超氧化物歧化酶與畜禽氧化應(yīng)激

程皇座 胡友軍 趙曉南 文偉 鄂曉迪

作者簡介：程皇座（1993－ ），男，碩士，主要從事動物營養(yǎng)與飼料方面的工作；E-mail：chz868@88.com

*通信作者：胡友軍（1972－ ），男，研究員，主要從事單胃動物營養(yǎng)與功能性添加劑研發(fā)工作；E-mail：61368851@163.com

摘? 要：超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）能夠清除各類生物體內(nèi)因氧化應(yīng)激產(chǎn)生的過多自由基，通過歧化反應(yīng)將氧自由基轉(zhuǎn)化為氧氣和過氧化氫。SOD廣泛存在于各類動物、植物、微生物中，是一種重要的抗氧化劑，可保護體內(nèi)各種細胞免受自由基的攻擊。本文就SOD的功能、抗氧化機制、與自由基的關(guān)系及在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用進行概述，以期為SOD在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：超氧化物歧化酶；自由基；氧化應(yīng)激；抗氧化

中圖分類號：S816 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2024）02-0093-04

動物氧化應(yīng)激是指動物體內(nèi)產(chǎn)生過多的自由基引發(fā)機體氧化還原平衡失調(diào)的現(xiàn)象，是引起動物疾病和降低生產(chǎn)性能的重要原因之一[1]。這是因為氧化應(yīng)激產(chǎn)生的活性氧自由基積累過多，超過了體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的清除能力，而過量自由基會攻擊細胞中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子，對細胞造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，從而影響動物生理機能。在防止氧自由基對細胞破壞的抗氧化系統(tǒng)中，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）在保護細胞免受氧自由基的攻擊中發(fā)揮重要作用[2]。

1? SOD的發(fā)現(xiàn)與分類

1930年，Keilin和Mann研究發(fā)現(xiàn)了SOD，不過當時認為SOD是一種蛋白質(zhì)，并命名為血銅蛋白。1969年，McCord和Fridovich發(fā)現(xiàn)該蛋白具有酶的活性，并正式命名為超氧化物歧化酶[3]。SOD是一種金屬酶，催化中心含有一個金屬離子，根據(jù)金屬離子的不同，SOD家族可以分為4種類型：Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD和Ni-SOD。其中Cu/Zn-SOD主要存在于真核細胞的細胞質(zhì)和葉綠體以及細菌的細胞質(zhì)和周質(zhì)空間中；Mn-SOD主要存在于原核生物和真核生物的線粒體中；Fe-SOD存在于原核生物和少數(shù)植物中；Ni-SOD主要存在于鏈霉菌屬細菌及藍細菌等海洋生物中[4-5]。

2? SOD生物學(xué)重要性

SOD對呼吸細胞的存活至關(guān)重要。氧是一切生命活動的基礎(chǔ)物質(zhì)之一，但氧在參與機體生命代謝活動中會轉(zhuǎn)化成氧自由基，為應(yīng)對自由基氧化損傷，細胞需要SOD來清除氧自由基。對大量微生物的調(diào)查表明，很多需氧和耐氧生物均含有SOD。SOD通過抗氧化途徑在防御氧中毒、抗輻射損傷、預(yù)防衰老、治療疾病等方面發(fā)揮重要作用[6]。

3? SOD抗氧化機理

自由基是一些單獨存在的具有不配對電子的分子、原子、離子或原子團，其顯著特征是外層軌道上具有未配對的電子。由于電子傾向于配對，大多數(shù)自由基很活躍，反應(yīng)性極強，具有很強的氧化能力。研究發(fā)現(xiàn)，自由基的主要氧化產(chǎn)物丙二醛（malondialdehyde，MDA）通過與DNA堿基反應(yīng)，可引起各種疾病的誘變性病變[7]。正常情況下，體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除在體內(nèi)抗氧化信號網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)下處于動態(tài)平衡狀態(tài)，其中SOD是一種重要的抗氧化酶，保護細胞免受自由基電子的攻擊。SOD可將體內(nèi)氧自由基催化，生成過氧化氫和氧氣，然后過氧化氫被過氧化氫酶還原成水，從而起到清除自由基和抗氧化的作用[8]。

