為30%。新生兒的生長(zhǎng)過(guò)程中內(nèi)源Arg合成對(duì)調(diào)節(jié)Arg的平衡有著重要的作用[16]。成年動(dòng)物中，Arg的內(nèi)源合成主要發(fā)生在腸腎軸。由于在肝臟中存在著較高活性的精氨酸酶，可將Arg水解成尿素和鳥氨酸，因而肝臟的尿素循環(huán)中不能合成Arg[17]。

Arg的合成主要前體是瓜氨酸，瓜氨酸可在腸上皮細(xì)胞的線粒體中通過(guò)谷氨酰胺、谷氨酸和脯氨酸轉(zhuǎn)換合成，隨后通過(guò)小腸釋放進(jìn)入腎臟中合成Arg。當(dāng)加入鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶或鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶的抑制劑或大面積切除小腸時(shí)，腸道瓜氨酸合成被抑制，從而導(dǎo)致Arg缺乏[18]。同樣的，遺傳性缺失鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶，鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶或吡咯啉-5-羧酸鹽合成酶(P5C)也會(huì)造成Arg缺乏。在新生兒中，大部分的瓜氨酸在腸上皮細(xì)胞中直接轉(zhuǎn)換成Arg[19]。肝臟對(duì)瓜氨酸的吸收微乎其微，且從體循環(huán)中提取Arg的相關(guān)酶活性也不高。因此在豬機(jī)體內(nèi)幾乎所有內(nèi)臟合成的瓜氨酸和90% Arg都不進(jìn)入肝臟代謝。

作為腸道合成Arg或瓜氨酸的主要的前體，腸內(nèi)的谷氨酰胺、谷氨酸和血漿中的谷氨酰胺大部分在小腸中分解。Windmueller等[20]首次發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈和內(nèi)腔中的谷氨酰胺被大鼠小腸細(xì)胞吸收代謝后釋放瓜氨酸，且證實(shí)了成年大鼠的小腸是循環(huán)瓜氨酸的主要來(lái)源地，其中腸上皮細(xì)胞主要負(fù)責(zé)將谷氨酸/谷氨酰胺合成為瓜氨酸或Arg。除此之外，脯氨酸也是腸道合成瓜氨酸和Arg的重要前體。由于小腸對(duì)動(dòng)脈中的脯氨酸沒(méi)有顯著的攝取[21]，但總攝入量呈現(xiàn)發(fā)育依賴性。因此，在腸細(xì)胞中合成瓜氨酸，腸內(nèi)飲食一定是脯氨酸的主要來(lái)源，這與最近發(fā)現(xiàn)的瓜氨酸是豬腸內(nèi)傳遞脯氨酸的主要產(chǎn)物這一結(jié)論[22]一致。

腸道瓜氨酸的合成主要有3種關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶：P5C、脯氨酸氧化酶和N-乙酰谷氨酸合成酶(NAG)[23]。腸上皮細(xì)胞是唯一一種全部表達(dá)這3種酶的哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型，因而腸道在調(diào)節(jié)瓜氨酸和Arg的平衡中起著舉足輕重的作用。在嬰兒和成年動(dòng)物中，瓜氨酸也是腸道功能衰竭的重要生物標(biāo)記物。NAG是P5C合成酶和氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ變構(gòu)激活物，在腸上皮細(xì)胞中調(diào)節(jié)瓜氨酸生成承擔(dān)著重要的角色[24]。P5C合成酶有2種亞型，其中較短亞型主要在小腸中表達(dá)，而較長(zhǎng)亞型則在大多數(shù)細(xì)胞中均表達(dá)。較短亞型的P5C合成酶活性被鳥氨酸抑制，而較長(zhǎng)的酶活性不受其影響[25]。在哺乳動(dòng)物中，當(dāng)攝入較高Arg含量的食物時(shí)，腸道中谷氨酰胺和谷氨酸合成瓜氨酸途徑被抑制。

