牧草叶绿素衍生物植烷酸对动物机体的影响

靳思玉，李苗苗，曹 阳

（黑龙江八一农垦大学动物科技学院，黑龙江大庆163319）

1 叶绿素含量在牧草不同阶段的变化

1.1 叶绿素的种类 叶绿素有几个不同的类型：叶绿素a和b是主要的类型，见于高等植物及绿藻；叶绿素c和d见于各种藻类；叶绿素c罕见见于某些金藻；细菌叶绿素见于某些细菌。在绿色植物中，叶绿素位于叶绿体内的膜状盘形单位类囊体（徐冉等，2016）。

1.2 牧草生长期 叶绿素的含量可以反映植物的光合作用能力、植物的生理状态、营养水平、生长和发育阶段。冯淑华等（2011）对不同处理玉米植株叶片叶绿素含量在全生育期曲线变化趋势的研究中发现，叶绿素含量的最大值均出现在抽雄期，各处理其他苗期叶绿素含量相差不多，抽穗期后下降趋势相似，下降速度与幅度各不相同，龙辐208下降较快，成熟期高油115叶绿素含量最高。生育前期中原单32叶绿素含量较其他两个品种高，生育后期下降较快。

Shi等（2014）测量了模拟秋季气候变暖对四种本地草本植物的影响，其分别代表青藏高原的高山草甸植物的不同生命形式。试验在开顶室（OTCs）中进行模拟，对叶绿素、氮（N）浓度的下降、根内的非结构性碳水化合物（TNC）、生长期和物候期的影响进行了评估。结果表明，秋季气候变暖延缓了植物衰老过程中叶绿素的降解，并在随后的几个阶段加速了叶绿素的降解。气候变暖也增加了根TNC的储存，增加了碳水化合物的积累。Fiedler等（2014）检测高粱叶片与干物质生长速率及叶绿素含量与温度的关系，测试环境控制温度9.4～20.8℃，其结果表明，在低温下叶绿素含量对干物质生长速率没有很大的影响。

1.3 牧草收获期 水稻在乳熟期收获，叶绿素含量最高，随着收获时间的推移叶绿素含量逐渐下降（陈维君，2006）。Hasperué等（2013）研究表明，西兰花收获的时间可以影响叶绿素的降解速率。这种蔬菜是在其发育不完全的情况下收获的，从而引发了快速的衰老，伴随着叶绿素的降解和贮藏寿命的缩短。8：00收获比18：00收获降解速率要慢，这说明新陈代谢的变化会影响白天的基因表达。

海鼠浆果在早期（9月）、成熟期（11月）和后成熟期（1月）收获。George等（2007）分析了整个浆果的物理特性，并对其进行了生物活性成分的分析，结果表明，11月收获的浆果总类胡萝卜素和叶绿素含量最高。不同种类的牧草作物在不同的收获期叶绿素含量会有不同程度的波动，所以要根据牧草的种类选择适合的收获时期。

1.4 牧草贮藏 叶绿素的生物合成需要通过一系列的酶促反应，温度过高和过低都会抑制酶反应，甚至会破坏原有的叶绿素，一般植物叶绿素生物合成的最适温度为30℃（王平荣等，2009）。Nagata等（2005）对联乙烯还原酶DVR酶在10～30℃时的活性进行了研究，结果在30℃时该酶的活性最大。因此，适宜的贮藏温度是保持牧草中叶绿素含量的必要条件。

1.5 牧草加工 在碱性条件下，叶绿素a和叶绿素b降解需要更长时间，提高pH可以延缓叶绿素的降解。因为叶绿素在中性或偏碱性条件下可皂化水解为鲜绿色的叶绿酸盐、叶绿醇和甲醇，其中叶绿酸盐和甲醇均为较稳定的绿色化合物，因此碱性条件下可以保持绿色（张丽华等，2012）。但是pH过大会严重破坏果浆中的维生素C含量和产生碱味，因此加工中微碱性（pH 7.5左右）是较佳的护绿条件（韩勇，2007）。

