輔酶Q 的生物特性及其在寵物食品中的應(yīng)用前景

■趙夢迪 劉可園 周 寧 李光玉

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，山東青島 266109；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，吉林 長春130118；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長春130112；4.北京信得威特科技有限公司，北京101300）

輔酶Q（Coenzyme Q，CoQ）是一種廣泛存在于機體細(xì)胞中的醌類化合物，又名泛醌（Ubiquinone），由一個苯醌環(huán)和多個聚異戊二烯構(gòu)成的長鏈相結(jié)合而形成的化合物，化學(xué)名稱為2,3-二甲氧基-5-甲基-6-多聚異戊烯基-1,4-苯醌（反式構(gòu)型），結(jié)構(gòu)上類似于脂溶性維生素（Bhagavan 等，2007；Nelson 等，2004），室溫下為黃色或淡橙黃色結(jié)晶粉末。側(cè)鏈的異戊二烯數(shù)量因生物體不同而異，人類為10個，因此也被稱為輔酶Q10（CoQ10）；小鼠為9個；大腸桿菌為8個；釀酒酵母為6 個（Wang 等，2016）。它可以自然合成，也可以通過飲食攝取。

1 輔酶Q的生物特性

1.1 輔酶Q在機體內(nèi)的合成

動物組織中CoQ 合成是一個需要多種酶參與的復(fù)雜過程，頭部的苯醌環(huán)由苯丙氨酸和酪氨酸經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)合成，該過程包括芳香族氨基酸的轉(zhuǎn)氨作用、還原為乳酸衍生物、脫水和β-氧化成苯甲酸鹽或?qū)αu基苯甲酸鹽（Olson 等，1967）。在哺乳動物中，CoQ尾部的異戊二烯亞單位是通過甲羥戊酸途徑合成的（Stefely等，2017），催化異戊二烯亞單位側(cè)鏈合成的是聚異戊烯焦磷酸合成酶（PPP synthase），而將側(cè)鏈轉(zhuǎn)移至醌環(huán)上的酶則是PHB-聚異戊烯焦磷酸轉(zhuǎn)移酶（PHB-polyprenyltransferase）（朱旭芬等，2000）。

在正常的體內(nèi)平衡條件下，CoQ在所有組織和細(xì)胞中大量合成，以發(fā)揮其生理作用（Siemieniuk 等，2005；Miles，2007）。大多數(shù)的CoQ 產(chǎn)生于線粒體內(nèi)膜，少數(shù)在線粒體外產(chǎn)生（Stefely等，2017）。CoQ的濃度會隨著體內(nèi)組織需要能量的不同而變化，心臟所需的能量最高，故而心臟中CoQ 的濃度最高（薛茂云，2010）。動物組織和血清中的CoQ含量會因為衰老、癌癥、基因突變和他汀類藥物的影響而降低（Crane 等，2002）。人類從19歲到81歲，心臟、胰腺、腎臟和肝臟中的CoQ含量分別下降58%、83%、45%和17%（Kalén等，1989）；從30歲到80歲，皮膚表皮的CoQ含量下降75%（Hoppe等，1999）。動物機體中CoQ水平下降，健康狀況必然下降，例如在人體中CoQ10下降達(dá)到25%時，許多疾病就會產(chǎn)生，特別是心腦血管疾病。

1.2 輔酶Q在動物機體中的吸收和轉(zhuǎn)運

CoQ是一種親油性物質(zhì)，其吸收過程與脂質(zhì)在胃腸道中的吸收過程相同，在脂質(zhì)存在的情況下吸收效率增加（Bhagavan 等，2006）。CoQ 主要在小腸中被吸收，其過程與維生素E等親油性物質(zhì)類似，首先進(jìn)入到乳糜顆粒中，并通過淋巴管被運輸?shù)窖h(huán)系統(tǒng)。然后，這些微粒在血液循環(huán)中被脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase）轉(zhuǎn)化為乳糜微粒殘留物，迅速被肝臟吸收（Bhagavan等，2006；Casagrandea等，2018）。在肝臟中形成脂蛋白復(fù)合物，其中58%的CoQ 由低密度脂蛋白（LDL）攜帶運輸，26%由高密度脂蛋白（HDL）攜帶運輸，剩余的16%由極低密度脂蛋白（VLDL）攜帶運輸，然后被分配到心肌、腎上腺、肺等組織中（Mas 等，2010）。血漿中的CoQ 含量主要依賴于血漿脂蛋白的含量（Laaksonen等，1995），血液循環(huán)中的CoQ可以在脂蛋白之間重新分布，這可能是為了保護(hù)其免受氧化（Bhagavan等，2006）。在動物體內(nèi)，大約95%的CoQ在血漿中以還原形式存在（Bhagavan等，2007）。通過放射性同位素研究發(fā)現(xiàn)，未被吸收的CoQ主要通過膽汁和糞便排出，一小部分最終隨尿液排出（Bhagavan等，2006）。