在動(dòng)物體內(nèi)大約60%的Arg合成發(fā)生在腎臟。腎臟從血液獲取的瓜氨酸通過(guò)精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂解酶生成Arg。除了腎臟，幾乎所有類型的細(xì)胞都能將瓜氨酸轉(zhuǎn)換成Arg，其中包括脂肪細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、腸上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、神經(jīng)元細(xì)胞和肌細(xì)胞。巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)N系統(tǒng)將瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中[26]。N系統(tǒng)是氨基酸N側(cè)鏈的基團(tuán)選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng)(如谷氨酰胺和天冬酰胺)。而在雞、貓和雪貂由于其腸上皮細(xì)胞中P5C合成酶的缺乏，而不能分解谷氨酸和谷氨酰胺生成瓜氨酸[23]。此外，在魚中通過(guò)P5C合成酶的內(nèi)源合成瓜氨酸也是被抑制的。在鳥類、家禽、食肉動(dòng)物或水生動(dòng)物中，脯氨酸轉(zhuǎn)換為瓜氨酸途徑轉(zhuǎn)換率也不高[27]，由于其自身無(wú)法合成Arg，因此Arg在這些物種中是必需氨基酸。

4 Arg分解代謝

在哺乳動(dòng)物中Arg的周轉(zhuǎn)速率非?？?，成年、哺乳期及新生豬的Arg半衰期分別為1.06、0.75和0.65 h[28]。細(xì)胞中，Arg的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依賴于y+系統(tǒng)(高親和，非Na+依賴的轉(zhuǎn)運(yùn)載體)和Na+依賴轉(zhuǎn)運(yùn)載體(如b0，+、B0，+和y+L)。Arg轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞后，通過(guò)很多通路分解成NO、鳥氨酸、尿素、多胺、脯氨酸、谷氨酸、胍基丁胺和肌酸。Arg分解代謝酶包括精氨酸琥珀酸合成酶、2種精氨酸酶同工酶、3種NOS同工酶、精氨酸:甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶和精氨酸脫羧酶。這些代謝酶有組織特異性，在特定的炎癥條件下，其中的一些代謝酶會(huì)被誘導(dǎo)激活。Arg是細(xì)胞中2條重要代謝途徑的前體物質(zhì)：被iNOS代謝為NO和瓜氨酸的Arg-NO通路；被精氨酸酶水解為鳥氨酸和尿素的Arg-鳥氨酸通路[29]。

4.1 精氨酸酶

哺乳動(dòng)物的精氨酸酶通路在Arg代謝中是極其重要的。1932年Krebs和Henseleit在肝尿素循環(huán)中發(fā)現(xiàn)了精氨酸酶。精氨酸酶有2種同工酶——精氨酸酶Ⅰ和精氨酸酶Ⅱ。它們具有相同的生化功能但其在細(xì)胞表達(dá)、調(diào)節(jié)機(jī)制和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位均不相同。精氨酸酶Ⅰ是一種細(xì)胞質(zhì)酶，而精氨酸酶Ⅱ是一種線粒體酶。肝細(xì)胞中的精氨酸酶Ⅰ有豐富的表達(dá)，而在斷奶哺乳動(dòng)物的上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞和紅細(xì)胞中少量表達(dá)[30]。精氨酸酶Ⅱ以相對(duì)低的濃度廣泛表達(dá)在所有有線粒體存在的肝外細(xì)胞中(包括神經(jīng)、腎臟、血管和肌肉細(xì)胞中)，在調(diào)節(jié)NO、脯氨酸和多胺的合成中起著重要作用[31]。精氨酸酶Ⅰ和Ⅱ由2種不同的基因編碼，具有不同的生物化學(xué)和免疫學(xué)的功能。研究表明，在內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中，精氨酸酶活性是多胺合成和細(xì)胞增殖的限制因素[32-33]。從細(xì)胞和組織中釋放出精氨酸酶存在于細(xì)胞外的流質(zhì)中(如血漿、傷口、腸腔和羊的尿囊中)，將Arg水解成鳥氨酸和尿素。當(dāng)機(jī)體處于炎癥和受傷狀態(tài)下，血漿中就存在高活性的精氨酸酶，從而導(dǎo)致Arg嚴(yán)重缺失。鼠巨噬細(xì)胞中的精氨酸酶可以被前列腺素E2、淋巴細(xì)胞因子和環(huán)磷酸腺苷(cAMP)激活[34]。其分子機(jī)制是轉(zhuǎn)錄因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子-6(STAT-6)和增強(qiáng)子結(jié)合蛋白/β(CEBP/β)聚集在精氨酸酶Ⅰ的啟動(dòng)子3 kb處，從而激活精氨酸酶Ⅰ[35]。而Th2細(xì)胞因子激活精氨酸酶Ⅰ mRNA也是通過(guò)這個(gè)分子機(jī)制。同時(shí)，人巨噬細(xì)胞的精氨酸酶Ⅰ表達(dá)也與cAMP表達(dá)增加，及白細(xì)胞介素-4(IL-4)或轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)協(xié)同誘導(dǎo)有關(guān)[36]。STAT-6和CEBP/β與IL-4響應(yīng)元件結(jié)合在精氨酸酶Ⅰ的啟動(dòng)子上激活精氨酸酶Ⅰ[37]。

