锰在鸡肠道中吸收的特点、影响因素及分子机制

李晓丽 吕 林 解竞静 张丽阳 罗绪刚＊

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100093；2.河南科技大学动物科技学院，洛阳471003）

锰（Mn）是动物必需的微量元素之一。自Wilgus等［1］于1937年首次发现锰能有效防止雏鸡发生滑腱症以来，锰对家禽的营养作用就一直受到重视。此后，对关于锰与动物的生长、骨骼发育、正常生殖性能的维持等方面进行了大量的研究［2－6］。由 于 家 禽 对 锰 的 吸 收 率 低 （为 1% ～3%），排出量大，故锰对鸡等家禽具有特殊的重要性［7］。如何提高鸡等家禽对锰的吸收利用、减少锰的排出，对于发展健康、环保、高效的养禽业意义重大。因此，本文拟从锰在鸡等家禽肠道的吸收特点、影响锰吸收的因素及其分子机制等方面进行综述，为寻找有效提高家禽锰吸收利用的途径提供参考依据。

1 锰的吸收、代谢及排泄

家禽对锰的吸收，主要是在小肠部位。而Ji等［8－10］用外翻肠囊和原位结扎灌注肠段法在肉仔鸡上的研究均发现，回肠是锰吸收的主要部位。锰的吸收包括3个步骤，首先，肠腔中的锰被肠黏膜上皮细胞摄取，然后锰在上皮细胞内转移，最后，锰经上皮细胞基底膜进入血液。有研究表明，进入血液中的锰一部分保持游离状态，一部分迅速与α2巨球蛋白结合，上述2种形态锰（Ⅱ）很快被铁氧化酶Ⅰ氧化成锰（Ⅲ），锰（Ⅲ）与血浆中转铁蛋白结合以转铁蛋白结合锰的形式被肝外组织摄取［11］。血浆中锰大多与γ球蛋白和白蛋白结合，少部 分 与 转 铁 蛋 白 结 合［12－13］。Keen等［14］报道，锰经动物小肠吸收后大部分通过门静脉转运到肝脏，进入肝脏的锰至少进入5个代谢池，分别是溶酶体、线粒体、细胞核、新合成的锰蛋白和游离的二价锰离子［14－15］。

家禽体内锰排泄的主要途径是经胆汁从粪中排出，当体内锰过量或胆汁排泄途径受阻时，胰液对锰的排泄量增加。另外，十二指肠、空肠肠壁也可作为锰排泄的辅助途径［16］。

2 锰的吸收特点及方式

对微量元素锰吸收动力学的研究发现，动物肠道对锰的吸收包括非饱和扩散与饱和载体转运2种途径。已有研究表明，无机锰在肠道中的吸收方式与锰水平密切相关。Bell等［17］利用大鼠刷状缘膜囊模型的研究发现，当培养液中加入高水平锰（1 000～90 000mmol/L）时，锰以非饱和扩散方式进行转运，且不受大鼠年龄的影响。Garia－Aranda等［18］在大鼠上的研究表明，当灌注液中锰水平为0.012 5～0.100 0mmol/L时，锰在大鼠空肠和回肠主要通过一种高亲和性、低吸收力的饱和载体方式进行转运。本实验室前期在肉仔鸡原位结扎肠段中灌注水平为0.13～8.74mmol/L锰时，发现无机锰在结扎十二指肠和空肠中是以饱和载体转运方式吸收，在回肠则是非饱和扩散方式吸收［19－20］。Finley等［21］对 锰 的 Caco－2细胞吸收研究表明，从顶端到底端的锰吸收率低于底端到顶端的吸收率；顶端到底端吸收和转运呈高度浓度依赖型；但底端到顶端的吸收和转运呈饱和型。Leblondel等［22］用 Caco－2细胞单层模型研究认为，当培养液中添加水平为0.025～2.000mmol/L的锰时，锰从 Caco－2细胞顶膜到基底膜是以饱和载体转运＋非饱和扩散2种方式进行转运，且锰的吸收可以被Ca2＋、Fe2＋所抑制，表明它们可能共用一个转运系统。

