5-氨基乙酰丙酸的生物學(xué)功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

李軍輝 姜淑貞 王長(zhǎng)波 楊維仁*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東省動(dòng)物生物工程與疾病防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018；2.山東深海生物科技股份有限公司，煙臺(tái) 264000)

5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid，5-ALA)是由琥珀酰輔酶A(succinyl coenzyme A，SCoA)和甘氨酸(glycine，Gly)縮合而成的非蛋白質(zhì)氨基酸，是合成血紅素、卟啉、葉綠素和維生素B12等四氫吡咯化合物的前體，普遍存在于動(dòng)植物體內(nèi)[1-2]。5-ALA在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域5-ALA常作為光敏劑的前體，用于光動(dòng)力學(xué)的診斷和治療[3-4]；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域5-ALA可被制作成具有生物降解作用的除草劑和殺蟲(chóng)劑，抑制雜草的生長(zhǎng)及害蟲(chóng)的繁衍[5]。近年來(lái)，各國(guó)開(kāi)始在畜牧生產(chǎn)中對(duì)抗生素的使用施行嚴(yán)格的管控制度，5-ALA作為一種新型畜禽飼料添加劑受到了廣泛關(guān)注并在畜牧生產(chǎn)中取得了一定的效果。有研究表明，在7～17日齡的肉雞飼糧中分別添加0.001%、0.01%、0.1%的5-ALA可以提高17日齡肉雞脾臟中CD3 mRNA的表達(dá)量，降低白細(xì)胞介素-2(interleukin-2，IL-2)mRNA的表達(dá)量[6]。Pedrosa-Gerasmio等[7]研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加60 mg/kg 5-ALA飼喂幼體凡納濱對(duì)蝦12周后，可以顯著提高對(duì)蝦肝胰腺中與免疫相關(guān)的過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)和酚氧化酶原(prophenoloxidase，proPO)基因表達(dá)量；在高劑量副溶血弧菌浸泡試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)60 mg/kg 5-ALA可以顯著提高對(duì)蝦成活率，這表明5-ALA不僅可以提高動(dòng)物的免疫力，而且在抗菌方面也具有重要的作用。此外，5-ALA還可以提高畜禽的血紅蛋白(hemoglobin，HGB)濃度、紅細(xì)胞(red blood cell，RBC)數(shù)量，改善動(dòng)物體內(nèi)鐵含量[8-10]。因此，5-ALA在畜牧生產(chǎn)中發(fā)展?jié)摿薮?，具有很好的?yīng)用前景。本文重點(diǎn)綜述了5-ALA的生物學(xué)功能、代謝機(jī)制及其在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用效果，以期為5-ALA在畜牧生產(chǎn)中的科學(xué)應(yīng)用提供參考。

1 5-ALA的概述

1.1 5-ALA的理化特性

5-ALA又稱作δ-氨基戊酮酸，它是一種純天然的非蛋白質(zhì)δ-氨基酸，為白色固體，pH在2.0～2.5之間，相對(duì)分子質(zhì)量為131.13，弱酸的電離常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)(pKa)=4.05，弱堿的電離常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)(pKb)=8.9，溶于水和乙醇，在水中的溶解度為50 mg/mL，分子結(jié)構(gòu)式為C5NO3H9(圖1)[11]。

圖1 5-ALA的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure of 5-ALA

1.2 5-ALA的合成代謝

5-ALA是植物和動(dòng)物機(jī)體內(nèi)維持正常生命活動(dòng)必要的活性物質(zhì)。在植物中，主要參與光合作用和呼吸作用[12]；在動(dòng)物中，因?yàn)檠t素和維生素B12在動(dòng)物體內(nèi)的能量和物質(zhì)代謝中具有重要的作用，所以外源補(bǔ)充5-ALA可促進(jìn)機(jī)體新陳代謝，進(jìn)而提高機(jī)體活力和免疫力。

5-ALA在體內(nèi)生成的方式有2種：第1種普遍存在于動(dòng)物、酵母和真菌等線粒體中，在氨基乙酰丙酸合成酶(aminolevulinic acid synthetase，ALAS)的催化下，通過(guò)SCoA外加輔因子磷酸吡哆醛(pyridoxal phosphate，PLP)和Gly縮合，經(jīng)過(guò)系列反應(yīng)生成5-ALA，5-ALA生成后被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中進(jìn)行下一步代謝反應(yīng)[11]。第2種是C5途徑，以谷氨酸鹽或α-酮谷氨酸鹽為完整的碳架，經(jīng)過(guò)3個(gè)酶促反應(yīng)得到5-ALA，該過(guò)程中谷氨酰-tRNA合成酶(glutamyl-tRNA synthetase，GLTX)是關(guān)鍵酶，此反應(yīng)主要發(fā)生在高等植物的基質(zhì)或是綠藻中[13]。

