铬的营养生理功能

徐海军,黄瑞林,李铁军,孔祥峰,印遇龙*

1皖西学院化学与生命科学系,六安 237012;2中国科学院亚热带农业生态研究所动物营养代谢过程与生理调控重点试验室农业生态工程重点实验室,长沙 410125;3中国科学院研究生院,北京 100039

早在 1749年,法国化学家 Vanqual就发现了铬。铬是地壳和海水中最常见的元素之一,占地壳总量的 O.22%,能以不同价态存在,其中以 O、+2、+3、+6价最为常见。三价铬(Cr3+)存在于大部分食物中,是人和动物必需的一种微量元素,毒性很低,性质稳定。人和动物体内的铬几乎全是 Cr3+。铬在正常的糖、脂和蛋白质代谢中起着重要作用[1]。动物缺铬时表现为胆固醇或血糖升高、生长迟缓、免疫力下降、繁殖能力降低和寿命缩短等。在一些生理或病理情况下,人和动物对铬的需求量增加,因此需要补充一定量的铬以满足机体生理需要。铬的添加形式有两种:无机铬和有机铬。有机铬的生物学效价要高于无机铬。根据饲喂补铬日粮后动物组织中铬含量来评价,铬的生物利用率从大到小依次是吡啶羧酸铬(CrPic3)＞蛋氨酸螯合铬 ＞酵母铬 ＞丙酸铬[2]。

1 铬在体内的吸收、转运和排出

铬主要在小肠吸收。Cr3+形成配合物的能力很强。体内沉积的铬大部分是以小分子量的有机铬配合物通过肠黏膜进入的。铬在吸收后主要由转铁蛋白运输。餐后血液胰岛素水平升高可以促进转铁蛋白受体从细胞内的小泡中移位到细胞膜上[3]。携带铬的转铁蛋白与细胞膜表面的转铁蛋白受体发生结合,通过内吞作用将铬转运到细胞内。内吞小泡中的酸性环境可使铬从转铁蛋白中释放出来,4个三价铬离子与 apochromodulin形成有活性的 hopochromodulin[4]。当血液中胰岛素浓度降低时,胰岛素受体的构象产生松弛,导致 holochromodulin从细胞中排出,再主要通过尿液排出体外。holochromodulin中铬与含铬调节子的亲和力很强,在生理条件下铬不能从 holochromodulin中释放出来,从而不能重新形成apochromodulin[3]。因此,铬一旦被动员就不能再被重新利用。应激等促进糖代谢的因素会增加机体铬的丢失[5]。补铬可减轻动物应激。另外,铬在体内的含量随年龄增加而下降。摄入高糖、剧烈运动、怀孕和哺乳也可增加铬的排出。

2 铬的主要作用机制

2.1 提高胰岛素敏感性

hopochromodulin除了可与胰岛素和/或胰岛素受体直接结合起作用外[6,7],还可以通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)来降低细胞膜胆固醇含量,改善细胞骨架功能,促进葡萄糖转运载体 4(GLUT4)移位[8],然后又通过激活丝裂原激活蛋白激酶(p38MAPK)增强 GLUT4的内在活性[9],从而促进葡萄糖吸收。铬也能增加胰岛素受体数、增强胰岛素内化作用和 β细胞敏感性[10]。

2.2 提高生长激素-胰岛素样生长因子轴活性

研究表明 200μg/kg纳米铬可提高垂体生长激素(GH)mRNA的表达水平和 GH分泌的平均值、最低值和最高值、GH峰值持续时间,对 GH分泌峰宽度没有影响;200μg/kg氯化铬则没有效果[11]。另有研究表明 200μg/kg纳米铬可以显著增加肥育猪血清胰岛素样生长因子-I(IGF-I)水平[12]。这些研究表明铬可以提高 GH-IGF-I轴活性,但其信号通路还不清楚。

3 铬的主要生物学功能

3.1 调控糖代谢

铬是辅助胰岛素发挥生理作用的关键因子。铬可以提高组织对胰岛素的敏感性,加快血糖的清除,促进血糖进入骨骼肌、脂肪和肝脏中代谢。添加铬可以降低血糖水平[12]。有人认为在胰岛素抵抗或II型糖尿病患者,补铬可以降低血糖水平,但对胰岛素敏感性和血糖耐受正常的人,补铬对胰岛素或血糖水平只有很小或没有影响[13]。另有报道发现在大鼠日粮中添加高剂量的铬时(50mg/kg CrPic3),显著升高了血糖水平[12]。对出现这些不同结果的原因还有待进一步研究。