关于有机微量元素的吸收机制，有竞争吸收和完整吸收2种假说。竞争吸收假说认为，金属氨基酸络合物中微量元素以离子形式被吸收。其之所以具有高吸收率，是因为适宜络合强度的有机微量元素可以防止金属元素在肠道内变成不溶性化合物或被不溶解胶体所吸附从而直接到达小肠刷状缘，因此其吸收率提高；完整吸收假说则认为，金属氨基酸络合物或螯合物在小肠中不是以金属离子的形式吸收，而是利用氨基酸和（或）小肽的吸收机制被完整吸收，并以完整形式穿过肠黏膜上皮细胞顶膜和基底膜进入血液［23］。由于尚无检测有机微量元素的有效方法，因此，有机微量元素的确切吸收机制目前仍不清楚。本实验室最近利用肉仔鸡原位结扎灌注肠段法研究不同形态锰的吸收方式，发现不同形态锰在十二指肠中吸收的动力学模型都最适合饱和载体转运，但中等和强络合强度复合氨基酸络合锰米氏常数（Km）和最大吸收速率（Jmax）都增加［24］。这些结果提示，以络合状态存在的有机微量元素氨基酸络合物或螯合物在小肠中可能不是以无机金属离子的形式而是以完整络合物的形式被吸收；参与转运的载体可能与转运无机金属离子或游离氨基酸的转运载体相同，但由于络合物的结构使金属或氨基酸与相应转运载体的亲和力及转运效率发生改变，因此导致Km和Jmax发生改变，当然可能也有除目前已知的参与无机金属离子或游离氨基酸转运载体以外的其他转运载体参与有机微量元素络合物的转运。

3 影响锰吸收利用的因素

锰的吸收利用受饲粮中植酸、纤维、单宁、钙、镁、磷、铁和钴的水平，锰的形式、来源和水平，有机配位体，抗生素，疾病和动物年龄等多种因素的影响。

3.1 植酸、纤维、单宁对锰吸收的影响

植酸是消化道中存在的一种抗营养因子，其具有很强的螯合能力。植酸通过与锰结合形成难溶单盐或螯合物使可溶性的锰减少，从而使动物对锰的吸收降低。一般来说，肉仔鸡对锰的吸收与饲粮植酸水平呈显著的负相关。李杰等［25］研究发现，饲粮中添加0.8%的植酸可使全鸡及胫骨中锰含量极显著降低。纤维由于可加快微生物活动，使含锰的胆盐复合物迅速被降解，导致锰最终随胆汁排出体外，因此导致机体对锰的吸收利用下降。Halpin等［26］通过对饲粮化学成分的分析表明，麦麸和玉米－豆粕混合物中的中性洗涤纤维以及米糠中的中性洗涤纤维、植酸和灰分水平是降低锰生物有效性的原因。

3.2 常量元素钙、磷对锰吸收的影响

常量元素钙、磷可抑制锰的吸收。Bandemer等［27］的研究结果表明，磷酸钙可以降低锰的吸收，其原因可能是磷酸钙通过吸附锰而使可溶性锰减少。张日俊等［28］在饲粮中添加过量钙，结果发现心脏锰－超氧化物歧化酶（Mn－SOD）活性下降，表明过量钙对锰的吸收利用有抑制作用。Smith等［29］在饲粮中以贝壳粉形式提供过量钙，导致雏鸡对锰的利用下降。Halpin等［26］研究指出，钙可能通过加剧木质素或植酸的拮抗作用或降低锰在肠道中的溶解度，导致组织锰的摄取量下降。但Wedekind等［30］的研究表明，胫骨锰含量不受饲粮钙水平的影响，却随磷水平的上升而下降。本实验室用外翻肠囊法研究高钙对肉仔鸡小肠锰吸收的影响，结果表明，氯化钙形式的钙不但不抑制小肠中锰的吸收，反而使其吸收率明显提高［8－10］。关于饲粮中钙对不同形态锰源利用率的影响的相关研究很少。本实验室前期研究［31－32］表明，在饲粮中添加高钙（1.85%）可影响不同络合强度有机锰源的相对生物学利用率，尤其是强络合强度有机锰源，对肉仔鸡显示出比常钙条件下更高的相对生物学利用率。不同试验所用的钙和磷来源、鸡生长速率及基础饲粮中锰水平等的不同可能是造成上述结果差异的原因。如果饲粮中锰水平很高，钙对锰利用的抑制作用可能不明显；如果鸡的生长速率低，对锰利用的抑制作用可能也不敏感。