4? 提高體內(nèi)SOD水平的方法

動物受到環(huán)境（高溫、低溫、運輸?shù)龋?、自身生理狀態(tài)（出生、斷奶、懷孕、哺乳）、病原體（病毒、細菌等）、營養(yǎng)（加工質(zhì)量、消化等）等影響時，就會產(chǎn)生氧化應(yīng)激[1]，導(dǎo)致體內(nèi)自由基過量，超出自身抗氧化系統(tǒng)的清除能力。如果通過外源手段補充或提高體內(nèi)SOD水平，來增強體內(nèi)抗氧化信號系統(tǒng)，這對動物及時應(yīng)對氧化應(yīng)激具有重要意義。

4.1 直接補充外源SOD

雖然SOD在抗氧化方面具有重要作用，但由于SOD的不穩(wěn)定性、無免疫原性及分子量大、半衰期短、生產(chǎn)成本高等因素的影響，SOD的廣泛應(yīng)用受到限制[9]。研究表明，從動物、植物或一般的微生物中提取的SOD穩(wěn)定性較差，不耐高溫和酸[3]，因此在動物飼料中的應(yīng)用性研究較少，大規(guī)模應(yīng)用還存在一定難度。

4.2 通過激活體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)促進SOD表達

研究表明，SOD可由體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)動員生成，這主要依賴于Nrf2-Keap1-ARE信號通路。核因子E2相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）和Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）是細胞抗氧化反應(yīng)的中樞調(diào)節(jié)物質(zhì)[10]，正常生理狀態(tài)下，Nrf2位于細胞質(zhì)中，與Keap1結(jié)合在一起，處于抑制狀態(tài)，使抗氧化酶處于基礎(chǔ)表達水平，機體保持氧化還原穩(wěn)態(tài)。當機體受到氧化應(yīng)激時，Keap1的半胱氨酸殘基被修飾，導(dǎo)致Keap1的構(gòu)象發(fā)生改變，從而使Keap1與Nrf2解耦聯(lián)，Nrf2轉(zhuǎn)入細胞核內(nèi)，與抗氧化反應(yīng)元件（anti-oxidative response element，ARE）特異性結(jié)合，促進下游一系列抗氧化酶基因的表達，提高SOD、過氧化氫酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽硫基轉(zhuǎn)移酶（glutathione-s-transferase，GST）等抗氧化酶的水平來抵抗氧化應(yīng)激所導(dǎo)致的機體損傷。因此，Nrf2通過Nrf2-Keap1-ARE信號通路調(diào)控下游SOD的表達是機體對抗氧化損傷的主要通路[11-14]。

5? SOD在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用

5.1 直接補充外源SOD

由于SOD的不穩(wěn)定性和較高的生產(chǎn)成本，目前在動物生產(chǎn)中直接添加的應(yīng)用研究極少，但在動物飼料中添加其模擬物SODm具有一定的應(yīng)用潛力[15]。趙靖等通過提取木瓜中的SOD來飼喂小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠血清以及機體組織中的SOD活性有所提高[16]。郭照宙等通過將SODm添加到肉雞日糧中，發(fā)現(xiàn)SODm對肉雞的生產(chǎn)性能無影響，但對肌肉肉色、嫩度、蛋白質(zhì)含量均有顯著影響，顯著提高了血清免疫因子水平以及血清、胸肌、腿肌中SOD的活性[17]。崔紅霞等研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞日糧中添加0.14％～0.22％ SODm可以顯著提高血清、十二指腸黏膜、空腸黏膜、心臟、肝臟中SOD活性[18]。目前國內(nèi)外關(guān)于SOD及其模擬物SODm在畜禽生產(chǎn)上直接應(yīng)用的文獻有限，生產(chǎn)中直接添加外源SOD有很大局限性。

