鉻的營養生理功能

徐海軍,黃瑞林,李鐵軍,孔祥峰,印遇龍*

1皖西學院化學與生命科學系,六安 237012;2中國科學院亞熱帶農業生態研究所動物營養代謝過程與生理調控重點試驗室農業生態工程重點實驗室,長沙 410125;3中國科學院研究生院,北京 100039

早在 1749年,法國化學家 Vanqual就發現了鉻。鉻是地殼和海水中最常見的元素之一,占地殼總量的 O.22%,能以不同價態存在,其中以 O、+2、+3、+6價最為常見。三價鉻(Cr3+)存在于大部分食物中,是人和動物必需的一種微量元素,毒性很低,性質穩定。人和動物體內的鉻幾乎全是 Cr3+。鉻在正常的糖、脂和蛋白質代謝中起著重要作用[1]。動物缺鉻時表現為膽固醇或血糖升高、生長遲緩、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,人和動物對鉻的需求量增加,因此需要補充一定量的鉻以滿足機體生理需要。鉻的添加形式有兩種:無機鉻和有機鉻。有機鉻的生物學效價要高于無機鉻。根據飼喂補鉻日糧后動物組織中鉻含量來評價,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 鉻在體內的吸收、轉運和排出

鉻主要在小腸吸收。Cr3+形成配合物的能力很強。體內沉積的鉻大部分是以小分子量的有機鉻配合物通過腸黏膜進入的。鉻在吸收后主要由轉鐵蛋白運輸。餐后血液胰島素水平升高可以促進轉鐵蛋白受體從細胞內的小泡中移位到細胞膜上[3]。攜帶鉻的轉鐵蛋白與細胞膜表面的轉鐵蛋白受體發生結合,通過內吞作用將鉻轉運到細胞內。內吞小泡中的酸性環境可使鉻從轉鐵蛋白中釋放出來,4個三價鉻離子與 apochromodulin形成有活性的 hopochromodulin[4]。當血液中胰島素濃度降低時,胰島素受體的構象產生松弛,導致 holochromodulin從細胞中排出,再主要通過尿液排出體外。holochromodulin中鉻與含鉻調節子的親和力很強,在生理條件下鉻不能從 holochromodulin中釋放出來,從而不能重新形成apochromodulin[3]。因此,鉻一旦被動員就不能再被重新利用。應激等促進糖代謝的因素會增加機體鉻的丟失[5]。補鉻可減輕動物應激。另外,鉻在體內的含量隨年齡增加而下降。攝入高糖、劇烈運動、懷孕和哺乳也可增加鉻的排出。

2 鉻的主要作用機制

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)來降低細胞膜膽固醇含量,改善細胞骨架功能,促進葡萄糖轉運載體 4(GLUT4)移位[8],然后又通過激活絲裂原激活蛋白激酶(p38MAPK)增強 GLUT4的內在活性[9],從而促進葡萄糖吸收。鉻也能增加胰島素受體數、增強胰島素內化作用和 β細胞敏感性[10]。

2.2 提高生長激素-胰島素樣生長因子軸活性

研究表明 200μg/kg納米鉻可提高垂體生長激素(GH)mRNA的表達水平和 GH分泌的平均值、最低值和最高值、GH峰值持續時間,對 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,但其信號通路還不清楚。

3 鉻的主要生物學功能

3.1 調控糖代謝

鉻是輔助胰島素發揮生理作用的關鍵因子。鉻可以提高組織對胰島素的敏感性,加快血糖的清除,促進血糖進入骨骼肌、脂肪和肝臟中代謝。添加鉻可以降低血糖水平[12]。有人認為在胰島素抵抗或II型糖尿病患者,補鉻可以降低血糖水平,但對胰島素敏感性和血糖耐受正常的人,補鉻對胰島素或血糖水平只有很小或沒有影響[13]。另有報道發現在大鼠日糧中添加高劑量的鉻時(50mg/kg CrPic3),顯著升高了血糖水平[12]。對出現這些不同結果的原因還有待進一步研究。