4.2 NOS

這2種NOS同工酶在結(jié)構(gòu)、分布、調(diào)節(jié)和合成能力都各不相同，但是催化相同的反應(yīng)：合并細(xì)胞內(nèi)的氧，從Arg末端的胍基氮基團(tuán)中釋放出NO同時(shí)生成瓜氨酸[41]。所有的NOS酶都有2個(gè)有功能的大的同型二聚體蛋白：一是N末端加氧酶和催化區(qū)域，與一個(gè)鐵-原卟啉IX(亞鐵血紅素)非朊基的基團(tuán)和輔因子四氫生物蝶呤相結(jié)合；二是C-末端還原酶區(qū)域，其與黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸的位點(diǎn)結(jié)合。這個(gè)催化反應(yīng)包括2個(gè)單加氧步驟：Arg被氧氣(O2)和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)羥基化形成Nω-羥基-L-Arg；Nω-羥基-L-Arg氧化生成NO和瓜氨酸。在缺乏Arg和四氫生物喋呤(BH4)的情況下，所有的NOS亞型也能合成超氧化物[29]。由NOS生成的超氧化物能與NO反應(yīng)生成過(guò)氧硝酸鹽。神經(jīng)型一氧化氮合酶(nNOS)和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)都是鈣依賴的持續(xù)表達(dá)的酶，而iNOS則是通過(guò)可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的，且在細(xì)胞內(nèi)鈣離子含量很低的情況下，鈣調(diào)蛋白能與iNOS結(jié)合，因而iNOS合成NO不依賴鈣。促炎細(xì)胞因子(如IL-1β、IFN-γ、TNF-α)、微生物產(chǎn)品(如LPS)和缺氧等情況能引起巨噬細(xì)胞中的iNOS轉(zhuǎn)錄，而其他細(xì)胞因子[如IL-4、白細(xì)胞介素-10(IL-10)、TGF-β]則抑制iNOS轉(zhuǎn)錄[45]。細(xì)胞因子的疊加或協(xié)同作用能誘導(dǎo)或抑制iNOS基因的表達(dá)。NO合成也受到Arg濃度或iNOS蛋白表達(dá)水平限制。NOS還能被內(nèi)生的不對(duì)稱二甲基Arg或合成的Arg類似物抑制，如Nω-一甲基-L-Arg、Nω-硝基-L-Arg或Nω-硝基-L-精氨酸甲基酯。由iNOS合成的NO能刺激靶細(xì)胞中可溶性的鳥苷酸環(huán)化酶生成可循環(huán)的GMP。除此之外，NO也是1個(gè)半衰期為3～5 s的原子團(tuán)，其在氧離子存在下與大量分子[如活性氮如三氧化二氮(N2O3)、過(guò)氧亞硝基或硝基離子]發(fā)生反應(yīng)，亞硝酸化蛋白使得蛋白結(jié)構(gòu)改變或功能受損[46]。