5.2 通過Nrf2調(diào)控SOD抗氧化途徑

研究表明，提高動物機體抗氧化活性的根本有效措施是提高體內(nèi)酶促體系的功能[19]。根據(jù)Nrf2-Keap1-ARE信號通路，選擇高效抗氧化活性物質(zhì)來提高SOD等抗氧化酶的活性對調(diào)節(jié)畜禽氧化應(yīng)激具有重要意義[20]。多項試驗表明，從植物中提取的多酚類化合物——異黃酮，能結(jié)合并清除自由基[21]，同時能夠提高機體SOD的生物學(xué)功能[22]，具有較強的抗氧化作用和清除自由基的能力[23-24]。Han等[21]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚中的表兒茶素沒食子酸酯提高了Nrf2和HO-1基因的表達水平[25]。程東靜等[26]研究表明，大豆異黃酮可通過增加高脂肥胖大鼠腸道中SOD、GSH和CAT等抗氧化酶的活性，提高機體抗氧化能力。Xu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加400 mg/kg蘋果多酚可提高斷奶仔豬的抗氧化能力，改善脂肪代謝，其機制是多酚可調(diào)節(jié)肝臟中CAT、GST和SOD的mRNA表達。Ma等[28]發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加200 mg/kg綠茶多酚提高了奶牛血漿中葡萄糖濃度、SOD和GSH-Px活性、總抗氧化能力，減少了血漿中ROS、MDA、H2O2含量。林廈菁等[29]發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加10～40 mg/kg大豆異黃酮能緩解斷奶仔豬十二指腸腸絨毛損傷，降低空腸組織中MDA含量，提高SOD、GSH-Px活性。Jiang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加10～80 mg/kg大豆異黃酮顯著提高了快大型黃羽肉雞血液中T-AOC和T-SOD水平，顯著提高了胸肌中GSH-Px mRNA表達量。陳家麗等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加10～20 mg/kg大豆異黃酮顯著緩解了傳染性法氏囊病對肉雞生長的不利影響，提高空腸黏膜GSH-Px、SOD和CAT活性。Chen等[32]發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加640 mg/kg高水平的大豆異黃酮提高了育肥豬背最長肌SOD活性和T-AOC水平，但導(dǎo)致脂肪、肝臟和血漿中MDA水平增加。綜上可見，將從植物中提取的異黃酮應(yīng)用于畜禽日糧，能夠顯著提高應(yīng)激動物體內(nèi)SOD等抗氧化酶的活性，說明異黃酮可以作為激活體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)和提高SOD等抗氧化酶的外源物質(zhì)。

6? 結(jié)語

SOD在保護細胞免受氧自由基毒害中發(fā)揮著重要作用，目前在畜禽生產(chǎn)中直接應(yīng)用還存在一定難度。但SOD是動物機體抗氧化系統(tǒng)中一種重要的活性物質(zhì)，通過Nrf2-Keap1-ARE信號系統(tǒng)上調(diào)SOD等抗氧化酶的活性來應(yīng)對機體氧化應(yīng)激是一種根本有效的措施。大量研究表明，從植物中提取的異黃酮在提高體內(nèi)SOD等抗氧化酶活性上具有良好效果，是應(yīng)對畜禽氧化應(yīng)激的重要方法之一，但關(guān)于異黃酮的作用機制還需深入研究。

參考文獻

[1] 儲蓄，張軍霞，王晶．動物氧化應(yīng)激及其營養(yǎng)調(diào)控措施研究進展[J]．畜牧獸醫(yī)學(xué)報，2021，52（12）：3346-3356.

[2] ROSA A C，CORSI D，CAVI N，et al．Superoxide dismutase administration： a review of proposed human uses[J]．Molecules，2021，26（7）：1844.

[3] 袁勤生．超氧化物歧化酶[J]．上海：華東理工大學(xué)出版社，2009.

[4] MUSCOLI C，CUZZOCREA S，RILEY D P，et al．On the selectivity of superoxide dismutase mimetics and its importance in pharmacological studies[J]．British Journal of Pharmacology，2010，140（3）：445-460.

[5] 董亮，何永志，王遠亮，等．超氧化物歧化酶（SOD）的應(yīng)用研究進展[J]．中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2013，15（5）：53-58.

[6] FRIDOVICH I，黃思玲．超氧化物歧化酶[J]．食品與藥品，2010，12（7）：302-304.

[7] SPITELLER G．Lipid peroxidation in aging and age-dependent diseases[J]．Experimental Gerontology，2001，36（9）：1425-1457.

[8] WANG Y，BRANICKY R，NO? A，et al．Superoxide dismutases： dual roles in controlling ROS damage and regulating ROS signaling[J]．Journal of Cell Biology，2018，217（6）：1915-1928.

[9] WANG Y，YANG Z Y，WANG B D．Synthesis， characterization and anti-oxidative activity of cobalt（II）， nickel（II） and iron（II） schiff base complexes[J]．Transition Metal Chemistry，2005，30（7）：879-883.

[10] FORMAN H J，DAVIES K J，URSINI F，et al．How do nutritional antioxidants really work： nucleophilic tone and para-hormesis versus free radical scavenging in vivo[J]．Free Radical Biology and Medicine，2014，66（2）：24-35.

[11] WAKABAYASHI N，ITOH K，WAKABAYASHI J，et al．? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Keap1-null mutation leads to postnatal lethality due to constitutive Nrf2 activation[J]．Nature Genetics，2003，35（3）：238-245.