2 叶绿素衍生物的结构

叶绿素的基本结构是由4个吡咯环结合成的卟啉分子，其中间靠各吡咯环的一个氮原子协同结合一个镁原子（血红素结合一个铁原子，称亚铁原卟啉）（侯红英，2006）。叶绿素的衍生物有叶绿醇、植烷酸和降植烷酸。叶绿醇是植物叶绿素分子中的一种含有多支链的脂肪醇（Judy等，1990），由四个异戊二烯单位组成的链状双萜类物质，是一个亲脂的脂肪链，其决定了叶绿素的脂溶性（Luisetti等，1979）。叶绿醇可通过α-氧化产生降植烷酸，再通过β-氧化生成植烷酸。植烷酸是一种有分支的饱和脂肪酸（Nagai，2015），具有异戊二酸的结构，是叶绿素分子链在反刍动物瘤胃中经微生物降解而形成的（Scho..nfeld等，2006）。

3 叶绿素衍生物分解代谢过程

叶绿醇在乙醇脱氢酶的作用下转变为2-植烷烯醛，2-植烷烯醛通过脂肪醛脱氢酶催化转化为2-植烷烯酸，然后在脂肪酸脱氢酶作用下转化为植烷酸（Verhoeven等，2001）。植烷酸由于甲基在3个碳原子的位置上不能通过β-氧化生成3-酮乙基-CoA（Wanders等，2011），因此首先需要在过氧化酶作用下进行α-氧化，即2-植烷烯酸由酯酰CoA合成酶催化生成植烷烯酸CoA，随后在植烷烯酸CoA还原酶作用下转化为植烷酰CoA，后者在植烷酰CoA羟化酶的作用下进一步生成2-羟基植烷酰CoA（Mukherji等，2002），再通过2-羟基植烷酰CoA裂合酶转化成降植烷醛，降植烷醛最后在脂肪醛脱氢酶作用下转变为降植烷酸而进行β-氧化（Hashimoto等，2006）。

4 叶绿素衍生物中植烷酸对机体中营养物质代谢的影响

植烷酸不仅是机体氧化代谢的重要能量来源，而且在糖脂代谢、脂肪细胞分化聚酯调控方面具有特殊的生物学功能（关锦毅等，2009）。人体不能将叶绿素转化为植烷酸，只能通过乳制品、反刍动物肉和一些海洋脂肪来摄取植烷酸（Brown等，1993）。

4.1 糖类代谢 在糖代谢中，葡萄糖居主要地位。Heim等（2013）研究表明，100μmol/L的植烷酸可使肝细胞葡萄糖转运蛋白的基因表达水平提高2.2倍，葡萄糖转运蛋白Ⅱ和葡萄糖激酶的基因表达水平提高3倍，肝细胞对葡萄糖的摄取和氧化利用增加。Che等（2013）用猪肌管作为测量葡萄糖摄取和糖原合成的模型，并检查植烷酸与胰岛素结合的生理剂量对葡萄糖摄取和糖原合成的影响。结果表明，植烷酸与胰岛素结合使用增加了大约35%的葡萄糖摄入，而胰岛素的存在进一步增加了摄入，但在高胰岛素浓度下增加也不明显。在植烷酸与胰岛素结合作用下糖原合成增加了20%。表明植烷酸可以在高浓度或不充分的胰岛素浓度下刺激葡萄糖的吸收，从而提高乳汁中乳糖的含量。

Heim等（2002）研究表明，植烷酸不仅可作为PPAR的一个转激活受体被广泛用于治疗2型糖尿病，而且还可以通过PPARb和PPARg在CV-1细胞中发生作用，这些细胞与各自的受体和一个无氧基辅酶反应的荧光素酶相结合。与其他脂肪酸不同的是，生理浓度的植烷酸可增加老鼠主要肝细胞对葡萄糖的摄取。通过定量实时逆转录酶链反应，可以解释葡萄糖转运蛋白-1-2和葡萄糖激酶mRNA表达的增加。这些结果表明，植烷酸可通过不同的PPAR等形式来调节与葡萄糖代谢相关的基因表达，从而暗示植烷酸在胰岛素抵抗管理中的潜在作用。Schluter等（2002）研究结果表明，口服植烷酸（5 mg/kg）显著改善了葡萄糖稳态，提高了血清脂联素水平，具有抗糖尿病作用。可以治疗和预防非胰岛素依赖型糖尿病或其他葡萄糖耐受不良有关的疾病，比如肥胖（Villarroya等，2004）。

4.2 脂类代谢 研究表明，在摄入植烷酸后，可增加脂肪酸氧化相关基因的表达（Elmazar等，2013），林夏菁等（2012）在叶绿醇对小鼠生长性能和糖脂代谢影响的研究中发现，在小鼠日粮中添加0.5%叶绿醇可以显著降低前两周体重，但对全期体重无明显影响。另外，还可增加肝脏指数和肌肉比例，降低脂肪比例，促进小鼠的肌肉发育。膳食植烷酸能显著地增加小鼠的肝脂肪酸氧化酶活性和mRNA的丰富程度（Hashimoto等，2006）。