1.3 輔酶Q的生理作用

CoQ是線粒體電子傳遞鏈中的輔助因子，在細(xì)胞能量代謝中起著基礎(chǔ)性的作用，對ATP的產(chǎn)生至關(guān)重要。ATP主要在線粒體內(nèi)膜中產(chǎn)生，CoQ也在這里發(fā)揮生理功能（Crane 等，2002）。CoQ 有一個獨特的功能是將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到線粒體膜外的同時，把電子從初級底物轉(zhuǎn)移到氧化酶系統(tǒng)，從而形成梯度。當(dāng)質(zhì)子通過制造ATP 的酶返回線粒體內(nèi)部時，推動ATP 形成（Crane 等，2002）。CoQ 傳遞電子和轉(zhuǎn)移質(zhì)子的過程是一個循環(huán)過程，即“Q 循環(huán)”。CoQ 存在3 種不同的氧化還原狀態(tài)，即完全氧化（CoQ）、部分還原（Co-QH·-）和完全還原狀態(tài)（CoQH2）。這3 種狀態(tài)在氧化還原循環(huán)中的轉(zhuǎn)化是CoQ 在線粒體呼吸鏈中作為電子載體發(fā)揮作用的基礎(chǔ)（Wang等，2016）。

在電子傳輸鏈中，CoQ將電子從線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ和Ⅱ傳遞到復(fù)合物Ⅲ。在復(fù)合物Ⅲ，質(zhì)子從基質(zhì)被泵入到膜間隙，這一過程涉及兩個不同的CoQ結(jié)合位點。CoQH2在Q0位置被氧化，一個電子傳遞到細(xì)胞色素C（cytC），另一個電子被傳遞到Qⅰ位置，在這里電子與CoQ結(jié)合形成CoQH·-，進(jìn)而生成CoQ?！癚循環(huán)”完成后，在Q0位置形成的氧化的CoQ和在Qⅰ位置形成的CoQH2可以自由地擴(kuò)散到CoQ池中。隨著電子的傳遞，它們可以與氧氣形成超氧化物（O2·-）。超氧化物歧化酶（SOD）將O2·-轉(zhuǎn)化為過氧化氫（H2O2），并通過谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）將其還原為水。另外，CoQ也接收電子傳遞鏈之外的脫氫酶的電子，如線粒體3-磷酸甘油脫氫酶（GAPDH）、二氫乳酸酯脫氫酶（DHODH）和電子轉(zhuǎn)移黃素蛋白-輔酶Q氧化還原酶（ETFQOQ）等（Wang等，2016）。

CoQ可以有效地預(yù)防DNA損傷，這對線粒體DNA非常重要，因為其氧化損傷比核DNA高10倍，且很難修復(fù)。CoQ 可抑制DNA 鏈的斷裂和氧化損傷并增強淋巴細(xì)胞中DNA 修復(fù)酶的活性（Tomasetti，2001）。CoQ 的抗氧化活性以及其與DNA 修復(fù)酶轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的氧化還原機制中的作用，可以說明CoQ具有保護(hù)DNA免受氧化損傷的能力。但是，在這些作用的確切機制仍不清楚（Díaz-casado等，2019）。CoQ作為抗氧化劑和自由基清除劑，能夠有效防止炎癥信號通路的激活。它可以通過影響核因子-κB（NF-κB）依賴基因的表達(dá)發(fā)揮多重抗炎作用（D?ring等，2008）。細(xì)胞和動物模型研究表明CoQ 具有抗炎的作用（Bessler 等，2010；Tarry-adkins等，2016）。在人類的臨床研究中發(fā)現(xiàn)，CoQ可以降低多種疾病患者的炎癥因子水平（Lee等，2012；Sanoobar，2014；Alehagen等，2019）。

