反刍动物瘤胃物质转运系统及其调控的研究

    摘 要：小肽、挥发性脂肪酸（VFA）和葡萄糖是反刍动物体内重要的营养物质，对反刍动物的生产性能和产品质量影响重大。研究发现小肽的主要转运载体有两个，PepT1和PepT2；葡萄糖的转运载体分两大类共16个载体；VFA的瘤胃转运主要受PH、日粮精粗比、分子大小及血液流量的调控。本文对此3种重要营养物质在反刍动物瘤胃内的转运机制和调控因子进行综述，并展望以后的研究动向。
    关键词：反刍动物；小肽；挥发性脂肪酸；葡萄糖；转运；调控

    改革开放以来，我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高促使我国畜牧业一直保持较快的步伐前进。近年来人们对奶类食品及牛羊肉需求量的增加和品质重视程度的深化极大推动了我国反刍动物行业的发展，同时也提出了更新和更高的要求。小肽、葡萄糖和VFA是反刍动物重要的蛋白质和能量来源，深入研究其在瘤胃内的转运代谢机制有利于进一步开发反刍动物的生产潜力和提高产品品质。

    1 小肽
    小肽是蛋白质在动物体内消化后的主要产物，蛋白质在瘤胃内经微生物水解酶作用后形成寡肽，寡肽再进一步降解为小肽。目前的流行营养学观点认为，蛋白质营养就是氨基酸的营养，蛋白质必须水解成游离氨基酸后才能被机体吸收利用。但是，最近有报道证明小肽可直接被动物机体吸收并且有试验证明在理想蛋白质模式条件下动物并不能实现最好的生产性能。因此，对小肽的深入研究有利于推动反刍动物蛋白质营养向更深层次发展，并且有可能冲击现行的以小肠蛋白质（瘤胃非降解蛋白和微生物蛋白）为基础评价反刍动物饲料蛋白质价值体系。
    1.1 小肽的转运过程及特点 
    1.1.1 小肽的转运特点 
    小肽是以二、三肽的形式在Ⅰ型和Ⅱ型两种载体的作用下借助转运膜上的H+梯度驱动力通过肠黏膜细胞而直接进入反刍动物体循环。小肽的吸收机制与游离氨基酸完全不同，其总体上具有耗能低、不易饱和和各种肽之间运转无竞争性与抑制性以及高效迅速等特点。反刍动物对肽的吸收转运有两种不同途径，即非肠系膜和肠系膜系统，其中以非肠系膜吸收为主。非肠系膜吸收包括瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃和十二指肠的吸收；肠系膜吸收包括空肠、回肠、盲肠和结肠的吸收。
    1.1.2 小肽的转运机制
    非肠系膜系统瘤胃和瓣胃采用被动扩散和主动转运两种方式吸收小肽。Matthews研究表明，瘤胃和瓣胃的上皮细胞对小肽的吸收是不饱和的被动转运过程，其中瓣胃上皮细胞吸收小肽的能力要强于瘤胃上皮细胞。Mccolum等研究羊瓣胃对Gly-Sar的吸收机制，结果表明，其转运是由载体介导，并依赖H+的浓度梯度进行。
    肠系膜系统中小肽的转运机制目前认为有以下3种方式：一是具有pH依赖性的Na+/H+交换转运系统，该方式不消耗ATP。其过程主要是小肽依靠质子电化学梯度驱动力以易化扩散方式进入细胞，致使细胞内pH值下降，从而启动Na+/H+互转通道，H+被释放出细胞，胞内pH值恢复至原状态。当H+浓度低时，该过程依靠膜外底物浓度进行；当H+浓度外高内低时，则以逆底物浓度的生物电供转运。二是依赖H+或Ca+浓度梯度的主动转运方式，该过程要消耗ATP。该方式在缺氧或添加代谢抑制剂的时候可能被抑制。三是谷胱甘肽（GSH）转运系统。
    1.2 小肽转运的调控办法
    小肽在体内的吸收和代谢主要依靠PepT1 和PepT2两种转运蛋白，因而对转运蛋白调控因子的深入研究有利于提高小肽的转运效率。以下主要就营养状态和激素水平两方面因素进行讨论。
    1.2.1 营养对PepT1的调节
    研究证明，营养不良将会显著影响动物对小肽的吸收。通过研究正常摄食和禁食一天的大鼠空肠刷状缘囊泡的Gly-Glu，结果表明：与正常摄食相比，禁食一天的大鼠最大转运速度增加两倍，PepT 1和mRNA数量均增加3倍，说明禁食后PepT 1的基因表达加强，产物数量也成倍增加，进而加快小肽摄取。Lis等（1972）发现，短期限饲（50%正常量）成年大鼠会提高单位小肠对小肽的吸收。Millet等（1984）发现蛋白质营养不良程度越高，未成年大鼠空肠对小肽吸收量就越大。Cheeseman等（1986）用低蛋质白日粮饲喂未成年大鼠，单位面积小肠吸收小肽活性提高，但游离氨基酸吸收量下降。Ihara等（2000）用Western 杂交分析表明，大鼠在营养不良条件下，PepT 1水平提有利于小肽的吸收。
    综上所述，日粮低营养状态能够增强PepT 1活性，提高小肽吸收速率。
    1.2.2 激素对PepT1 的调节
    目前，通过体外培养手段研究激素对PepT1的调节的方法主要有短期调节（0～1h）和长期调节（＞1h）两种。胰岛素和瘦素属于短期调节，甲状腺素属于长期调节，表皮生长因子具有两种调节功能。
    在对PepT1的调节过程中，①胰岛素浓度增加能促使小肠刷状缘膜上二肽的转运，其机理是胰岛素能够与小肠基地膜上的受体结合。其次，胰岛素能够提高PepT1在小肠黏膜上的浓度，其机理是使细胞质中已合成的PepT1进行小肽转运工作，而不是促进PepT1的从头合成。②瘦素对PepT1调节的机制与胰岛素相似，其增加PepT1从细胞质到小肠刷状缘膜的转运，而不是增加其mRNA 的表达来对膜上PepT1水平进行调节。③甲状腺激素对肠道的发育、结构和功能意义重大，其对PepT1的调节主要是通过减少其mRNA 的水平来实现的。④表皮生长因子（EGF）对PepT1的调节分为短期和长期两种方式。短期调节与胰岛素和瘦素相似，通过影响已合成的PepT1在细胞内和膜上的分布来调节PepT1在膜上的浓度，所需时间短；长期调节是通过影响PepT1mRNA水平来控制PepT1在膜上的表达进而行使调控作用，所需时间长。⑤蛋白激酶C（PKC）对PepT1是通过对PKC的抑制和激活进行的，PKC的抑制剂能显著提高PepT1的转运活性，而PKC的激活因子能降低PepT1的转运活性。

