精氨酸的生理功能及其在魚類營養(yǎng)中的研究進展

■李培佳 趙紅霞 彭 凱 曹俊明

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院動物科學研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東海洋大學水產(chǎn)學院，廣東 湛江 524088；3.廣州飛禧特生物科技有限公司，廣東 廣州 510640）

氨基酸是魚類必需的營養(yǎng)素，在魚體的生長、代謝、信號傳導等過程中發(fā)揮了重要作用。精氨酸作為魚類的必需氨基酸，其在飼料配比及飼料營養(yǎng)成分搭配上的差異，可能導致魚體產(chǎn)生營養(yǎng)協(xié)同或頡頏作用，繼而影響其氨基酸吸收率以及飼料適口性、利用率和蛋白質(zhì)效率等。文章綜述了精氨酸的理化特性、代謝途徑及其對魚類生長性能、營養(yǎng)代謝、腸道功能、免疫、抗氧化作用等的影響及作用機制，以期為精氨酸在魚類生產(chǎn)中的應用提供參考。

1 精氨酸理化特性

精氨酸（Arginine），分子式C6H14N4O2，白色菱形晶體物質(zhì)，經(jīng)水重結(jié)晶后，105 ℃失去結(jié)晶水，其水溶性呈堿性，可從空氣中吸收CO2，微溶于乙醇，不溶于乙醚。自然界存在L-Arg、D-Arg兩種同分異構(gòu)體。動物機體內(nèi)發(fā)揮營養(yǎng)作用的主要為L-Arg。

2 精氨酸的代謝途徑

精氨酸的代謝途徑主要有以下幾種：①經(jīng)精氨酸酶分解成鳥氨酸、尿素等，鳥氨酸經(jīng)脫羧酶形成多胺、脯氨酸、谷氨酰胺。研究表明，肌肉中精氨酸水平和血清中鳥氨酸含量成正比，飼料中精氨酸添加量與血清中谷氨酰胺含量成正比。②經(jīng)一氧化氮合酶（NOS）生成一氧化氮（NO），可維持血管通透性，改善腸道缺血、缺氧。NO可在細胞內(nèi)、細胞間及神經(jīng)遞質(zhì)傳遞生物作用，參與細胞間及細胞內(nèi)的信號傳遞，并且參與免疫調(diào)節(jié)及相關(guān)基因表達，飼料添加精氨酸顯著提高魚類血清NOS 活性，促進NO 產(chǎn)生。③經(jīng)甘氨酸轉(zhuǎn)脒酶分解成鳥氨酸、肌酐酸。④精氨酸在機體內(nèi)經(jīng)過一定途徑最終分解成腐胺、谷氨酰胺等物質(zhì)，腐胺分解成精胺、亞精胺。谷氨酰胺、精胺、亞精胺三者合稱多胺。谷氨酰胺最終氧化供能生成CO2。精氨酸代謝過程見圖1。