4.3 NOS與精氨酸酶相互作用

在氧化和氮化應(yīng)激下，NOS和精氨酸酶有拮抗也有協(xié)同反應(yīng)。Arg或輔助因子四氫生物蝶呤攝取不足將導(dǎo)致超氧化物的產(chǎn)生，而不會(huì)產(chǎn)生NO，因此增加了氧化應(yīng)激及過(guò)氧硝酸鹽的含量[43]。一般來(lái)說(shuō)，雖然iNOS和精氨酸酶的表達(dá)相互排斥，但是細(xì)胞內(nèi)這2種Arg代謝通路有很多交叉抑制的相互作用。精氨酸酶抑制劑是NO合成的中間產(chǎn)物，同時(shí)也被認(rèn)為是所有精氨酸酶亞型的潛在抑制劑[47]。Caco-2細(xì)胞和粗細(xì)胞裂解液制劑中也證實(shí)了NO是鳥氨酸脫羧酶(ODC)的有效抑制劑，通過(guò)將ODC亞硝基化來(lái)持續(xù)較低多胺的合成[48]。精氨酸酶也能抑制NO的合成。iNOS的表達(dá)受到Arg有效性的翻譯控制。另外，多胺或多胺醛代謝物能抑制NO合成；精胺抑制了iNOS和CAT-2B Arg轉(zhuǎn)運(yùn)載體的誘導(dǎo)作用，同時(shí)ODC調(diào)節(jié)的多胺生成抑制作用提高了LPS誘導(dǎo)的iNOS的表達(dá)和NO合成[49]。精胺也能抑制幽門螺桿菌(H.pylori)誘導(dǎo)的iNOS的蛋白轉(zhuǎn)錄，siRNA調(diào)節(jié)的ODC抑制作用能提高NO調(diào)控的殺菌作用[50]。

5 Arg及其代謝物在畜牧生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

5.1 Arg提高畜禽生長(zhǎng)性能

Arg在改善畜禽消化吸收能力、增加增重率(WGR)、提高畜禽生長(zhǎng)性能方面具有重要作用。Wu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在7～21日齡的哺乳仔豬的飼糧中添加0.2%和0.4% Arg，血漿中Arg的濃度分別增加30%和61%，體重分別提高28%和66%。Yao等[51]發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加1% Arg增強(qiáng)了早期斷奶仔豬腸道的生長(zhǎng)發(fā)育能力，并提高了十二指腸、空腸和回腸黏膜血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的表達(dá)水平，從而提高小腸吸收養(yǎng)分的能力。

Arg對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能的影響主要是通過(guò)刺激其下丘腦、胰腺和腎上腺等調(diào)節(jié)相關(guān)激素[如催乳素和生長(zhǎng)激素(GH)、胰島素(INS)和胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)等]的分泌來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Arg可通過(guò)提高斷奶仔豬平均日增重、血漿中Arg的濃度、小腸長(zhǎng)度以及十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度等促進(jìn)斷奶仔豬的生長(zhǎng)[52]。Morakot等[53]也發(fā)現(xiàn)，妊娠后期添加Arg能顯著降低新生仔豬死亡率，增加初生體重，提高母豬初乳中免疫球蛋白G的濃度。另外，1.0% Arg的飼糧對(duì)生長(zhǎng)肥育豬的脂肪代謝也起著重要的調(diào)節(jié)作用[54]。

本研究室研究發(fā)現(xiàn)，提高Arg濃度能有效緩解雷帕霉素(Rap)對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用，Rap通過(guò)調(diào)控PKCα-Erk/cFos-CAT2信號(hào)通路促進(jìn)豬腸上皮細(xì)胞對(duì)Arg的攝取，且提高Arg濃度可促進(jìn)腸道細(xì)胞對(duì)Arg的攝取。Tan等[55]將不同水平的Arg添加到1～3周齡肉仔雞飼糧中，發(fā)現(xiàn)Arg水平顯著影響雞的體重和平均日增重，且添加量與平均日增重呈二次函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明添加適量的Arg有利于提高肉雞的生長(zhǎng)性能。

Arg在體內(nèi)通過(guò)氧化脫亞胺酶途徑代謝形成NO，后經(jīng)過(guò)精氨酸酶途徑生成鳥氨酸和多胺[56]。鳥氨酸在鳥氨酸脫羧酶等的作用下可轉(zhuǎn)化成多胺，多胺能調(diào)節(jié)畜禽體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)增殖，其可和核酸分子相互結(jié)合，來(lái)提高核酸的穩(wěn)定性，促進(jìn)蛋白質(zhì)的翻譯，合成肌肉蛋白質(zhì)，從而達(dá)到穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)及促進(jìn)細(xì)胞增殖的功能，改善和提高畜禽發(fā)育和生長(zhǎng)性能。Wang等[57]發(fā)現(xiàn)，口服Arg和腐胺(5 mg/kg BW)可提高仔豬的最終體重和平均日增重，多胺或其前體可促進(jìn)早期斷奶仔豬的腸道黏膜增長(zhǎng)，維持腸道形態(tài)以及緊密連接和鉀通道蛋白的表達(dá)。