2 CoQ在寵物保健和疾病防治中的應(yīng)用前景

2.1 與年齡相關(guān)的疾病輔助治療

寵物隨著年齡增長而產(chǎn)生老化，這是一個自然的、不可逆的過程，表現(xiàn)在漸進(jìn)性的細(xì)胞數(shù)量減少（細(xì)胞增長補充不夠）和漸進(jìn)性的細(xì)胞功能減退（細(xì)胞內(nèi)酶含量減少，有更多的細(xì)胞出現(xiàn)變異）（戴庶，2010）。同時，由于機體損傷的積累，會導(dǎo)致寵物出現(xiàn)免疫反應(yīng)減弱，體力、精力和敏捷性下降，器官衰竭等健康問題。老年寵物面臨的心血管疾病、神經(jīng)病變、炎癥、代謝綜合征、關(guān)節(jié)炎、癌變、糖尿病或高膽固醇血癥等疾病在機體衰老過程中會逐步惡化，是與年齡相關(guān)的主要疾?。↙ópezlluch等，2010）。內(nèi)源和外源產(chǎn)生的活性氧（ROS）被認(rèn)為與動物機體衰老有關(guān)，其中線粒體ROS在衰老過程中起著重要的作用，氧化應(yīng)激也是導(dǎo)致線粒體功能障礙的主要原因之一（Warraich 等，2020）。CoQ 在線粒體中和抗氧化應(yīng)激方面有重要作用，對抗衰老和輔助治療與衰老相關(guān)的疾病有積極的作用，尤其是相關(guān)疾病動物模型的研究中。這說明CoQ在這種情況下是維持細(xì)胞正?；顒拥闹匾蛩兀╒arela等，2016）。

2.1.1 心臟病

老年寵物由于機體的自然衰老和各種疾病的長期積累，心血管疾病的發(fā)病率較高。有研究顯示9-12歲犬的發(fā)病率為20%～25%，13 歲以上犬的發(fā)病率高于30%（張志紅，2010）。CoQ 可以通過提高細(xì)胞能量代謝水平而在預(yù)防和治療心臟病方面具有潛在的作用（Adarsh，2009）。人體研究表明，70%～75%的心臟病患者的CoQ水平較低（Folkers等，1970），隨著心臟病的嚴(yán)重程度增加，血液和心肌組織中CoQ濃度逐漸下降（Littarru等，1972）。同時，CoQ能夠抑制低密度脂蛋白的氧化，從而抑制動脈粥樣硬化的發(fā)展；降低促炎因子和血液黏稠度，這對心力衰竭和冠心病有幫助；可以改善冠狀動脈損傷缺血和再灌注損傷（Adarsh，2009）。Masaru 等（2008）研究發(fā)現(xiàn)CoQ10 可以通過影響NFκB起到抗炎、抗血管增殖作用，進(jìn)而起到動脈硬化的防治作用。Harker-Murray等（2000）研究發(fā)現(xiàn)，心動過速引發(fā)的心力衰竭的比格犬補充CoQ10后，血清中的CoQ10含量升高。

2.1.2 高血壓

CoQ 可以降低氧化應(yīng)激導(dǎo)致的高血壓（王文娜，2017）。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的活性氧（ROS）會誘發(fā)和加重高血壓，還會通過修飾低密度脂蛋白與一氧化氮（NO）形成過氧化亞硝酸鹽，降低NO的作用。CoQ在清除自由基的同時，抑制氧化低密度脂蛋白介導(dǎo)的下調(diào)內(nèi)皮一氧化氮合酶和上調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的作用，防止自由基滅活NO（王文娜，2010）。在高血壓動物模型研究中發(fā)現(xiàn)，口服CoQ10 可顯著降低血壓（Adarsh，2009）。在人類的臨床研究中發(fā)現(xiàn)，CoQ10對糖尿病患者的高血壓特別有效，因為它不僅可以降低血壓，還可改善胰島素抵抗。但值得注意的是，在所有這些臨床試驗中，CoQ是需要在傳統(tǒng)的抗高血壓藥物治療之外使用的，而不是單獨使用。

2.1.3 糖尿病

糖尿病是寵物面臨的另一營養(yǎng)代謝病，寵物犬患病率為0.005%～1.5%，近年有升高的趨勢（東彥新等，2018）。主要多發(fā)于6 歲以上的老年犬，肥胖犬比正常體重犬的發(fā)病率高。寵物犬糖尿病和人類的糖尿病一樣，是由于胰島素相對或絕對不足，使碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)代謝紊亂的一種內(nèi)分泌疾?。|彥新等，2018）。補充CoQ 能夠通過減輕氧化應(yīng)激來改善胰島素抵抗，從而起到輔助治療的作用。在人體臨床研究中發(fā)現(xiàn)Ⅱ型糖尿病患者血清中的CoQ 含量通常會降低，補充CoQ 后血清中含量提高，同時改善了肱動脈內(nèi)皮的功能，顯著降低收縮壓、舒張壓和糖基化血紅蛋白的水平（Garrido-maraver等，2014）。