2 5-ALA在動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)功能

2.1 5-ALA參與血紅素的形成

血紅素是機(jī)體內(nèi)許多生化反應(yīng)中不可或缺的物質(zhì)，例如氧氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存、電子轉(zhuǎn)移以及血紅素蛋白結(jié)構(gòu)的組成。5-ALA是血紅素合成途徑中的重要中間體，它的合成會(huì)影響血紅素的生成，而血紅素的生物合成對(duì)動(dòng)物體氧化代謝和細(xì)胞生長(zhǎng)至關(guān)重要[14]。血紅素生物合成源于5-ALA合成，ALAS在線粒體中誘導(dǎo)催化SCoA和Gly縮合生成5-ALA，2分子5-ALA在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)氨基乙酰丙酸脫水酶(aminolevulinate dehydratase，ALAD)作用合成膽色素原(porphobilinogen，PBG)[15]，隨后4分子PBG在尿卟啉原Ⅲ合酶(uroporphyrinogen Ⅲ synthase，UROS)催化下排列形成線性羥甲基膽烷(hydroxymethyl cholane，HMB)，此時(shí)尿卟啉原Ⅲ(uroporphyrinogen Ⅲ，UROⅢ)的側(cè)鏈被修飾，HMB被尿卟啉原脫羧酶(uroporphyrinogen decarboxylase，UROD)代謝成糞卟啉原Ⅲ(coproporphyrinogen Ⅲ，CPGⅢ)，CPGⅢ被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體中經(jīng)糞卟啉原氧化酶(coproporphyrinogen oxidase，CPOX)脫羧形成無(wú)色產(chǎn)物原卟啉原Ⅸ(protoporphyrinogen Ⅸ，protogen Ⅸ)，然后在原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase，PPOX)催化下合成原卟啉Ⅸ(protoporphyrin Ⅸ，PpⅨ)，最終亞鐵插入到PpⅨ中，在亞鐵螯合酶(ferrochelatase，F(xiàn)ECH)催化下合成血紅素[16]。5-ALA含量在該過(guò)程中可隨著機(jī)體內(nèi)部微環(huán)境的變化而改變，但最終受血紅素的負(fù)反饋調(diào)控。目前，雖然對(duì)于血紅素合成途徑上的酶已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，但血紅素合成途徑的調(diào)控機(jī)制仍然是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。Kwon等[17]以光合細(xì)菌莢膜紅細(xì)菌(Rhodobactercapsulatus，R.capsulatus)為載體過(guò)表達(dá)hemA基因來(lái)提高5-ALA的合成，從而促進(jìn)血紅素的產(chǎn)生，結(jié)果表明5-ALA與血紅素產(chǎn)量呈顯著性正相關(guān)，同時(shí)hemB和hemH基因的下調(diào)也影響著5-ALA和血紅素的合成。Zhang等[18]為了研究血紅素合成途徑下游基因?qū)?-ALA合成的影響，在大腸桿菌中分別用低拷貝數(shù)載體pCDFDuet-1過(guò)表達(dá)hemB、hemC、hemD、hemE、hemF、hemG和hemH基因，發(fā)現(xiàn)hemD或hemF基因的上調(diào)可以促進(jìn)5-ALA的合成，這表明下游基因hemD或hemF基因的上調(diào)與5-ALA積累呈正相關(guān)，同時(shí)也表明hemD或hemF基因是血紅素生物合成途徑的重要調(diào)控因子。因此，血紅素的合成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，5-ALA在其中具有不可替代的作用。