由此可見，在畜禽飼糧中添加適宜濃度Arg，可有效提高畜禽的初生重、平均日增重和平均日增重，有效調(diào)節(jié)激素代謝，促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育。實(shí)際應(yīng)用Arg添加劑時(shí)，應(yīng)先折算其有效含量和效價(jià)?？紤]到氨基酸平衡，防止出現(xiàn)拮抗作用，在飼糧中添加Arg時(shí)應(yīng)綜合、平衡考慮，避免因盲目添加而影響生產(chǎn)性能和造成浪費(fèi)。

5.2 Arg提高畜禽繁殖性能

NO和多胺是Arg的代謝產(chǎn)物，NO是血管舒張的信號(hào)分子，多胺是合成DNA和蛋白質(zhì)的關(guān)鍵調(diào)控物。Arg作為合成NO和多胺的前體物，可促進(jìn)哺乳動(dòng)物妊娠早期胎盤的快速生長(zhǎng)[58]。NO可調(diào)節(jié)子宮胎盤血流量，防止出現(xiàn)宮內(nèi)生長(zhǎng)受限[59]。有研究表明，NO通過(guò)擴(kuò)張血管來(lái)增加胎盤-胎兒血流量[60]。研究發(fā)現(xiàn)，在母豬妊娠第70～110天飼糧中添加1.5% Arg，其總產(chǎn)仔數(shù)與仔豬存活率較對(duì)照組分別提高8.03%、8.59%[61]。Lende等[62]在母豬妊娠第14～30天、第105天分娩時(shí)添加l% Arg，發(fā)現(xiàn)母豬分娩率提高15%，窩產(chǎn)仔數(shù)和產(chǎn)活仔數(shù)均增加8%。Lassala等[63]發(fā)現(xiàn)Arg可提高營(yíng)養(yǎng)不良母羊的單胎兒和多胎母羊胎兒出生體重。

Arg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。Hong等[64]發(fā)現(xiàn)，在公豬飼糧中添加1% Arg，精子活力及有效精子量分別提高7.57%、37.81%，異常精子量降低43.90%，提高了公豬精液品質(zhì)。因此，Arg及其代謝產(chǎn)物可促進(jìn)雌性動(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，在生產(chǎn)中適量添加Arg可有效提高畜禽繁殖性能。

5.3 Arg改善畜禽的應(yīng)激反應(yīng)

應(yīng)激導(dǎo)致畜禽采食量降低、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、免疫功能低下甚至死亡等情況，給畜禽生產(chǎn)業(yè)造成損失。間歇性熱應(yīng)激破壞仔豬腸道形態(tài)，飼糧1%的Arg可提高生長(zhǎng)肥育豬的腸閉合蛋白(Occludin)和β-防御素的表達(dá)水平，緩解機(jī)體熱應(yīng)激[65]。Arg在預(yù)防早期斷奶應(yīng)激引起的腸道功能障礙和代謝紊亂方面起著重要作用。早期斷奶應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致去勢(shì)雄性仔豬體重增加率顯著降低(15.6%)，并且補(bǔ)充Arg可將仔豬的生長(zhǎng)速度提高5.6%[66]。

Arg可有效促進(jìn)動(dòng)物機(jī)體胰島素、胰島素樣生長(zhǎng)因子的正常分泌，然后通過(guò)進(jìn)一步上調(diào)有關(guān)因子的基因結(jié)合表達(dá)，增強(qiáng)血漿蛋白中的谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性，降低動(dòng)物體內(nèi)IL-6和TNF的mRNA表達(dá)的水平，從而有助于緩解氧化應(yīng)激反應(yīng)[67]?；寄摱景Y的豬補(bǔ)充Arg可抑制其肺動(dòng)脈血壓升高，改善微循環(huán)、肌肉和肝臟蛋白質(zhì)代謝，緩解應(yīng)激并恢復(fù)腸道運(yùn)動(dòng)[68]。