圖1 精氨酸代謝過程（車東升等，2020）

3 精氨酸的生理功能

3.1 精氨酸對魚類營養(yǎng)代謝的影響

精氨酸通過刺激生長激素、胰島素等激素，進一步激活雷帕霉素靶蛋白（TOR）信號通路，調(diào)控蛋白質(zhì)合成并調(diào)節(jié)魚類機體代謝。鳥氨酸作為合成脯氨酸和多胺的底物，可以直接參與多種生長和發(fā)育途徑。研究表明，飼料添加精氨酸可顯著提高石斑魚幼魚（Epinephelinae）肌肉粗蛋白含量，過量添加則成反比。精氨酸通過激活葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4（GLUT-4）來刺激葡萄糖攝取，增加葡萄糖利用的潛力，調(diào)節(jié)魚的碳水化合物攝入和脂質(zhì)代謝。機體精氨酸在代謝過程中通過內(nèi)分泌信號，調(diào)節(jié)腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），抑制機體內(nèi)脂肪酸和類固醇的合成，影響其合成過程，降低粗脂肪含量。在大西洋鮭（Salmo salar）飼料中添加精氨酸可顯著增加肝臟中肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1（CPT-1）的表達量，但過量添加導致脂肪累積。當飼料精氨酸添加量為1.5%～2.5%，與黑鯛（Acanthopagrus schlegelii）魚體粗脂肪含量呈負相關(guān)。添加適量的精氨酸，顯著提高機體總必需氨基酸，對機體非必需氨基酸總含量的影響不顯著。精氨酸與賴氨酸之間存在競爭抑制現(xiàn)象，已被證明在多種魚體內(nèi)存在，飼料添加過量的精氨酸或賴氨酸對牙鲆（Paralichthysolivaceus）、斑點叉尾鮰（Ictalurus punctatus）未見顯著頡頏影響，但在斑馬魚（Brachydanio rerio var）上卻有隨賴氨酸升高顯著降低精氨酸利用率的情況，其頡頏作用是由于兩者均為堿性，利用同種載體進行腸道吸收代謝，存在吸收競爭作用，賴氨酸對精氨酸抑制依賴于這兩種氨基酸的相對濃度，而精氨酸對賴氨酸抑制則與濃度無關(guān)，精氨酸和賴氨酸競爭頡頏現(xiàn)象在不同魚種之間存在不同現(xiàn)象，對此應對不同魚種間作深入研究。

3.2 精氨酸對魚類腸道功能的影響

腸道是營養(yǎng)素消化吸收的重要部位，腸道中的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶能促進食物消化，腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育也會影響腸道消化能力。研究表明，飼料添加精氨酸，顯著提高了腸道消化酶活性，促進腸道發(fā)育。雜交條紋鱸（Morone chrysops×Morone saxatilis）飼料中添加精氨酸或谷氨酰胺，可顯著提高前腸和中腸的皺壁和微絨毛的高度，增加腸道吸收面積，促進腸道對營養(yǎng)素的消化。外源精氨酸添加可顯著提高黑鯛幼魚胃、前腸和中腸胃蛋白酶、胰蛋白酶、淀粉酶的活性，進而提高其消化機能，顯著提高其對飼料的消化率和吸收率。谷氨酰胺可以促進建鯉（Cyprinus carpiovar Jian）腸道蛋白酶和脂肪酶的活性，并驗證了在飼料中添加適宜水平的精氨酸可以提高腸道內(nèi)消化酶的活性，進而促進腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。飼料添加1%精氨酸可顯著提高雜交條紋鱸后腸絨毛和腸上皮細胞的高度，添加2%時，中腸、后腸褶皺高度顯著提高。黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）飼料添加0.2%～0.4%谷氨酰胺，顯著提高腸道絨毛和皺襞的高度，顯著降低肌層厚度，促進了魚體的腸道發(fā)育，精氨酸促進魚體腸道的發(fā)育可能與谷氨酰胺有關(guān)。谷氨酰胺作為腸道細胞發(fā)育的代謝底物，具有維持腸道免疫機能、防止腸絨毛萎縮、改善腸道健康和促進機體生長的作用。精氨酸通過下調(diào)Toll 樣受體4（TLR4）、核轉(zhuǎn)錄因子-κB p65（NF-κB p65）、p38 蛋白（p38 MAPK）的mRNA 表達量，抑制TLR4-Myd88 信號通路的過度激活，防止白細胞介素-1β（IL-1β）和白細胞介素-6（IL-6）的增加，減少脂多糖（LPS）誘導腸道炎癥，從而起到保護腸道的作用。精氨酸可通過上調(diào)TOR 和緊密連接蛋白mRNA 的表達，增強草魚（Ctenopharyngodon idella）腸道上皮細胞完整性，磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）-蛋白激酶B（Akt）-TOR信號通路在調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、凋亡和細胞間緊密連接中起著關(guān)鍵作用，研究應趨于PI3K/Akt/TOR 信號通路和緊密連接基因表達來判斷精氨酸對腸道屏障的保護性。