2.2 5-ALA提高細(xì)胞色素P450(cytochrome P450，CYP)活性

CYP屬于血紅蛋白家族，它主要分布在線粒體內(nèi)膜和細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，是一種血紅素單加氧酶，在體內(nèi)廣泛的參與藥物、類固醇及脂溶性維生素等物質(zhì)的代謝反應(yīng)[19]。CYP的主要合成場(chǎng)所是肝臟，大約有超過(guò)50%的血紅素被用以合成CYP，血紅素作為CYP的輔基在藥物代謝過(guò)程中調(diào)控一些酶的催化活性，此外游離血紅素也參與調(diào)節(jié)CYP蛋白的合成、組裝、修復(fù)和清除[20]。5-ALA提高CYP的活性可能與血紅素的合成有關(guān)，在5-ALA存在的條件下，HGB可能在細(xì)胞中被特異性激活，與CYP類似的血紅蛋白酶的活動(dòng)則需要以血紅素為輔基[21]，當(dāng)細(xì)胞中5-ALA含量增加時(shí)會(huì)促進(jìn)血紅素的生物合成，從而通過(guò)特定反應(yīng)影響血紅素蛋白的表達(dá)和活性。研究表明，在1.0 mmol/L 5-ALA和0.5 mmol/L檸檬酸亞鐵鈉(sodium ferrous citrate，SFC)處理下MKN28細(xì)胞中的CYP2A6基因被誘導(dǎo)表達(dá)，同時(shí)顯著增加了細(xì)胞內(nèi)血紅素含量，其機(jī)制可能是5-ALA和SFC通過(guò)增加apo-CYP及血紅素含量來(lái)提高CYP活性[22]。此外，Chen等[23]研究表明，1～42日齡肉雞飼糧中添加15、30、45和60 mg/kg 5-ALA可顯著提高42日齡肉雞肝臟CYP1A1 mRNA的表達(dá)，這說(shuō)明5-ALA可能從基因調(diào)控方面影響CYP活性。但關(guān)于5-ALA提高CYP活性的研究較少，其機(jī)制還需進(jìn)一步深入探究。

2.3 5-ALA的抗炎及免疫調(diào)節(jié)作用

5-ALA在提高動(dòng)物免疫機(jī)能、抗炎和抗氧化方面具有重要的作用。5-ALA參與治療機(jī)體的炎癥及一些自身免疫疾病，這是由于5-ALA可以上調(diào)血紅素氧合酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)基因的結(jié)果，HO-1也被證明是消除細(xì)胞氧化損傷和減少機(jī)體炎癥的重要細(xì)胞保護(hù)因子[15]。Nishio等[24]研究發(fā)現(xiàn)，5-ALA可以促進(jìn)巨噬細(xì)胞(RAW 264細(xì)胞)合成血紅素，從而導(dǎo)致Bach1失活，激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)并誘導(dǎo)HO-1基因的表達(dá)，但其具體機(jī)制尚不清楚。HO-1是一種誘導(dǎo)型酶，可催化血紅素氧化降解為一氧化碳(CO)、膽綠素和游離鐵，該過(guò)程觸發(fā)了一系列旨在恢復(fù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞活動(dòng)[25]。這些血紅素代謝物具有抗凋亡、抗炎和免疫調(diào)節(jié)的功能，其中CO具有介導(dǎo)抗炎的作用，在低濃度條件下CO可以抑制脂多糖誘導(dǎo)的腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[26]；Nakao等[27]在用CO和膽綠素聯(lián)合治療缺血再灌注損傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)外滲的炎癥浸潤(rùn)物和促炎介質(zhì)的上調(diào)顯著降低；二價(jià)鐵離子(Fe2+)本身不具有抗炎作用，但其誘導(dǎo)的鐵蛋白重鏈可使內(nèi)皮細(xì)胞免受因多種刺激引起的凋亡[28]。Hendawy等[29]研究表明，用添加10 mg/kg5-ALA的全混合日糧(TMR)飼喂高產(chǎn)奶牛2 d可以顯著增加奶牛血液中白細(xì)胞(white blood cell，WBC)、中性粒細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞的數(shù)量，認(rèn)為5-ALA具有免疫調(diào)節(jié)作用。Pedrosa-Gerasmio等[30]用添加15 mg/kg 5-ALA的飼料飼喂太平洋白蝦2周后，發(fā)現(xiàn)5-ALA可以上調(diào)肝胰腺中部分與免疫和機(jī)體防御相關(guān)基因的表達(dá)。此外，另有研究表明，在21～42日齡用添加10 mg/kg 5-ALA的飼糧飼喂斷奶仔豬后，其42日齡血液中的CD2+、CD8+、B細(xì)胞、主要組織相容性復(fù)合體-Ⅰ(major histocompatibility complex-Ⅰ，MHC-Ⅰ)和主要組織相容性復(fù)合體-Ⅱ(major histocompatibility complex-Ⅱ，MHC-Ⅱ)含量與對(duì)照組(不添加5-ALA)相比顯著提高[31]。通過(guò)以上研究表明，5-ALA可以作為畜禽飼料添加劑，在提高動(dòng)物免疫力和抗炎作用上具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 5-ALA改善體內(nèi)的鐵含量