3.2 调控脂代谢

铬对脂代谢的影响也非常显著。铬对脂代谢的作用主要是维持血清中正常胆固醇水平,影响动物肝脏中脂肪和胆固醇的合成及脂肪组织中脂肪合成酶与分解酶的活力,促进脂肪的重分配。大多数研究报道补铬能降低血清甘油三酯、总胆固醇水平,提高血液中高密度脂蛋白(HDL)的含量,这种效应在糖尿病或肥胖患者和动物上更为明显[14]。HDL是一种脂蛋白,能促进周围组织将胆固醇运输到肝脏,在肝脏降解转化并排出。因此,HDL能降低组织细胞的胆固醇含量,提高细胞膜的流动性,这与铬的作用机制是一致的。

Cr3+通常被认为可以降低动物机体的脂肪沉积,但用不同化学形式的铬得到的研究结果常常相差很大,并且常不一致。Zha et al(2007)比较了氯化铬、CrPic3和纳米铬的减脂作用,发现在 300μg/kg添加量时只有纳米铬显著降低了脂肪重和脂肪率[15]。同样,给 SD大鼠饲喂 300μg/kg的 CrPic3和烟酸铬,6周后只有 CrPic3显著降低了体脂含量,而烟酸铬的效果不显著[16]。给 SD大鼠饲喂 10周药理剂量 (1～10 mg/kg)的铬 [Cr(III)3O(O2CCH2CH3)6(H2O)3]+,结果表明对体组成没有影响[17]。对生长猪(从 22 kg养到 63 kg)研究表明,在蛋白质不足(仅满足 76%、83%和 90%赖氨酸需要量)的情况下,200μg/kg CrPic3增加了第 10肋处背膘厚(P＜0.10)[18]。铬对肥胖等异常情况下的降低脂肪沉积的作用效果较好,结果也较一致[19]。

铬对脂质代谢的影响机制也存在争议。Lien报道[20],日粮铬可同时提高猪体内脂肪酸合成酶和分解酶的活性,由于分解大于合成,结果使猪的背膘厚降低。余东游则发现 CrPic3可以降低猪体内脂肪组织脂肪合成相关酶(苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶)活性,增加促进猪体内脂肪分解的限速酶-激素敏感脂酶的活性,从而使合成小于分解,结果使猪的背膘厚降低[21]。郝俊虎等发现酵母铬可以使肉仔鸡的血清游离脂肪酸水平升高,表明脂肪动员加强[22]。另有研究表明添加铬后肉仔鸡肝脏中脂肪合成途径中的两个限速酶-脂肪酸合成酶和乙酰-CoA羧化酶基因的转录受到抑制[23]。因此,总体看来,铬通过抑制脂肪组织和肝脏的脂肪合成酶活性,增加脂肪分解酶活性,从而降低脂肪组织和肝脏的脂肪沉积,同时增加血清游离脂肪酸水平。目前尚未见到铬对肌内脂肪代谢酶活性的影响报道,但有研究表明添加铬可以提高肌内脂肪含量[24]。也有报道发现 CrPic3降低了猪肉大理石纹评分[25]。郝俊虎等(2005)[22]也发现添加酵母铬降低了肉仔鸡腿肌的甘油三酯含量。虽然一致公认铬能提高组织对胰岛素的敏感性,促进葡萄糖进入组织细胞利用,但对于铬是否能差异调节各组织对胰岛素的敏感性还不是很了解。从表面上看,铬提高脂肪组织对胰岛素的敏感性,从而增加葡萄糖进入脂肪细胞的数量以及有可能促进脂肪合成。但实际情况是铬降低了脂肪组织的脂肪沉积,却增加肌内脂肪沉积。体外试验表明 CrPic3可以降低胰岛素与猪的肝脏组织的结合,但增加胰岛素与猪血影细胞(red blood cell ghosts)和脂肪细胞的结合[26,27]。体内实验也发现铬可能会降低肝脏对胰岛素的结合。说明铬可能可以差异性地调控胰岛素同不同组织的结合,从而调控这些组织对葡萄糖的摄取。

对饲喂烟酸铬的糖尿病自发突变小鼠的皮下脂肪组织进行基因芯片分析,结果表明脂肪组织基因表达上调 1.6倍或更高的基因大部分是生肌基因,与 RT-PCR结果一致[14]。脂肪组织表达肌肉特异性的基因将会降低脂肪组织的脂肪含量。饲喂铬的正常动物脂肪组织中是否也能发生这些变化还有待研究。

铬还可能通过除胰岛素外的其他内分泌途径来影响机体的脂质代谢。例如,饲喂铬可以降低血清瘦素[17],升高 GH[11]、IGF-I[28]等。此外,铬可能也可以直接影响一些酶的活性而影响机体脂类代谢。