[12] JAIN A K，JAISWAL A K．GSK-3β acts upstream of Fyn kinase in regulation of nuclear export and degradation of NF-E2 related factor 2[J]．Journal of Biological Chemistry，2007，282（22）：16502-16510.

[13] LU M C，JI J A，JIANG Z Y，et al．The Keap1-Nrf2-ARE pathway as a potential preventive and therapeutic target： an update[J]．Medicinal Research Reviews，2016，36（5）：924-63.

[14] KANSANEN E，JYRKKANEN H K，LEVONEN A L，et al．Activation of stress signaling pathways by electrophilic oxidized and nitrated lipids[J]．Free Radical Biology and Medicine，2012，52（6）：973-982.

[15] 陳林林，王振興，韓可，等．超氧化物歧化酶模擬物的合成研究進展[J]．合成化學(xué)，2018，26（10）：787-794.

[16] 趙靖，糜漫天，唐勇，等．木瓜超氧化物歧化酶粗提物顆粒的加工及生物學(xué)效應(yīng)研究[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2008（6）：514-516.

[17] 郭照宙．SODm對肉仔雞生產(chǎn)性能、抗氧化功能和肉質(zhì)的影響[D]．黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[18] 崔紅霞．超氧化物歧化酶模擬物對肉仔雞生長性能和抗氧化的影響[D]．黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[19] 林謙，邱磊，云龍，等．核因子E2相關(guān)因子2調(diào)控機體抗氧化途徑特性及其與畜禽的健康和肉品質(zhì)的關(guān)系[J]．動物營養(yǎng)學(xué)報，2014，26（6）：1421-1429.

[20] 鐘佳，劉進輝，張珊珊，等．Keap1-Nrf2-ARE動物氧化應(yīng)激反應(yīng)信號通路與天然抗氧化產(chǎn)品開發(fā)[J]．中國畜牧雜志，2016，52（5）：79-83.

[21] JASON L，LESLIE J B，SHIRLEY R，et al．Daidzeinand genistein content of fruits and nuts[J]．The Journal of Nutritional Biochemistry，2000，11（6）：326-331.

[22] ARTI A，TODD M B，MURALEEDHARAN G N，et al．Modulation of liposomal membrane fluidity by flavonoids and isoflavonoids[J]．Archives of Biochemistry and Biophysics，2000，373（1）：102-109.

[23] MA Y F，ZHAO L，GAO M，et al．Tea polyphenols protect bovine mammary epithelial cells from hydrogen peroxide-induced oxidative damage in vitro[J]．Journal of Animal Science，2018，96（10）：4159-4172.

[24] LI Y P，JIANG X R，WEI Z X，et al．Effects of soybean isoflavones on the growth performance， intestinal morphology and antioxidative properties in pigs[J]．Animal，2020，14（11）：2262-2270.

[25] HAN J，WANG M M，JING X，et al．Epigallocatechin gallate protects against cerebral ischemia-induced oxidative stress via Nrf2/ARE signaling[J]．Neurochemical Research，2014，39（7）：1292-1299.

[26] 程東靜．大豆異黃酮對高脂肥胖大鼠結(jié)腸屏障功能的影響[D]．雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[27] XU X J，CHEN X L，HUANG Z Q，et al．Dietary apple polyphenols supplementation enhances antioxidant capacity and improves lipid metabolism in weaned piglets[J]．Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition，2019，103（5）：1512-1520.

[28] MA Y F，F(xiàn)ENG Y，SONG L W，et al．Green tea polyphenols supplementation altered immunometabolism and oxidative stress of perinatal dairy cows with hyperketonemia[J]．Animal Nutrition，2021，7（1）：206-215.

[29] 林廈菁，陳芳，蔣守群，等．大豆異黃酮對早期斷奶仔豬生長性能、抗氧化功能及腸粘膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響[J]．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，53（10）：2101-2111.

[30] JIANG Z，JIANG S，LIN Y，et al．Effects of soybean isoflavone on growth performance， meat quality， and antioxidation in malebroilers[J]．Poultry Science，2007，86（7）：1356-1362.

[31] 陳家麗．大豆異黃酮對傳染性法氏囊病毒感染肉雞的免疫預(yù)防效果研究[D]．廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[32] CHEN W，MA X，LIN Y，et al．Dietary supplementation with a high dose of daidzein enhances the antioxidant capacity in swine muscle but experts pro-oxidant function in liver and fat tissues[J]．Journal of Animal Science and Biotechnology，2016，7（3）：412-422.