鐵在生命體中以Fe2+和三價(jià)鐵離子(Fe3+)的形式存在，積極參與機(jī)體的DNA合成、酶的氧化還原、電子傳遞、線粒體呼吸、氧氣運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，它對(duì)維持動(dòng)物正常細(xì)胞功能具有不可替代的作用。在前文中我們知道，5-ALA是SCoA和Gly的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)相互作用之后，5-ALA被轉(zhuǎn)變成PpⅨ，在FECH催化下PpⅨ的卟啉環(huán)插入鐵原子，該過(guò)程可能是促進(jìn)鐵在動(dòng)物體內(nèi)的吸收、改善機(jī)體內(nèi)鐵狀態(tài)的重要原因之一。在動(dòng)物上RBC數(shù)量、血清鐵含量及HGB濃度等指標(biāo)都可以反映動(dòng)物的鐵狀態(tài)。有研究表明，用添加3 mg/kg 5-ALA的飼糧飼喂21日齡斷奶仔豬35 d后，可顯著增加斷奶仔豬的RBC數(shù)量、血清鐵含量，認(rèn)為可能與5-ALA有提高鐵吸收的特性有關(guān)[32]。Wang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，蛋雞在飼用添加10 mg/kg 5-ALA的飼糧6周后，HGB濃度顯著提高。先前研究多集中在豬和雞上，然而最近一項(xiàng)研究表明，添加10 mg/kg 5-ALA的TMR飼喂高產(chǎn)奶牛2 d后，對(duì)奶牛血液RBC數(shù)量、HGB濃度以及血清和牛奶中鐵含量無(wú)顯著影響，該研究認(rèn)為造成與前人結(jié)果差異性的原因可能與反芻動(dòng)物和單胃動(dòng)物之間的消化吸收方式及參與消化的微生物相關(guān)[29]。雖然有的研究表明5-ALA可能對(duì)機(jī)體鐵含量無(wú)影響，但大部分研究結(jié)果依舊認(rèn)為5-ALA對(duì)改善畜禽體內(nèi)的鐵含量具有積極的影響。

3 5-ALA在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 5-ALA在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)以往研究表明，5-ALA在豬上的應(yīng)用較多。Min等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)斷奶仔豬飼喂5-ALA的20 d試驗(yàn)中，抗生素聯(lián)合0.2% 5-ALA組和0.2% 5-ALA組的仔豬血液HGB濃度和紅細(xì)胞壓積(hematocrit，HCT)均顯著高于基礎(chǔ)飼糧組或抗生素組，而血液RBC和WBC數(shù)量?jī)H顯著高于基礎(chǔ)飼糧組，另外添加0.1% 5-ALA、0.2% 5-ALA及抗生素聯(lián)合0.2% 5-ALA還可以顯著增加淋巴細(xì)胞數(shù)量。Wang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在妊娠期和泌乳期母豬飼糧中添加90 mg/kg 5-ALA，可以顯著提高泌乳母豬第21天血液HGB濃度以及血液和乳汁中鐵含量；對(duì)于仔豬而言，與添加90 mg/kg硫酸亞鐵(FeSO4)相比，飼糧添加90 mg/kg 5-ALA可以顯著提高仔豬第21天血液HGB濃度、HCT及鐵含量。Chen等[36]研究表明，斷奶仔豬在飼用5-ALA(5、10和15 mg/kg)后隨著5-ALA濃度的增加斷奶仔豬第21天血液HGB濃度有升高的趨勢(shì)，對(duì)斷奶仔豬第35天的血清鐵含量也有顯著提高的作用，且都以10 mg/kg 5-ALA組影響最大。免疫球蛋白G(IgG)是機(jī)體血清中免疫球蛋白的主要成分，在體內(nèi)具有免疫調(diào)節(jié)的作用。Yan等[32]用5-ALA(0和3 mg/kg)和殼寡糖(0和3 mg/kg)飼喂斷奶仔豬35 d，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用5-ALA對(duì)血清IgG含量無(wú)影響，但是5-ALA和殼寡糖聯(lián)合使用具有協(xié)同作用，可顯著提高血清IgG含量。李敏[37]研究發(fā)現(xiàn)，在母豬妊娠后期添加25和50 mg/kg 5-ALA可以顯著提高新生仔豬血清IgG和鐵含量，從而對(duì)改善仔豬體內(nèi)免疫狀況具有積極影響。Wang等[10]研究表明，泌乳母豬飼糧中添加10 mg/kg 5-ALA組在仔豬斷奶時(shí)母豬血液RBC數(shù)量顯著升高，同時(shí)21日齡斷奶豬血液HGB濃度和鐵含量也顯著升高。其他研究表明，通過(guò)向斷奶仔豬飼喂添加5-ALA(500和1 000 mg/kg)飼糧33 d后，不僅可顯著提高斷奶仔豬第33天RBC數(shù)量、HGB濃度及HCT，而且還可以顯著提高斷奶仔豬1～33 d全程的平均日增重及顯著降低全程的料重比[38]。因此，在豬飼糧中添加5-ALA可以影響豬只生產(chǎn)性能及血液生理等指標(biāo)，改善豬機(jī)體免疫狀態(tài)及鐵貯含量，并能作為一種功能性飼料添加劑在豬生產(chǎn)中應(yīng)用。