3.3 其他微量元素对锰吸收的影响

锰的吸收利用受饲粮中一些微量元素的影响。目前研究较 多 的 是 铁［33－41］、铜［42］、钴［43］对 锰利用的影响。

3.3.1 铁对锰吸收的影响

铁能抑制动物肠道对锰的吸收。Mena［33］指出，患有缺铁性贫血症的病人对锰的吸收率达7%，相当于正常人的2倍。姜俊芳等［34］研究表明，饲粮中铁水平极显著影响肉鸡空肠锰含量，且随铁水平的增加而下降；饲粮添加不同水平铁均极显著影响肉鸡前、后期锰的表观存留率，且随铁水平增加，锰的表观存留率下降，表明铁对锰的吸收有拮抗作用。Rodriguez－Matas等［35］研究表明，大鼠缺铁时锰的吸收增加，铁和锰的交互作用主要表现在消化吸收水平上而不是代谢过程中。Stephanie等［36］研究饲粮中添加3种不同水平铁对断奶仔猪锰吸收的影响，结果表明，低铁组（未添加铁）十二指肠锰含量比铁充足组（100mg/kg）和高铁组（500mg/kg）高，且低铁组提高了十二指肠二价金属转运蛋白1（DMT1）和金属转运载体（ZIP14）的表达，而高铁组则降低了DMT1和ZIP14的表达，推测其原因可能是由于饲粮不同铁水平对DMT1和ZIP14表达的不同调控进而影响锰的吸收。已有研究［37－39］表明，当细胞内铁缺乏时，十二指肠细胞膜上的DMT1mRNA表达量和蛋白合成增加；在铁过量状态下，小肠细胞膜上的DMT1mRNA表达量和蛋白合成下降。此外，铁离子可影响铁调节蛋白与位于DMT1mRNA 3′端的铁结合元件的结合来调节DMT1mRNA的稳定性［40－41］，进而影响锰的吸收转运。

3.3.2 铜、钴及其他微量元素对锰吸收的影响

谭芳［42］研究表明，肝脏、毛中锰含量随饲粮铜水平增加而显著增加，肾脏、肌肉、骨中锰含量随饲粮铜水平增加有上升趋势，表明铜与锰的吸收可能具有协同作用。Woerpel等［43］研究表明，饲粮高镁（2 000～4 000mg/kg）可降低锰在火鸡体组织的贮存。Halpin等［44］试验表明，含钴1000mg/kg的饲粮（玉米－豆粕型）提高了鸡组织锰的贮存，分析其原因可能为钴通过竞争性结合可螯合锰的饲粮因子（如纤维和植酸），从而促进锰的摄入。

3.4 锰水平及添加形式对锰吸收的影响

微量元素在消化道内的吸收方式受其水平的影响，水平低时，微量元素的吸收为主动的载体转运过程，水平高时，则以被动的扩散方式吸收。由于机体存在稳恒机制，动物对微量元素的吸收并非一直随其水平的升高线性升高，而是呈渐近线关系。本实验室前期研究低、高2种不同饲粮锰水平对组织锰含量的影响，结果表明，组织锰含量均受到饲粮锰水平的显著影响，且随饲粮锰水平增加，组织锰沉积顺序为：骨灰＞肝脏＞肾脏＞胰脏＞心脏＞脾脏＞肌肉。当饲粮中添加高水平锰时，肝脏、胰脏和骨灰锰含量随饲粮锰水平呈直线上升；而在低水平锰时，除骨灰锰含量呈直线上升外，其余软组织的锰含量均近似二次曲线或渐近线变化［45］。Wedekind等［46］研究发现，饲粮缺锰可导致肝脏、肾脏和整个体组织锰贮动用速度比骨更快一些。火鸡饲粮中添加锰盐（无机锰和有机锰），富积锰最多的部位是肝脏和肾脏，相当少的锰积累在心脏、胃和胸肌，且肝脏、肾脏对有机锰的富积比无机锰更好；随着饲粮锰水平增加，机体锰贮存增加，但锰在体内的存留并不随饲粮锰水平增加而有比例的增加［47］。

除了锰水平外，锰的吸收利用也受其添加形式的影响。锰在饲粮中的添加形式有2种：无机锰，如硫酸锰、氯化锰、氧化锰、碳酸锰等；有机锰，如甘氨酸锰、蛋氨酸锰、复合氨基酸锰及寡肽锰等。早期不同锰源吸收利用差异的研究多集中在无机锰之间。Hennig等［48］使用同位素示踪法报道，肉仔鸡对氯化锰的生物学有效性高于硫酸锰和二氧化锰。本实验室前期以跖骨灰锰含量和中脚趾骨灰锰含量为衡量指标，均发现试剂级硫酸锰生物学有效性依次高于一氧化锰和二氧化锰［45，49］。近年来，随着有机锰的应用，其吸收率高的特点已引起人们广泛关注。Fly等［50］、Henry等［51］和朱玉琴等［52］发现雏鸡对蛋氨酸锰的利用率显著高于无机锰。Halpin等［26］发现雏鸡对锰蛋白盐的利用率高于硫酸锰。Garcia－Aranda等［18］研究低分子质量配体组氨酸和柠檬酸对锰吸收的影响，结果表明，当配体与锰的比例为2∶1时，锰的吸收是无配体存在时的3倍。向鸡饲粮中添加乙二胺四乙酸（EDTA），提高了锰、锌和铜的利用率，降低了其需要量［53］。本实验室关于不同形态锰在肉仔鸡上吸收利用的系列研究［31－32，54－55］表 明，有 机锰源络合强度与其相对生物学利用率密切相关，表现出中等络合强度＞强络合强度＞弱络合强度有机锰，且弱络合强度有机锰对肉仔鸡的相对生物学利用率与无机硫酸锰接近。关于有机锰在肉鸡肠道的吸收研究较少。本实验室系列研究［8－10，19－20，24］还发 现，机锰的吸收与其络合强度有密切相关性，表现为强络合强度＞中等络合强度＞弱络合强度有机锰，且上述3种有机锰的吸收均高于无机硫酸锰。