Arg通過(guò)mTOR和Toll樣受體4(TLR4)信號(hào)通路以及細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的機(jī)制對(duì)LPS誘導(dǎo)的腸道細(xì)胞損傷具有修護(hù)作用[69]。適量添加Arg可有效改善畜禽胃腸黏膜的結(jié)構(gòu)和免疫功能。機(jī)理是Arg濃度的升高通過(guò)激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K-Akt)途徑機(jī)制,加快LPS處理的腸上皮細(xì)胞中的脫氧核糖核(DNA)合成、細(xì)胞周期進(jìn)程及線粒體活性的增強(qiáng)[70]。本研究室研究發(fā)現(xiàn)，抑制mTOR信號(hào)通路能顯著抑制細(xì)胞呼吸代謝，增加Arg濃度后除極顯著提高ATP生成耗氧率以外, 對(duì)細(xì)胞線粒體呼吸代謝其他指標(biāo)無(wú)顯著影響，說(shuō)明Arg通過(guò)mTOR信號(hào)通路來(lái)調(diào)控豬腸道上皮細(xì)胞能量代謝。

Arg是家禽的必需氨基酸，因家禽自身無(wú)法合成Arg，則必須從飼糧中攝取。Ruan等[71]研究發(fā)現(xiàn)，在黃羽雛雞飼糧中分別添加不同含量的Arg，結(jié)果表明，12.1 g/kg Arg對(duì)增強(qiáng)黃羽雛雞腸道谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)的活性和總抗氧化能力(T-AOC)的效果明顯，可上調(diào)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶1(GPx1)、血紅素加氧酶1(HMOX1)、核因子紅系相關(guān)因子2(NRF2)的基因表達(dá)，增加淋巴細(xì)胞的數(shù)量，提高腸道的抗氧化能力，顯著提高雛雞的平均日增重。Tan等[55]在患球蟲病的肉雞飼糧中添加Arg，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Arg通過(guò)抑制TLR4通路減輕腸道炎癥，并通過(guò)激活mTORC1通路促進(jìn)修復(fù)患病肉雞的腸道損傷。Corl等[72]發(fā)現(xiàn)，在豬病毒性腸炎期間，Arg可通過(guò)P70核糖體蛋白S6激酶(P70S6k)刺激增加腸黏膜蛋白質(zhì)合成，同時(shí)通過(guò)mTOR/p70S6k非依賴性機(jī)制靶點(diǎn)改善腸上皮的通透性。

Laika等[73]的研究表明，飼糧中添加不同生長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)建議量的105%和110%的Arg可以防止感染球蟲的肉雞在育肥期(28～42日齡)的平均日增重降低；球蟲攻擊增加了飼料轉(zhuǎn)化率(FCR)，補(bǔ)充110% Arg提高了生長(zhǎng)和育肥期的FCR，添加過(guò)量的Arg可緩解球蟲感染應(yīng)激，提高肉雞生長(zhǎng)性能。Salama等[74]發(fā)現(xiàn)，增加Arg改變了體外熱應(yīng)激牛乳腺上皮細(xì)胞中mTOR、mRNA和micro RNA豐度的機(jī)制靶標(biāo),可以減輕熱應(yīng)激對(duì)細(xì)胞功能的負(fù)面影響，提高奶牛乳蛋白含量和產(chǎn)量。Zhang等[75]發(fā)現(xiàn)，添加100 μmol/L Arg可增加LPS誘導(dǎo)的綿羊上皮細(xì)胞(IOECs)的活力；Arg顯著降低了LPS攻擊的IOECs內(nèi)脫氫酶(LDH)的釋放和丙二醛(MDA)的產(chǎn)生；用Arg處理IOEC可顯著減少LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。結(jié)果表明，Arg能促進(jìn)Nrf2蛋白表達(dá)，上調(diào)Ⅱ期代謝酶[醌氧化還原酶1(NQO1)和血紅素氧合酶-1(HO-1)]以及抗氧化酶[GPx1、CAT和超氧化物歧化酶2(SOD2)]的表達(dá)，以減輕氧化應(yīng)激。另外，Arg的代謝產(chǎn)物NO及NOS在調(diào)節(jié)神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)應(yīng)激反應(yīng)中也發(fā)揮著重要作用[76]。