3.3 调控蛋白质代谢

一些研究认为,添加铬可以降低血清尿素氮水平、促进蛋白质沉积,提高机体瘦肉率[29]。铬对蛋白质代谢的影响一方面可能是通过提高葡萄糖利用效率,减少生糖氨基酸的分解;另一方面可能是通过胰岛素、GH、IGF-I等内分泌激素间接促进蛋白质的合成。

4 铬对生长性能的影响

添加铬对生长性能的影响结果较不一致。Hasten et al(1997)报道 SD大鼠基础日粮中添加氯化铬、CrPic3和烟酸铬对生长性能没有影响[30]。Lien etal(2005)[31]的研究表明在断奶后添加丙酸铬对猪生长速度和饲料效率没有明显影响。Mooney et al(1999)[32]发现添加 200μg/kg CrPic3对生长肥育猪的生长性能没有影响,并且与品种的瘦肉沉积潜能也没有互作效应。Kim et al(2009)[33]发现添加 1000μg/kg或 2000μg/kg的 CrPic3对热应激(40.5℃)或冷应激(13.8℃)环境下饲养的断奶仔猪的生长性能没有影响。在蛋白质供应不足(仅满足 76%、83%和 90%赖氨酸需要量)的情况下,添加200μg/kg CrPic3对生长猪(23 kg至 63 kg)的生长性能影响很小,并且与赖氨酸水平没有交互作用[18]。对生长肥育猪(从 27 kg饲养到 113 kg)的研究表明,低能和高能日粮中添加 200μg/kg丙酸铬对日增重、日采食量和料重比没有影响。但在生长早期,饲喂低能加铬日粮的猪日增重提高,而饲喂高能加铬日粮的猪日增重降低[24]。Page et al(1993)[34]发现当铬添加量在较高剂量时(400和800μg/kg)会降低猪的日增重和日采食量,但对饲料转化效率没有影响。给生长肥育猪添加 200μg/kg CrPic3增加日增重和日采食量,对饲料效率影响不显著,但实验结果不是很稳定[34]。一项关于补铬对人的减肥效果的荟萃分析表明 CrPic3只有很小的减轻体重作用[35]。纳米铬可显著提高大鼠日增重、饲料效率[15]。Barajas et al(2005)[36]报道添加Cr-Met提高了运输应激犊牛的日增重和料/肉比。因此,添加铬对生长性能的影响可能受其他因素干扰较大。

5 铬的安全性

虽然有人担心铬会使 DNA发生氧化损伤,但Tan eta l(2008)[37]用仔猪肝细胞进行的实验表明CrPic3不会引起氧化损伤,相反 8μmol/L(相当于生理浓度)的 CrPic3还可显著降低肝细胞的丙二醛含量,抑制脂质过氧化。丁双阳等(2003)[38]证实铬没有致突变性和生殖毒性。也有研究发现 CrPic3与血清发生化学反应后容易被生物体的氧化剂(如H2O2或葡萄糖氧化系统)氧化生成六价铬(Cr6+),这可能是 Cr3+增强胰岛素作用和产生毒性所需要的[39]。Cr6+可以增加膜的流动性,并且具有明显的增强大鼠脂肪细胞对葡萄糖的吸收能力[40]。因此,Cr3+有可能通过转变为 Cr6+而起作用。在体内Cr3+转变为 Cr6+的量非常少,并且有可能很快又被机体的还原系统还原为 Cr3+,因而少量生成的 Cr6+不会对机体造成危害。Lindemann et al(2008)[2]在生长猪饲料中添加 5000μg/kg铬(分别以 CrPic3、丙酸铬、Cr-Met和酵母铬的形式),约 75 d后屠宰,结果未发现对生长性能、胴体性状和血清生化指标有明显影响,酵母铬组还显著提高了日增重。说明铬对所饲喂的动物本身而言具有较高的安全性。此外,研究还表明,饲喂铬的动物,其组织中铬的残留未超出国家标准[42],说明动物日粮中添加铬对消费者来说也是安全的,并且对消费者还可起到补铬作用。

6 结语

动物日粮中添加有机铬具有诸多生物学功能:提高生长性能和胴体品质;提高免疫功能;增强抗应激能力;提高繁殖性能等。然而在实际应用中,试验动物体内铬的状况、日粮中铬的含量、所用日粮组成和类型(如日粮中矿物质种类、添加量、级别等)、铬的添加方式、添加水平、添加时间、动物种类、年龄、性别、所处生理状态以及所受应激的类型和程序、研究中所采用的反映指标和研究方法、测定的持续时间不同都会影响铬的最终作用效果。因此,应进一步对铬的应用条件进行细分,明确哪些情况需要补铬,需多大剂量、何种形式的铬效果最好。

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