3.3 精氨酸對魚類免疫機能的影響

魚類屬于低等變溫動物，其免疫系統(tǒng)由免疫器官、免疫組織、免疫細胞、免疫因子組成，機體存在特異性、非特異性免疫反應，由于特異性免疫反應依賴于較高溫度，所以魚類免疫反應主要依賴于非特異性免疫反應。氨基酸參與免疫反應蛋白的合成和免疫相關(guān)信號通路的調(diào)控，哺乳動物能夠維持精氨酸合成代謝與分解代謝之間的平衡，而在嚴重炎癥條件下，精氨酸分解合成代謝失衡，精氨酸可促進機體生成免疫球蛋白，提高體液免疫特性，促進產(chǎn)生胰島素、泌乳素、生長激素等，從而參與免疫調(diào)節(jié)作用。精氨酸在機體內(nèi)代謝產(chǎn)生NO，NO 可激活機體巨噬細胞，產(chǎn)生吞噬活性作用。研究表明，精氨酸可保護魚體物理屏障如魚鰓等部位，提高魚類機體自身吞噬細胞吞噬能力、殺菌酶殺菌活性、補體免疫效應、特異性抗體效價等免疫活性。精氨酸是脯氨酸的前體物質(zhì)，脯氨酸參與構(gòu)成膠原蛋白，補充精氨酸有助于嚴重外傷、燒傷等的組織修護，具有抗感染及抗炎作用。精氨酸可顯著提高血清中溶菌酶、NOS 活性，增加NO 含量，增強機體免疫活性，調(diào)節(jié)TOR及真核起始因子4結(jié)合蛋白（4E-BP）的mRNA 表達量，增強建鯉的免疫抗病力。溶菌酶可溶解細菌細胞壁，激活補體旁路和吞噬細胞活性，參與非特異性免疫防御，飼料添加精氨酸顯著提高雜交條紋鱸溶菌酶活性。此外，通過抑制TLR4和MAPK 通路、上調(diào)抗炎因子的表達、下調(diào)促炎因子的表達發(fā)揮抗炎作用，保護魚體免受免疫應答的自我損傷。炎癥是外界或自身因素刺激機體而產(chǎn)生的一種病理過程，IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等細胞因子參與機體炎癥反應，飼料添加精氨酸可顯著降低黃顙魚血清和腸道促炎因子含量，表明精氨酸可顯著緩解炎癥反應。精氨酸可提高斑點叉尾鮰巨噬細胞的殺傷和吞噬能力，提高溶菌酶活性和紅細胞數(shù)量，并增強有絲分裂后淋巴細胞的增殖。NOS在各種刺激下催化NO，NOS 的活性依賴于細胞外精氨酸水平，在致病性機制或氨氮脅迫下，魚血漿中精氨酸水平顯著降低，需要提供充足的飼料精氨酸來維持足夠的免疫應答，增加頭腎白細胞NO的產(chǎn)生，增強有絲分裂刺激下的呼吸爆發(fā)活性，上調(diào)建鯉頭腎中腫瘤壞死因子-β（TGF-β）和白介素-10（IL-10）mRNA 的表達水平，下調(diào)炎癥細胞因子TNF-α和IL-1βmRNA 的表達，小劑量NO 釋放可激活熱休克蛋白等巨噬細胞功能，保護細胞凋亡。然而，過量的NO釋放可通過激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激途徑或其他途徑誘導細胞凋亡。在草魚白細胞和建鯉腸道細胞的培養(yǎng)基中添加適量精氨酸可抑制NF-κB途徑，抑制TLR4-MyD88信號通路的過度激活，下調(diào)TNF-α、IL-1β、IL-6 mRNA 和p38 MAPK mRNA 的表達水平，提高細胞和體液免疫水平，增強其在面對病原體入侵時的抗病力。當應用精氨酸改善魚類免疫防御時，應考慮魚類自身免疫反應以及外部環(huán)境參數(shù)。