    2 葡萄糖
    葡萄糖是淀粉经水解生成的单糖，为无色结晶，内源葡萄糖是反刍动物体内所需葡萄糖的主要来源。其对维持神经系统尤其是脑细胞的正常功能、促进胚胎生长以及乳的合成有重大作用。深入研究其调控机制对生产应用具有重大指导意义。
    葡萄糖作为极性分子其跨膜转运的进行需要葡萄糖转运载体，葡萄糖转运载体是一类高分子蛋白质，根据结构和功能作用的不同主要分为两大类：第一类为易化葡萄糖转运蛋白（facilitateal glucose transports protein，Glut），是一种被动扩散型转运载体，目前已发现有13种，按照发现的先后顺序分别命名为GLUT1～GLUT12和HMIT；第二类是Na+依赖的葡萄糖共转运载体（Sodium-dependant D-glucose cotranspoter，SGLT），是一种与Na+偶联的主动运输型转运载体，目前已发现3种，依次命名为SGLT1～SGLT3。以下主要就这两类转运载体的调控进行讨论。
    2.1 Glut的调控办法
    Glut的调控主要表现在以下几个方面：①血糖水平的调控。当血糖水平低、组织缺血或缺氧早期，Glut的表达是增高并起一定代偿调节作用，但在缺血缺氧后期，Glut的量会降到很低。②缺氧缺血发生时的调控。当动物大脑缺血是脑内能量代谢由有氧氧化转为无氧酵解，需要消耗大量的葡萄糖，Glut1和Glut3的合成增加即为适应这种变化，同时机体各部位的Glut都会增加或用移位的方式以适应机体的能量供给。当心肌缺血时Glut1和Glut4均由细胞器膜向细胞质膜转位，使细胞质膜Glut绝对数量增加，有益于更多的葡萄糖转运至细胞内，参与糖酵解，为心肌提供有限的ATP，有利于缺血后心肌保护。但是，当出现后期失代偿，Glut的表达会降到最低。③激素类的调控。激素的调控主要包括甲状腺素、胰岛素、雌激素、生长激素和肾上腺糖皮质激素。当机体出现应激、能量消耗增加时，这些提高机体葡萄糖的代谢水平或增加糖的利用率，上调Glut的水平或促使其表达增加。④小分子活性物质的调控。cAMP、胰岛素样生长因子、血小板来源性生长因子、碱性成纤维样生长因子、肿瘤坏死因子α和表皮生长因子等对Glut都有调控作用。以上活性因子通过Ras2MAPK和JAK2STAT生长因子信息传递主干线对Glut的水平给以调控，主要是对Glut1。⑤酶的调控。糖酵解中的关键酶己糖激酶对Glut的表达起非常重要的调控作用，己糖激酶的含量上调使Glut的表达异常增高。
    2.2 SGLT的调控办法
    对于SGLT在葡萄糖转运过程中的调节办法主要是针对其活性和表达。现将SGL T1活性调节物质列表1。