3.2 5-ALA在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

Sato等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，飼糧添加0.001% 5-ALA后，肉雞第21天及第50天的體重顯著提高。在肉雞飼糧添加30 mg/kg 5-ALA可以顯著提高肉雞第21天的HGB濃度，同時(shí)添加60 mg/kg 5-ALA顯著降低了肉雞第1～21天和第22～42天2個(gè)階段的料重比，而添加45和60 mg/kg 5-ALA也可顯著提高肉雞對(duì)蛋白質(zhì)的利用率[23]，從而表明5-ALA可以促進(jìn)養(yǎng)分的利用，改善肉雞的生產(chǎn)性能。Yan等[39]試驗(yàn)表明，在給蛋雞飼用添加5-ALA(2和4 mg/kg)的飼糧8周后，蛋雞血液RBC、WBC及淋巴細(xì)胞的數(shù)量呈二次顯著增加，5-ALA可通過(guò)影響免疫細(xì)胞進(jìn)而對(duì)機(jī)體免疫系統(tǒng)有積極作用。此外，還有研究表明，5-ALA有利于改善家禽體內(nèi)的鐵貯含量。Wang等[9]研究表明，1～35 d試驗(yàn)期內(nèi)飼糧添加5和10 mg/kg 5-ALA，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)可顯著提高肉雞血清、肝臟及胸肌中鐵含量，同時(shí)10 mg/kg 5-ALA與500 mg/kg維生素C搭配使用存在交互作用，可以顯著提高肉雞血液HGB濃度及肝臟和胸肌中鐵含量。Chen等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)40周齡蛋雞開(kāi)展為期8周的試驗(yàn)中，飼糧添加5 mg/kg 5-ALA組的蛋雞血清鐵濃度呈二次顯著增加，這可能是由于5-ALA促進(jìn)鐵的吸收造成的。綜上可知，5-ALA在動(dòng)物體內(nèi)是不可或缺的活性物質(zhì)，在家禽飼糧中添加5-ALA可以改善家禽的生產(chǎn)性能及血液指標(biāo)，影響機(jī)體免疫系統(tǒng)，并對(duì)家禽體內(nèi)的鐵含量有積極作用。

4 小結(jié)與展望

5-ALA是動(dòng)物機(jī)體維持正常代謝過(guò)程必不可少的生理活性物質(zhì)。5-ALA在動(dòng)物體內(nèi)通過(guò)參與血紅素的合成促進(jìn)機(jī)體對(duì)鐵離子的吸收，影響機(jī)體的免疫系統(tǒng)和血液代謝過(guò)程，進(jìn)而在促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育、提高免疫力以及改善動(dòng)物體內(nèi)鐵含量等功能方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。但是，目前5-ALA作為功能性飼料添加劑在畜禽生理上的具體作用機(jī)制尚不明確。未來(lái)可繼續(xù)在畜禽方面開(kāi)展大量的研究，重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：1)5-ALA在不同畜禽生產(chǎn)中的使用條件、適宜添加劑量和安全劑量尚不明確，需要進(jìn)一步研究；2)5-ALA對(duì)畜禽免疫的影響多集中在對(duì)血液檢測(cè)上，其是否可以通過(guò)影響腸道菌群平衡調(diào)控機(jī)體的免疫系統(tǒng)，需要進(jìn)一步研究；3)5-ALA在畜禽上研究多集中在作用效果等表型方面，缺乏其對(duì)畜禽機(jī)體影響的具體分子機(jī)制，需要進(jìn)一步研究。因此，系統(tǒng)深入研究5-ALA的生物學(xué)功能、作用機(jī)制及應(yīng)用條件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)畜禽高效健康養(yǎng)殖具有重要的作用。