3.2 調控脂代謝

鉻對脂代謝的影響也非常顯著。鉻對脂代謝的作用主要是維持血清中正常膽固醇水平,影響動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,促進脂肪的重分配。大多數研究報道補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,這種效應在糖尿病或肥胖患者和動物上更為明顯[14]。HDL是一種脂蛋白,能促進周圍組織將膽固醇運輸到肝臟,在肝臟降解轉化并排出。因此,HDL能降低組織細胞的膽固醇含量,提高細胞膜的流動性,這與鉻的作用機制是一致的。

Cr3+通常被認為可以降低動物機體的脂肪沉積,但用不同化學形式的鉻得到的研究結果常常相差很大,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,發現在 300μg/kg添加量時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]+,結果表明對體組成沒有影響[17]。對生長豬(從 22 kg養到 63 kg)研究表明,在蛋白質不足(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]。鉻對肥胖等異常情況下的降低脂肪沉積的作用效果較好,結果也較一致[19]。

鉻對脂質代謝的影響機制也存在爭議。Lien報道[20],日糧鉻可同時提高豬體內脂肪酸合成酶和分解酶的活性,由于分解大于合成,結果使豬的背膘厚降低。余東游則發現 CrPic3可以降低豬體內脂肪組織脂肪合成相關酶(蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶)活性,增加促進豬體內脂肪分解的限速酶-激素敏感脂酶的活性,從而使合成小于分解,結果使豬的背膘厚降低[21]。郝俊虎等發現酵母鉻可以使肉仔雞的血清游離脂肪酸水平升高,表明脂肪動員加強[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限速酶-脂肪酸合成酶和乙酰-CoA羧化酶基因的轉錄受到抑制[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,同時增加血清游離脂肪酸水平。目前尚未見到鉻對肌內脂肪代謝酶活性的影響報道,但有研究表明添加鉻可以提高肌內脂肪含量[24]。也有報道發現 CrPic3降低了豬肉大理石紋評分[25]。郝俊虎等(2005)[22]也發現添加酵母鉻降低了肉仔雞腿肌的甘油三酯含量。雖然一致公認鉻能提高組織對胰島素的敏感性,促進葡萄糖進入組織細胞利用,但對于鉻是否能差異調節各組織對胰島素的敏感性還不是很了解。從表面上看,鉻提高脂肪組織對胰島素的敏感性,從而增加葡萄糖進入脂肪細胞的數量以及有可能促進脂肪合成。但實際情況是鉻降低了脂肪組織的脂肪沉積,卻增加肌內脂肪沉積。體外試驗表明 CrPic3可以降低胰島素與豬的肝臟組織的結合,但增加胰島素與豬血影細胞(red blood cell ghosts)和脂肪細胞的結合[26,27]。體內實驗也發現鉻可能會降低肝臟對胰島素的結合。說明鉻可能可以差異性地調控胰島素同不同組織的結合,從而調控這些組織對葡萄糖的攝取。

對飼喂煙酸鉻的糖尿病自發突變小鼠的皮下脂肪組織進行基因芯片分析,結果表明脂肪組織基因表達上調 1.6倍或更高的基因大部分是生肌基因,與 RT-PCR結果一致[14]。脂肪組織表達肌肉特異性的基因將會降低脂肪組織的脂肪含量。飼喂鉻的正常動物脂肪組織中是否也能發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分泌途徑來影響機體的脂質代謝。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體脂類代謝。

3.3 調控蛋白質代謝

一些研究認為,添加鉻可以降低血清尿素氮水平、促進蛋白質沉積,提高機體瘦肉率[29]。鉻對蛋白質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等內分泌激素間接促進蛋白質的合成。