表1 影响SGL T1 活性的调节物质

    3 挥发性脂肪酸
    VFA是反刍动物的主要供能物质，提供动物所需能量的70%～80%。其主要是由瘤胃中的微生物，细菌、原虫、酵母和真菌将粗纤维、淀粉和可溶性糖等碳水化合物首先转化为丙酮酸，然后再由丙酮酸通过不同代谢途径提供。VFA是含有1～6个碳链的短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸等，主要成份是乙酸、丙酸和丁酸，占VFA的95%，其中乙酸占总VFA的70%左右，VFA瘤胃上皮吸收率达75%左右，其他的在消化道吸收。以下分别讨论乙酸、丙酸、丁酸的转运机制和调控。
    3.1 VFA的转运代谢机制
    乙酸的转运机制是乙酸进入体内后，仅小部分被瘤胃壁吸收并生成胴体，大部分经门静脉进入肝脏。其初始反应是在乙酰CoA合成酶作用下于胞浆内合成乙酰CoA，肝脏中乙酸的80%逃脱氧化而进入外周循环（表2）。血液中的乙酸被组织吸收后，大部分通过TCA氧化供能，或用作脂肪酸合成。另外，乙酸是泌乳反刍动物乳腺合成乳脂中脂肪酸的重要原料。

表2 肥育羊和绝食绵羊乙酸代谢的部位

             引自Church（1988）。

    丙酸的转运机制是经发酵产生的丙酸在瘤胃壁吸收时，2%～5%转变为乳酸，其余部分主要在肝脏中通过糖异生作用生成葡萄糖或者进入TCA循环氧化。其首先激活产生琥珀酰辅酶A，然后进入体内代谢途径，由此进入TCA并于糖、蛋白质和脂肪代谢联系起来。
    丁酸的代谢机制是经发酵产生的丁酸在通过瘤胃上皮吸收时，大部分（90%）转变为胴体，生成胴体的80%以上是β-羟丁酸，其余是乙酰乙酸和丙酮。进入肝脏的丁酸迅速被肝组织代谢。
    3.2 VFA的调控办法
    3.2.1 pH值对吸收VFA的调控
    Thorlacius和Lodge（1973）的研究结果证明，低pH值使VFA吸收速度快，反之，吸收速度慢（表3）。
    3.2.2 饲料对VFA吸收的调控
    研究证明日粮中精料有利于提高丙酸在VFA中的比例，而粗饲料能够提高乙酸在VFA中比例。另外，Thorlacius和Lodge经试验得出高精料条件下VFA吸收速度要显著高于干草日粮（表4）。

表3 瘤胃pH对VFA吸收的调控

            引自 Thorlacius和Lodge（1973）。

表4 日粮对VFA吸收速度的影响

             引自 Thorlacius和Lodge（1973）。

    3.2.3 分子大小对VFA吸收的调控
    VFA分子大小不同其吸收转运速率不同。Danielli等在用瘤胃上皮切片的体外试验中得出结论，当瘤胃pH值出于正常范围以类是（6～7），碳原子含量较多的吸收速度越快，即丁酸>丙酸>乙酸。
    3.2.4 血流量对VFA转运的调控
    Dobson和Barnes等对血流量影响VFA转运吸收的试验表明，饲喂后2～3h，瘤胃内生成的CO2和VFA使瘤胃上皮血管扩张，血流量增加；瘤胃壁肌肉的收缩也加快血流量。这样在采食后瘤胃VFA增加的同时，血流量也增加，从而促进了VFA的吸收。

    4 结语
    瘤胃对于反刍动物至关重要，维持其良好的生理状态、充分发挥其生理功能和不断挖掘其生理潜力将会极大提高反刍动物生产性能，积极推动反刍动物养殖业的发展。瘤胃内物质转运吸收过程复杂，文中针对小肽、葡萄糖和挥发性脂肪酸3种重要物质的转运机理和调控办法作以上综述，并认为在以下方面有待进一步研究：①对小肽、葡萄糖以及挥发性脂肪酸在体内的代谢途径和关键机制作进一步研究；②探索是否有其他转运载体和因子的存在并研究其功能；③对PepT2研究报道很少，应积极开展其功能作用的研究工作；④深入研究目前发现的转运载体间的相互作用机理及其对动物产生的效应；⑤探讨动物不同生理、生产水平以及外部环境对各转运载体功能的影响。
    （参考文献略）