徐海軍,黃瑞林,李鐵軍,孔祥峰,印遇龍*

1皖西學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系,六安 237012;2中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所動(dòng)物營養(yǎng)代謝過程與生理調(diào)控重點(diǎn)試驗(yàn)室農(nóng)業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410125;3中國科學(xué)院研究生院,北京 100039

早在 1749年,法國化學(xué)家 Vanqual就發(fā)現(xiàn)了鉻。鉻是地殼和海水中最常見的元素之一,占地殼總量的 O.22%,能以不同價(jià)態(tài)存在,其中以 O、+2、+3、+6價(jià)最為常見。三價(jià)鉻(Cr3+)存在于大部分食物中,是人和動(dòng)物必需的一種微量元素,毒性很低,性質(zhì)穩(wěn)定。人和動(dòng)物體內(nèi)的鉻幾乎全是 Cr3+。鉻在正常的糖、脂和蛋白質(zhì)代謝中起著重要作用[1]。動(dòng)物缺鉻時(shí)表現(xiàn)為膽固醇或血糖升高、生長(zhǎng)遲緩、免疫力下降、繁殖能力降低和壽命縮短等。在一些生理或病理情況下,人和動(dòng)物對(duì)鉻的需求量增加,因此需要補(bǔ)充一定量的鉻以滿足機(jī)體生理需要。鉻的添加形式有兩種:無機(jī)鉻和有機(jī)鉻。有機(jī)鉻的生物學(xué)效價(jià)要高于無機(jī)鉻。根據(jù)飼喂補(bǔ)鉻日糧后動(dòng)物組織中鉻含量來評(píng)價(jià),鉻的生物利用率從大到小依次是吡啶羧酸鉻(CrPic3)＞蛋氨酸螯合鉻 ＞酵母鉻 ＞丙酸鉻[2]。

1 鉻在體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和排出

鉻主要在小腸吸收。Cr3+形成配合物的能力很強(qiáng)。體內(nèi)沉積的鉻大部分是以小分子量的有機(jī)鉻配合物通過腸黏膜進(jìn)入的。鉻在吸收后主要由轉(zhuǎn)鐵蛋白運(yùn)輸。餐后血液胰島素水平升高可以促進(jìn)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體從細(xì)胞內(nèi)的小泡中移位到細(xì)胞膜上[3]。攜帶鉻的轉(zhuǎn)鐵蛋白與細(xì)胞膜表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體發(fā)生結(jié)合,通過內(nèi)吞作用將鉻轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。內(nèi)吞小泡中的酸性環(huán)境可使鉻從轉(zhuǎn)鐵蛋白中釋放出來,4個(gè)三價(jià)鉻離子與 apochromodulin形成有活性的 hopochromodulin[4]。當(dāng)血液中胰島素濃度降低時(shí),胰島素受體的構(gòu)象產(chǎn)生松弛,導(dǎo)致 holochromodulin從細(xì)胞中排出,再主要通過尿液排出體外。holochromodulin中鉻與含鉻調(diào)節(jié)子的親和力很強(qiáng),在生理?xiàng)l件下鉻不能從 holochromodulin中釋放出來,從而不能重新形成apochromodulin[3]。因此,鉻一旦被動(dòng)員就不能再被重新利用。應(yīng)激等促進(jìn)糖代謝的因素會(huì)增加機(jī)體鉻的丟失[5]。補(bǔ)鉻可減輕動(dòng)物應(yīng)激。另外,鉻在體內(nèi)的含量隨年齡增加而下降。攝入高糖、劇烈運(yùn)動(dòng)、懷孕和哺乳也可增加鉻的排出。

2 鉻的主要作用機(jī)制

2.1 提高胰島素敏感性

hopochromodulin除了可與胰島素和/或胰島素受體直接結(jié)合起作用外[6,7],還可以通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)來降低細(xì)胞膜膽固醇含量,改善細(xì)胞骨架功能,促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體 4(GLUT4)移位[8],然后又通過激活絲裂原激活蛋白激酶(p38MAPK)增強(qiáng) GLUT4的內(nèi)在活性[9],從而促進(jìn)葡萄糖吸收。鉻也能增加胰島素受體數(shù)、增強(qiáng)胰島素內(nèi)化作用和 β細(xì)胞敏感性[10]。