4 鉻對生長性能的影響

添加鉻對生長性能的影響結果較不一致。Hasten et al(1997)報道 SD大鼠基礎日糧中添加氯化鉻、CrPic3和煙酸鉻對生長性能沒有影響[30]。Lien etal(2005)[31]的研究表明在斷奶后添加丙酸鉻對豬生長速度和飼料效率沒有明顯影響。Mooney et al(1999)[32]發現添加 200μg/kg CrPic3對生長肥育豬的生長性能沒有影響,并且與品種的瘦肉沉積潛能也沒有互作效應。Kim et al(2009)[33]發現添加 1000μg/kg或 2000μg/kg的 CrPic3對熱應激(40.5℃)或冷應激(13.8℃)環境下飼養的斷奶仔豬的生長性能沒有影響。在蛋白質供應不足(僅滿足 76%、83%和 90%賴氨酸需要量)的情況下,添加200μg/kg CrPic3對生長豬(23 kg至 63 kg)的生長性能影響很小,并且與賴氨酸水平沒有交互作用[18]。對生長肥育豬(從 27 kg飼養到 113 kg)的研究表明,低能和高能日糧中添加 200μg/kg丙酸鉻對日增重、日采食量和料重比沒有影響。但在生長早期,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]發現當鉻添加量在較高劑量時(400和800μg/kg)會降低豬的日增重和日采食量,但對飼料轉化效率沒有影響。給生長肥育豬添加 200μg/kg CrPic3增加日增重和日采食量,對飼料效率影響不顯著,但實驗結果不是很穩定[34]。一項關于補鉻對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]報道添加Cr-Met提高了運輸應激犢牛的日增重和料/肉比。因此,添加鉻對生長性能的影響可能受其他因素干擾較大。

5 鉻的安全性

雖然有人擔心鉻會使 DNA發生氧化損傷,但Tan eta l(2008)[37]用仔豬肝細胞進行的實驗表明CrPic3不會引起氧化損傷,相反 8μmol/L(相當于生理濃度)的 CrPic3還可顯著降低肝細胞的丙二醛含量,抑制脂質過氧化。丁雙陽等(2003)[38]證實鉻沒有致突變性和生殖毒性。也有研究發現 CrPic3與血清發生化學反應后容易被生物體的氧化劑(如H2O2或葡萄糖氧化系統)氧化生成六價鉻(Cr6+),這可能是 Cr3+增強胰島素作用和產生毒性所需要的[39]。Cr6+可以增加膜的流動性,并且具有明顯的增強大鼠脂肪細胞對葡萄糖的吸收能力[40]。因此,Cr3+有可能通過轉變為 Cr6+而起作用。在體內Cr3+轉變為 Cr6+的量非常少,并且有可能很快又被機體的還原系統還原為 Cr3+,因而少量生成的 Cr6+不會對機體造成危害。Lindemann et al(2008)[2]在生長豬飼料中添加 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,結果未發現對生長性能、胴體性狀和血清生化指標有明顯影響,酵母鉻組還顯著提高了日增重。說明鉻對所飼喂的動物本身而言具有較高的安全性。此外,研究還表明,飼喂鉻的動物,其組織中鉻的殘留未超出國家標準[42],說明動物日糧中添加鉻對消費者來說也是安全的,并且對消費者還可起到補鉻作用。

6 結語

動物日糧中添加有機鉻具有諸多生物學功能:提高生長性能和胴體品質;提高免疫功能;增強抗應激能力;提高繁殖性能等。然而在實際應用中,試驗動物體內鉻的狀況、日糧中鉻的含量、所用日糧組成和類型(如日糧中礦物質種類、添加量、級別等)、鉻的添加方式、添加水平、添加時間、動物種類、年齡、性別、所處生理狀態以及所受應激的類型和程序、研究中所采用的反映指標和研究方法、測定的持續時間不同都會影響鉻的最終作用效果。因此,應進一步對鉻的應用條件進行細分,明確哪些情況需要補鉻,需多大劑量、何種形式的鉻效果最好。

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