3.5 动物年龄、锰营养状况对锰吸收的影响

动物对锰的吸收也受其年龄的影响，有研究表明，幼鼠能吸收20%的锰，而成年大鼠对锰的吸收率仅为3%～4%［56］。动物的锰营养状况会影响体内锰的存留。静脉注射的锰经2种途径即“慢途径”和“快途径”进行排泄。其中经“慢途径”排出的锰占注射剂量的70%，其在体内的半衰期为39d，经“快途径”排出的锰量较少，在体内的半衰期为4d。机体长期缺乏锰，则经“慢途径”排出的锰提高到84%，且生物半衰期也上升至90d［11］。

4 锰吸收的分子机制

关于锰吸收的分子机制，已有研究发现，DMT1是位于肠道黏膜细胞顶膜上转运二价锰离子的唯一载体蛋白，在哺乳动物各组织中广泛表达，尤其在十二指肠和肾脏的表达最高［37，57］。DMT1在小肠上皮细胞主要定位在肠细胞绒毛膜刷状缘上［57］，从胃部排出的可溶性二价锰，通过DMT1才能跨越小肠绒毛顶膜进入细胞内部［58－60］。Trinder等［59］的研究进一步发现，DMT1不仅在细胞膜上表达，在绒毛顶端胞浆中也有分布，提示DMT1可能在这些位点之间循环转运。DMT1（G185R）突变的大鼠，机体缺乏吸收和转运锰的能力［61］。Conrad等［62］向 DMT1突变的细胞中注入重新构建的DMT1基因，细胞对二价锰离子的吸收增加。细胞水平的研究还发现，DMT1对锰和铁的吸收具有时间、浓度依赖性，二者最大吸收所需pH为6.0；锰离子和铁离子在吸收时可互相抑制，抑制常数为1μmol/L［63］。DMT1mRNA的表达受铁离子水平的影响，铁离子水平高时，DMT1mRNA的表达下降，反之，DMT1mRNA 的 表 达 升 高［64］。 本 实 验 室 Bai等［20，24，65］成 功对肉鸡小肠DMT1进行了克隆，并研究了不同形态锰在肉鸡小肠中的吸收机制，结果表明，DMT1 mRNA主要在肉仔鸡十二指肠和空肠尤其是十二指肠中表达，在回肠中的表达量很低，这与其研究发现的锰在肉仔鸡十二指肠和空肠中主要是以饱和载体转运方式吸收、在回肠中主要是以非饱和扩散方式吸收的结果相一致；而锰在肉仔鸡回肠中通过非饱和扩散方式的吸收高于十二指肠和空肠中以饱和载体转运方式的吸收。

此外，最新研究发现，膜铁转运蛋白（FPN1）可能是哺乳动物肠上皮细胞基底膜上将锰由细胞内转出进入血液循环系统的跨膜转运蛋白。FPN1主要分布于需要平衡铁、锰代谢的组织，包括成熟的内质网系统、十二指肠、肝脏、胎盘及中枢神经系统［66－67］。FPN1为单向转运蛋白，最适转运pH为7.4［68］。细胞内锰水平提高可上调FPN1的表达［69］，进而促进胞内锰进入血液。FPN1过度表达可减少细胞内锰积累，从而降低可能由锰引起的细胞毒性［70］。在十二指肠中，FPN1主要分布在肠上皮细胞的基底膜，与DMT1协同完成铁和锰的跨膜转运［71］。但目前国内外文献中尚未见到FPN1是否也在肉鸡等家禽小肠上皮细胞表达并参与肠道锰转运，以及不同形态锰间是否存在差异的研究报道。

5 小 结

锰作为一种必需的微量元素具有重要的生物学功能。有效促进鸡等家禽对锰的吸收利用，减少锰的排出，对于发展健康、环保、高效的养禽业意义重大。影响锰吸收利用的因素很多，但锰与其他影响因素的相互关系及其作用机理尚待进一步研究。适宜络合强度的有机锰在作用效果上优于无机锰，但造成二者之间吸收利用差异的机理尚不清楚。因此，关于不同形态锰在家禽等动物体内吸收和转运的机理尚需进一步研究。同时，应进一步在细胞和分子水平上深入揭示锰在家禽等动物体内的营养代谢机理，更准确、更科学地评价家禽等动物的锰营养状况并满足其锰营养需要，促进家禽等动物的健康和生产。

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