2.2 提高生長(zhǎng)激素-胰島素樣生長(zhǎng)因子軸活性

研究表明 200μg/kg納米鉻可提高垂體生長(zhǎng)激素(GH)mRNA的表達(dá)水平和 GH分泌的平均值、最低值和最高值、GH峰值持續(xù)時(shí)間,對(duì) GH分泌峰寬度沒有影響;200μg/kg氯化鉻則沒有效果[11]。另有研究表明 200μg/kg納米鉻可以顯著增加肥育豬血清胰島素樣生長(zhǎng)因子-I(IGF-I)水平[12]。這些研究表明鉻可以提高 GH-IGF-I軸活性,但其信號(hào)通路還不清楚。

3 鉻的主要生物學(xué)功能

3.1 調(diào)控糖代謝

鉻是輔助胰島素發(fā)揮生理作用的關(guān)鍵因子。鉻可以提高組織對(duì)胰島素的敏感性,加快血糖的清除,促進(jìn)血糖進(jìn)入骨骼肌、脂肪和肝臟中代謝。添加鉻可以降低血糖水平[12]。有人認(rèn)為在胰島素抵抗或II型糖尿病患者,補(bǔ)鉻可以降低血糖水平,但對(duì)胰島素敏感性和血糖耐受正常的人,補(bǔ)鉻對(duì)胰島素或血糖水平只有很小或沒有影響[13]。另有報(bào)道發(fā)現(xiàn)在大鼠日糧中添加高劑量的鉻時(shí)(50mg/kg CrPic3),顯著升高了血糖水平[12]。對(duì)出現(xiàn)這些不同結(jié)果的原因還有待進(jìn)一步研究。

3.2 調(diào)控脂代謝

鉻對(duì)脂代謝的影響也非常顯著。鉻對(duì)脂代謝的作用主要是維持血清中正常膽固醇水平,影響動(dòng)物肝臟中脂肪和膽固醇的合成及脂肪組織中脂肪合成酶與分解酶的活力,促進(jìn)脂肪的重分配。大多數(shù)研究報(bào)道補(bǔ)鉻能降低血清甘油三酯、總膽固醇水平,提高血液中高密度脂蛋白(HDL)的含量,這種效應(yīng)在糖尿病或肥胖患者和動(dòng)物上更為明顯[14]。HDL是一種脂蛋白,能促進(jìn)周圍組織將膽固醇運(yùn)輸?shù)礁闻K,在肝臟降解轉(zhuǎn)化并排出。因此,HDL能降低組織細(xì)胞的膽固醇含量,提高細(xì)胞膜的流動(dòng)性,這與鉻的作用機(jī)制是一致的。

Cr3+通常被認(rèn)為可以降低動(dòng)物機(jī)體的脂肪沉積,但用不同化學(xué)形式的鉻得到的研究結(jié)果常常相差很大,并且常不一致。Zha et al(2007)比較了氯化鉻、CrPic3和納米鉻的減脂作用,發(fā)現(xiàn)在 300μg/kg添加量時(shí)只有納米鉻顯著降低了脂肪重和脂肪率[15]。同樣,給 SD大鼠飼喂 300μg/kg的 CrPic3和煙酸鉻,6周后只有 CrPic3顯著降低了體脂含量,而煙酸鉻的效果不顯著[16]。給 SD大鼠飼喂 10周藥理劑量 (1～10 mg/kg)的鉻 [Cr(III)3O(O2CCH2CH3)6(H2O)3]+,結(jié)果表明對(duì)體組成沒有影響[17]。對(duì)生長(zhǎng)豬(從 22 kg養(yǎng)到 63 kg)研究表明,在蛋白質(zhì)不足(僅滿足 76%、83%和 90%賴氨酸需要量)的情況下,200μg/kg CrPic3增加了第 10肋處背膘厚(P＜0.10)[18]。鉻對(duì)肥胖等異常情況下的降低脂肪沉積的作用效果較好,結(jié)果也較一致[19]。