2.1.4 癌癥

代謝酶的突變破壞了正常的生化反應(yīng)和正常器官的功能，導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生（Maheshwor 等，2020）。輔酶在許多涉及代謝的基因表達(dá)、細(xì)胞轉(zhuǎn)運、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)錄等方面都有影響（楊敬源等，2018）。目前的研究認(rèn)為活性氧的作用導(dǎo)致DNA氧化損傷是人類癌癥發(fā)生的一個重要因素，許多臨床研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤疾病患者的血清中CoQ水平較正常人的水平要低（Stocker等，1991）。盡管許多藥物都有清除自由基的功能，但這些藥物起作用是通過誘導(dǎo)提高癌細(xì)胞中的CoQ水平、促進(jìn)抗氧化作用來減少自由基產(chǎn)生來起作用的（楊敬源等，2018）。Vetvicka 等（2018）研究發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖可以增強CoQ10的抗炎作用，兩者之間有顯著的協(xié)同作用。

2.1.5 骨關(guān)節(jié)疾病

研究發(fā)現(xiàn)，CoQ10通過參與轉(zhuǎn)錄因子活動的所有分化過程而增強骨再生功能，說明其可能參與骨代謝進(jìn)程（Moon 等，2013；Moon 等，2012）。于瓊等（2014）研究發(fā)現(xiàn)CoQ10 能有效預(yù)防環(huán)磷酰胺造成骨質(zhì)疏松大鼠的骨損失。陳麗思等（2016）研究發(fā)現(xiàn)CoQ10 可以預(yù)防去卵巢的大鼠骨鈣、骨鎂、骨羥脯氨酸含量下降及骨密度減少，提高骨密度而改善骨強度，有效防止去卵巢引起的絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松。

促炎癥因子的高表達(dá)是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)病的主要原因（Su 等，2018）。研究發(fā)現(xiàn)，CoQ10 可以降低人類類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者血清中的白細(xì)胞介素（IL-17）、腫瘤壞血因子（TNF-α）和丙二醛水平，且降低了關(guān)節(jié)的疼痛評分和晨僵時間（朱科達(dá)等，2020）。這說明CoQ10 可能為風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者提供一種新的治療方法（Nachvak 等，2019）。Jhun 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)CoQ10 可以聯(lián)合二甲雙胍（Metformin，Met）改善膠原誘導(dǎo)小鼠關(guān)節(jié)炎（CIA）的嚴(yán)重程度，并顯示出加性效應(yīng)，比單獨使用Met 和CoQ10 相比，二者聯(lián)合使用可改善線粒體功能障礙。Lee等（2018）研究發(fā)現(xiàn)益生菌復(fù)合物、鋅和CoQ10聯(lián)合使用可以改善CIA小鼠關(guān)節(jié)炎癥、骨破壞、軟骨損傷，降低關(guān)節(jié)滑膜中TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-17和血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的表達(dá)。

2.2 促進(jìn)脂肪代謝

肥胖是寵物的頭號營養(yǎng)問題，患病率隨著年齡的增加而增加，這是由于能量需求的減少，特別是隨著體育活動的減少和與年齡相關(guān)的身體組織的變化，使基礎(chǔ)代謝率下降（Jean等，1998）。線粒體在脂肪細(xì)胞分化和成熟過程中發(fā)揮重要作用（Aurélia等，2009），為脂肪生成過程中前脂肪細(xì)胞的分化提供足夠的ATP（Lu等，2010）。肥胖機體會產(chǎn)生線粒體功能紊亂和CoQ水平降低的狀況，這將導(dǎo)致機體中脂肪沉積增加（Mehmetoglu等，2010）。營養(yǎng)供給過多，會導(dǎo)致線粒體功能障礙，產(chǎn)生ROS和過氧化脂類，增加炎癥反應(yīng)以及線粒體分裂，這些會導(dǎo)致胰島素抵抗和肥胖的發(fā)生（Kusminski 等，2012）。CoQ 能夠阻止脂肪生成（Carmona 等，2009）、抑制脂肪細(xì)胞的分化（Bour等，2011），增加脂肪組織中脂肪氧化和能量消耗（Carmona等，2009）。