以上研究結(jié)果表明，Arg可直接激活mTOR通路，或通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群組成間接激活mTOR通路，加快腸道蛋白質(zhì)合成，促進(jìn)腸道損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)，增強(qiáng)腸道屏障功能，緩解腸道炎癥反應(yīng)。Arg可激活核因子NF-E2相關(guān)因子/抗氧化反應(yīng)元件(Nrf2/ARE)通路，上調(diào)機(jī)體GPX、SOD及CAT等抗氧化基因表達(dá)，提高機(jī)體內(nèi)抗氧化蛋白含量，降低炎癥因子表達(dá)及釋放，緩解氧化應(yīng)激，促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育。

5.4 Arg調(diào)控腸道免疫反應(yīng)

腸道作為畜禽體內(nèi)的消化、吸取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，也屬于體內(nèi)主要的免疫器官,能有效地降低或防止病原體及其他代謝物逸出腸道對(duì)機(jī)體造成的損害。補(bǔ)充Arg可改善腸道損傷和腸道免疫力，增強(qiáng)免疫狀態(tài)，從而降低動(dòng)物和人類的發(fā)病率和死亡率[77]。

Bronte等[78]發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)添加Arg的濃度超出100 mol/L時(shí)，其在一定程度上能刺激T細(xì)胞的增殖，將Arg加入培養(yǎng)液，能增加細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CD8+)和記憶性T細(xì)胞亞群的數(shù)量，輔助性T細(xì)胞(CD4+)的數(shù)量不變。仔豬斷奶使其腸道易遭受細(xì)菌或毒素的侵襲，大腸桿菌LPS導(dǎo)致腸絨毛萎縮，降低絨毛高度/隱窩深度比(VCR)；飼糧中添加0.5%和1.0%的Arg可減輕LPS對(duì)空腸形態(tài)的破壞；飼糧中添加0.5% Arg提高了腸道IgA分泌細(xì)胞、CD8+和CD4+T細(xì)胞數(shù)量，降低了由LPS造成的淋巴細(xì)胞凋亡[79]。另外，飼糧中添加0.5% Arg也可增加豬淋巴細(xì)胞的數(shù)量，提升血清中白細(xì)胞介素-2(IL-2)和干擾素(IFN)的表達(dá)水平[80]。因此，在畜禽生產(chǎn)中，Arg添加量要遵循適度原則。適量添加Arg可改善畜禽機(jī)體的免疫功能，添加量不足則不能刺激免疫細(xì)胞增殖；添加過(guò)量則會(huì)對(duì)畜禽機(jī)體產(chǎn)生負(fù)面影響。

6 小結(jié)與展望

隨著營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究的深入及飼料工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)功能性氨基酸的利用越發(fā)廣泛，作為動(dòng)物機(jī)體重要的功能性氨基酸，Arg具有提高畜禽的生長(zhǎng)性能、抗氧化和免疫能力等作用，可保護(hù)和改善其健康狀態(tài)。Arg參與畜禽體內(nèi)的氮素循環(huán)、增強(qiáng)胃腸道的發(fā)育，同時(shí)具有抵御腫瘤和免疫調(diào)控的作用[77]?？茖W(xué)添加Arg可預(yù)防畜禽疾病并降低生產(chǎn)成本、提高效益，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。但Arg如何參與其他通路調(diào)節(jié)腸道炎癥反應(yīng)，如何促進(jìn)并穩(wěn)定NOS各種亞型，抑制超氧化物產(chǎn)生，以及Arg在不同腸段中的晝夜節(jié)律是否有不同，尚不十分清楚。同時(shí)由于各試驗(yàn)研究過(guò)程中Arg的添加量、動(dòng)物的健康情況、動(dòng)物品種以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鹊牟町?，研究結(jié)果也不盡相同。對(duì)于Arg適用的范圍、添加的劑量和其作用機(jī)制仍然存在問(wèn)題，尚需進(jìn)一步深入研究，以期讓Arg在畜禽生產(chǎn)中發(fā)揮出最優(yōu)的營(yíng)養(yǎng)生理作用，促進(jìn)畜禽生產(chǎn)健康綠色發(fā)展。