鉻對(duì)脂質(zhì)代謝的影響機(jī)制也存在爭(zhēng)議。Lien報(bào)道[20],日糧鉻可同時(shí)提高豬體內(nèi)脂肪酸合成酶和分解酶的活性,由于分解大于合成,結(jié)果使豬的背膘厚降低。余東游則發(fā)現(xiàn) CrPic3可以降低豬體內(nèi)脂肪組織脂肪合成相關(guān)酶(蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶)活性,增加促進(jìn)豬體內(nèi)脂肪分解的限速酶-激素敏感脂酶的活性,從而使合成小于分解,結(jié)果使豬的背膘厚降低[21]。郝俊虎等發(fā)現(xiàn)酵母鉻可以使肉仔雞的血清游離脂肪酸水平升高,表明脂肪動(dòng)員加強(qiáng)[22]。另有研究表明添加鉻后肉仔雞肝臟中脂肪合成途徑中的兩個(gè)限速酶-脂肪酸合成酶和乙酰-CoA羧化酶基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制[23]。因此,總體看來,鉻通過抑制脂肪組織和肝臟的脂肪合成酶活性,增加脂肪分解酶活性,從而降低脂肪組織和肝臟的脂肪沉積,同時(shí)增加血清游離脂肪酸水平。目前尚未見到鉻對(duì)肌內(nèi)脂肪代謝酶活性的影響報(bào)道,但有研究表明添加鉻可以提高肌內(nèi)脂肪含量[24]。也有報(bào)道發(fā)現(xiàn) CrPic3降低了豬肉大理石紋評(píng)分[25]。郝俊虎等(2005)[22]也發(fā)現(xiàn)添加酵母鉻降低了肉仔雞腿肌的甘油三酯含量。雖然一致公認(rèn)鉻能提高組織對(duì)胰島素的敏感性,促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入組織細(xì)胞利用,但對(duì)于鉻是否能差異調(diào)節(jié)各組織對(duì)胰島素的敏感性還不是很了解。從表面上看,鉻提高脂肪組織對(duì)胰島素的敏感性,從而增加葡萄糖進(jìn)入脂肪細(xì)胞的數(shù)量以及有可能促進(jìn)脂肪合成。但實(shí)際情況是鉻降低了脂肪組織的脂肪沉積,卻增加肌內(nèi)脂肪沉積。體外試驗(yàn)表明 CrPic3可以降低胰島素與豬的肝臟組織的結(jié)合,但增加胰島素與豬血影細(xì)胞(red blood cell ghosts)和脂肪細(xì)胞的結(jié)合[26,27]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)鉻可能會(huì)降低肝臟對(duì)胰島素的結(jié)合。說明鉻可能可以差異性地調(diào)控胰島素同不同組織的結(jié)合,從而調(diào)控這些組織對(duì)葡萄糖的攝取。

對(duì)飼喂煙酸鉻的糖尿病自發(fā)突變小鼠的皮下脂肪組織進(jìn)行基因芯片分析,結(jié)果表明脂肪組織基因表達(dá)上調(diào) 1.6倍或更高的基因大部分是生肌基因,與 RT-PCR結(jié)果一致[14]。脂肪組織表達(dá)肌肉特異性的基因?qū)?huì)降低脂肪組織的脂肪含量。飼喂鉻的正常動(dòng)物脂肪組織中是否也能發(fā)生這些變化還有待研究。

鉻還可能通過除胰島素外的其他內(nèi)分泌途徑來影響機(jī)體的脂質(zhì)代謝。例如,飼喂鉻可以降低血清瘦素[17],升高 GH[11]、IGF-I[28]等。此外,鉻可能也可以直接影響一些酶的活性而影響機(jī)體脂類代謝。

3.3 調(diào)控蛋白質(zhì)代謝

一些研究認(rèn)為,添加鉻可以降低血清尿素氮水平、促進(jìn)蛋白質(zhì)沉積,提高機(jī)體瘦肉率[29]。鉻對(duì)蛋白質(zhì)代謝的影響一方面可能是通過提高葡萄糖利用效率,減少生糖氨基酸的分解;另一方面可能是通過胰島素、GH、IGF-I等內(nèi)分泌激素間接促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成。