2.3 抗疲勞、提高運動能力

運動和體力活動產(chǎn)生大量的ROS 可能導(dǎo)致肌肉損傷和身體疲勞。CoQ 一方面通過促進(jìn)ATP 的生成提高骨骼肌的有氧工作能力（?stman 等，2012），另一方面可以清除由于高強度長時間運動而產(chǎn)生的ROS（Rodick等，2018）。姚霖等（2018）研究CoQ10對大負(fù)荷運動后心肌肌鈣蛋白的影響發(fā)現(xiàn)，CoQ10可以加快心肌肌鈣蛋白T 和心肌肌鈣蛋白I 恢復(fù)，說明大負(fù)荷運動前補充CoQ10 對心肌細(xì)胞有保護(hù)作用。根據(jù)以上在人方面的研究結(jié)果提示，CoQ10可以用于幫助警犬、搜救犬等工作犬和運動犬高負(fù)荷工作或運動后的恢復(fù)體力、保護(hù)心臟。

2.4 健齒、保護(hù)皮膚

牙齒疾病是威脅寵物健康的主要疾病之一，患病動物會由于疼痛而表現(xiàn)出食欲下降或廢絕，逐漸消瘦，如不及時治療會危及生命（梁永春等，2016）。據(jù)統(tǒng)計，4-8 歲的寵物犬牙齒疾病的發(fā)病率為60%～80%，并隨著年齡的增長而不斷增加。CoQ 具有較強的抗炎作用，能夠改善微循環(huán)，增強組織細(xì)胞活力，加速細(xì)胞更新?？捎糜陬A(yù)防牙組織細(xì)胞的水腫、膜破裂及死亡，增強牙齦保護(hù)能力；激活細(xì)胞代謝，提供組織能量，減少口腔中有害微生物，有助于預(yù)防牙齦感染、出血、紅腫及牙齒松動、脫落（王文慧等，2013）。CoQ10已經(jīng)被應(yīng)用于牙膏等護(hù)齒產(chǎn)品中，不僅能夠起到牙齦止血、口腔潰瘍愈合的保健功能，CoQ10 還可以透過牙齦細(xì)胞膜，使牙齦細(xì)胞獲得能量，增強組織活力，從根本上養(yǎng)護(hù)牙齦、防止牙周炎、牙齦萎縮，達(dá)到健齒的目的。

此外，CoQ 是衡量皮膚健康狀況的重要指標(biāo)之一，能夠促進(jìn)上皮細(xì)胞生成和肉芽組織良性化的功能；可保持皮膚彈性、保濕、免于光損傷；能夠有效的深入皮膚，改善膚質(zhì)，促進(jìn)新陳代謝（王文慧等，2013）。寵物皮膚病也是臨床上常見的疾病，致病因素很多、易復(fù)發(fā)，免疫力低下的動物更易感染（龔寒春，2017）。CoQ 一方面可以提高寵物機體的抗病能力，不易感染這類疾??；另一方面有助于由于疾病導(dǎo)致的皮膚損傷的恢復(fù)和傷口愈合。

3 展望

30多年前，CoQ就已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于食品和藥物生產(chǎn)，具有無毒性、無致畸作用和無明顯副作用的特點，臨床使用十分安全。CoQ的消費市場主要集中在美國、日本、西歐以及澳大利亞，2003年美國FDA正式將其作為食品添加劑應(yīng)用到食品中，2004年日本厚生省也批準(zhǔn)其可作為食品添加劑應(yīng)用到飲料、糖果、蛋糕、乳酪和酸奶中。我國食品藥品監(jiān)督管理局在2006年出臺了《以輔酶Q10為原料生產(chǎn)保健品申報與審評規(guī)定（征求意見稿）》，CoQ10 才開始被廣泛地應(yīng)用于保健食品。CoQ10在2015年收錄于《中國藥典》，2019年1月1日開始實施的新版標(biāo)準(zhǔn)中CoQ10也被列入其中。隨著人們對CoQ10研究的深入，以及優(yōu)點和功效的認(rèn)可，CoQ10將被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)。

寵物也面臨著許多與人類相似的健康問題，如疾病、肥胖、衰老、疲勞等。CoQ在細(xì)胞能量轉(zhuǎn)化過程中的重要作用，以及清除自由基和抗氧化的功能，使其在解決寵物的多種健康問題上，具有顯著或是輔助的作用。目前，寵物產(chǎn)品市場上，CoQ主要被用于生產(chǎn)保健品，用于寵物心臟血管相關(guān)疾病輔助治療，以及老年期寵物的日常保健，但產(chǎn)品種類少、用途也不夠廣泛，研究驗證不足。由此，還需要深入研究CoQ對寵物健康和疾病免疫的影響，開發(fā)多種形式的寵物產(chǎn)品。