3.4 精氨酸對魚類抗氧化功能的影響

魚類機體抗氧化防御系統(tǒng)大體由過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶體系和VE、VC 等非酶體系類組成，其中抗氧化酶可以清除機體自身氧自由基，保護核酸。此外，精氨酸可以通過AMPK-NO 信號通路促進NO 的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)機體抗氧化能力。精氨酸能夠通過Nrf2、NO、GSH 合成途徑等發(fā)揮抗氧化應激作用，適量NO 可清除體內(nèi)氧自由基，提高抗氧化酶活性，NO 過量會破壞機體氧化平衡，對機體造成損傷。精氨酸在機體內(nèi)通過不同的代謝途徑代謝，其代謝產(chǎn)物可以清除自身H2O2、氧自由基等，更好地發(fā)揮抗氧化作用。魚類研究中發(fā)現(xiàn)，隨飼料中精氨酸增加，可促進機體生成谷氨酰胺（Gln），進一步調(diào)控機體抗氧化系統(tǒng)，顯著增強腸道上皮抗氧化能力。大菱鲆（Scophthalmus maximus）幼魚飼料精氨酸水平對血清和肝臟中SOD 活性無顯著影響。但飼料中添加適量精氨酸，可顯著提高斑點叉尾鮰肝臟SOD 活性；雜交鱘（Acipenser schrenckii♀×Acipenser baeri♂）幼魚腸道的SOD、GSH活性，顯著降低丙二醛（MDA）含量，顯著提高抗氧化能力；顯著提高黃顙魚血清GSH-Px、CAT活性，顯著提高機體抗氧自由基能力。魚類抗氧化防御系統(tǒng)中，抗氧化酶活性與其mRNA 水平密切相關(guān)，Nrf2已被證實是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控魚體內(nèi)抗氧化酶基因的表達，飼料中適宜的精氨酸水平可激活Nrf2 信號通路，抑制Keap1 的表達，對Cu/Zn-SOD、Mn-SOD 和CAT 均有促進作用。精氨酸參與調(diào)控魚類肌肉Nrf2信號通路的抗氧化相關(guān)基因的表達，具體作用機制尚有待于深入研究。

4 魚類的精氨酸需要量

由于成魚體內(nèi)鳥氨酸脫羧酶（ODC）和氨甲酰磷酸合成酶（CPS）Ⅲ的活性較低，因此，必須由外源補充精氨酸以滿足魚類生長和代謝所必需。精氨酸通過調(diào)節(jié)腺苷5′-單磷酸（AMP）激活AMPK通路來調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)，也可以通過激活TOR信號通路靶點來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成，參與鳥氨酸循環(huán)，促進機體蛋白質(zhì)沉積，促進生長。此外，精氨酸也發(fā)揮多種免疫調(diào)節(jié)功能，包括調(diào)節(jié)魚自身免疫反應，抑制白細胞凋亡，以及調(diào)節(jié)魚對細菌疾病的抵抗力。然而，精氨酸對魚生長的影響可能因精氨酸添加量、魚的健康狀況和環(huán)境條件而異。精氨酸添加適量，顯著提高飼料蛋白質(zhì)效率；反之，添加量過高過低對機體生長機能、免疫代謝均有不良影響。不同魚種精氨酸適宜需要量見表1。由表1 可以看出，促進不同魚類生長的精氨酸適宜需要量各異，這可能與種間差異、飼料添加量、營養(yǎng)配比、氨基酸頡頏、實驗魚初始體質(zhì)量、實驗飼料蛋白質(zhì)組成、投喂技術(shù)、實驗周期、評價指標等不同有關(guān)。

表1 不同魚種對精氨酸的需要量

5 結(jié)語

綜上所述，飼料中適量添加精氨酸，可顯著提高魚類生長速率、生產(chǎn)性能，改善魚體營養(yǎng)素代謝，提高魚體免疫應答的能力，增強魚體抗氧化活性等，但精氨酸在魚類飼料中應用仍存在一些問題，需要進一步開展相關(guān)研究：①深入研究精氨酸在不同養(yǎng)殖魚類中的適宜添加量、精氨酸與其他氨基酸產(chǎn)生的營養(yǎng)頡頏作用以及營養(yǎng)代謝調(diào)控對水環(huán)境造成的影響等；②細化研究不同養(yǎng)殖環(huán)境、養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖季節(jié)、養(yǎng)殖階段的魚類精氨酸的精準營養(yǎng)需要量；③基于實際魚類生產(chǎn)情況，依照最佳生長性能、形體參數(shù)、繁殖性能、產(chǎn)品品質(zhì)、抗病抗應激能力等不同評判標準，評估精氨酸的適宜需要量；④進一步探索精氨酸促進免疫因子分泌的作用機制以及精氨酸影響魚類生理功能與代謝機能的細胞通路等。