4 鉻對(duì)生長(zhǎng)性能的影響

添加鉻對(duì)生長(zhǎng)性能的影響結(jié)果較不一致。Hasten et al(1997)報(bào)道 SD大鼠基礎(chǔ)日糧中添加氯化鉻、CrPic3和煙酸鉻對(duì)生長(zhǎng)性能沒有影響[30]。Lien etal(2005)[31]的研究表明在斷奶后添加丙酸鉻對(duì)豬生長(zhǎng)速度和飼料效率沒有明顯影響。Mooney et al(1999)[32]發(fā)現(xiàn)添加 200μg/kg CrPic3對(duì)生長(zhǎng)肥育豬的生長(zhǎng)性能沒有影響,并且與品種的瘦肉沉積潛能也沒有互作效應(yīng)。Kim et al(2009)[33]發(fā)現(xiàn)添加 1000μg/kg或 2000μg/kg的 CrPic3對(duì)熱應(yīng)激(40.5℃)或冷應(yīng)激(13.8℃)環(huán)境下飼養(yǎng)的斷奶仔豬的生長(zhǎng)性能沒有影響。在蛋白質(zhì)供應(yīng)不足(僅滿足 76%、83%和 90%賴氨酸需要量)的情況下,添加200μg/kg CrPic3對(duì)生長(zhǎng)豬(23 kg至 63 kg)的生長(zhǎng)性能影響很小,并且與賴氨酸水平?jīng)]有交互作用[18]。對(duì)生長(zhǎng)肥育豬(從 27 kg飼養(yǎng)到 113 kg)的研究表明,低能和高能日糧中添加 200μg/kg丙酸鉻對(duì)日增重、日采食量和料重比沒有影響。但在生長(zhǎng)早期,飼喂低能加鉻日糧的豬日增重提高,而飼喂高能加鉻日糧的豬日增重降低[24]。Page et al(1993)[34]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉻添加量在較高劑量時(shí)(400和800μg/kg)會(huì)降低豬的日增重和日采食量,但對(duì)飼料轉(zhuǎn)化效率沒有影響。給生長(zhǎng)肥育豬添加 200μg/kg CrPic3增加日增重和日采食量,對(duì)飼料效率影響不顯著,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是很穩(wěn)定[34]。一項(xiàng)關(guān)于補(bǔ)鉻對(duì)人的減肥效果的薈萃分析表明 CrPic3只有很小的減輕體重作用[35]。納米鉻可顯著提高大鼠日增重、飼料效率[15]。Barajas et al(2005)[36]報(bào)道添加Cr-Met提高了運(yùn)輸應(yīng)激犢牛的日增重和料/肉比。因此,添加鉻對(duì)生長(zhǎng)性能的影響可能受其他因素干擾較大。

5 鉻的安全性

雖然有人擔(dān)心鉻會(huì)使 DNA發(fā)生氧化損傷,但Tan eta l(2008)[37]用仔豬肝細(xì)胞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明CrPic3不會(huì)引起氧化損傷,相反 8μmol/L(相當(dāng)于生理濃度)的 CrPic3還可顯著降低肝細(xì)胞的丙二醛含量,抑制脂質(zhì)過氧化。丁雙陽等(2003)[38]證實(shí)鉻沒有致突變性和生殖毒性。也有研究發(fā)現(xiàn) CrPic3與血清發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后容易被生物體的氧化劑(如H2O2或葡萄糖氧化系統(tǒng))氧化生成六價(jià)鉻(Cr6+),這可能是 Cr3+增強(qiáng)胰島素作用和產(chǎn)生毒性所需要的[39]。Cr6+可以增加膜的流動(dòng)性,并且具有明顯的增強(qiáng)大鼠脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收能力[40]。因此,Cr3+有可能通過轉(zhuǎn)變?yōu)?Cr6+而起作用。在體內(nèi)Cr3+轉(zhuǎn)變?yōu)?Cr6+的量非常少,并且有可能很快又被機(jī)體的還原系統(tǒng)還原為 Cr3+,因而少量生成的 Cr6+不會(huì)對(duì)機(jī)體造成危害。Lindemann et al(2008)[2]在生長(zhǎng)豬飼料中添加 5000μg/kg鉻(分別以 CrPic3、丙酸鉻、Cr-Met和酵母鉻的形式),約 75 d后屠宰,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)性能、胴體性狀和血清生化指標(biāo)有明顯影響,酵母鉻組還顯著提高了日增重。說明鉻對(duì)所飼喂的動(dòng)物本身而言具有較高的安全性。此外,研究還表明,飼喂鉻的動(dòng)物,其組織中鉻的殘留未超出國家標(biāo)準(zhǔn)[42],說明動(dòng)物日糧中添加鉻對(duì)消費(fèi)者來說也是安全的,并且對(duì)消費(fèi)者還可起到補(bǔ)鉻作用。

6 結(jié)語

動(dòng)物日糧中添加有機(jī)鉻具有諸多生物學(xué)功能:提高生長(zhǎng)性能和胴體品質(zhì);提高免疫功能;增強(qiáng)抗應(yīng)激能力;提高繁殖性能等。然而在實(shí)際應(yīng)用中,試驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)鉻的狀況、日糧中鉻的含量、所用日糧組成和類型(如日糧中礦物質(zhì)種類、添加量、級(jí)別等)、鉻的添加方式、添加水平、添加時(shí)間、動(dòng)物種類、年齡、性別、所處生理狀態(tài)以及所受應(yīng)激的類型和程序、研究中所采用的反映指標(biāo)和研究方法、測(cè)定的持續(xù)時(shí)間不同都會(huì)影響鉻的最終作用效果。因此,應(yīng)進(jìn)一步對(duì)鉻的應(yīng)用條件進(jìn)行細(xì)分,明確哪些情況需要補(bǔ)鉻,需多大劑量、何種形式的鉻效果最好。

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