在牛脂肪细胞中添加植烷酸和降植烷酸后发现，植烷酸可以显著提高脂肪细胞PPAR的mRNA表达。其中100μmol/L的植烷酸比对照组提高了6倍，而100μmol/L降植烷酸比对照组提高了4.5倍（Takahashi等，2002）。结果表明，非酯化的植烷酸可改变线粒体内膜的渗透性，增加H+的电导，促进渗透孔的打开，启动内源性Mg2+的释放。但与非酯化的长链脂肪酸相反，植烷酸会轻微地刺激内膜传导K+和Cl-。这些活动对线粒体腺苷5-三磷酸腺苷的合成和线粒体的完整性都是有害的（Chaudhary等，2017）。植烷酸具有特定的原生生物活性，可诱导活性氧（ROS）生成，并减少ATP的生成，明显抑制Na+-K+-ATP酶活性（Sch..onfeld等，2016）。植烷酸的氧化是一种线粒体的过程，唯一需要的辅因子是ATP和Mg2+（Skjeldal等，1987）。

Schluter等（2002）研究表明，植烷酸能激活核激素受体，影响基因表达和细胞分化，诱导棕色脂肪细胞分化。棕色脂肪和棕色脂肪细胞是植烷酸酶基因高表达的场所，这种酶是一种对植烷酸进行过氧化物氧化的酶。然而，植烷酸的作用并没有被其α-氧化产物降植烷酸所介导，降植烷酸没有促进褐色脂肪细胞的分化，也没有刺激非耦合蛋白-1基因的转录。此外，对小鼠的急性低温暴露导致了褐色脂肪组织中植烷酸储存的剧烈动员，这表明，在棕色脂肪中含有大量的植烷酸，可能会导致组织在对热原性激活的反应中出现适应性变化。

植烷酸增加了棕色脂肪细胞中蛋白质-1（UCP1）的mRNA表达，诱导了UCP1基因启动子的表达，其通过与一种类视黄醇受体（RXR）表达载体的结合而得到增强（Schluter等，2002）。植烷酸对UCP1基因的影响需要5个基因的增强区，而植烷酸的作用是通过3个结合位点对RXR进行调节的。植烷酸能激活褐色脂肪细胞的热原性功能，其构成了一种潜在的营养信号，将饮食状态与适应性热发联系起来（Zomer等，2000）。

4.3 预防维生素A致畸性 非怀孕动物的药代学研究表明，叶绿醇与植烷酸降低了视黄醇和视黄醇的血浆水平，并显著降低了致畸性视黄醇代谢物全反式维甲酸的水平（Arnhold等，2002）。植烷酸可以通过干扰视网膜色素上皮中的维生素A代谢，或通过改变光感受器细胞膜结构来引起视网膜变性（Bernstein等，1992）。叶绿醇和植烷酸对预防维生素A的致畸性有帮助。

5 叶绿素衍生物中植烷酸对机体的作用

5.1 免疫系统 Nakanishi等（2016）研究小鼠的脾细胞受到T细胞丝分裂素的刺激时，加入植烷酸，然后对细胞增殖和细胞因子的生成进行评估发现，植烷酸能在不抑制T细胞增殖的情况下产生免疫调节作用，其有效浓度小于10μmol/L。其结果表明，植烷酸对治疗T细胞介导的自身免疫疾病具有潜在的有益作用。植烷酸是一种具有高效力的过氧化物酶体，其与细胞炎症、抗氧化和氧化应激有关。

1999—2002年，在莱克内斯进行了336个病例和460个对照研究发现，植烷酸类食物或全植酸的摄入量，与增加的非霍奇金淋巴瘤（NHL）危险有关。在NHL亚型的分层分析中，牛肉消耗的增加与扩散的B细胞淋巴瘤的风险增加有关，而更多的牛奶摄入则与滤泡性淋巴瘤（FL）的风险增加有关。全植酸的摄入与患癌和淋巴细胞性白血病的风险增加有关。全植酸和植烷酸类食品可能会增加NHL的风险（Wright等，2012）。

5.2 血液成分 人类血清中植烷酸水平与反刍动物肉和乳制品的摄入量密切相关，而这些产品的植烷酸浓度与牛饲料中的叶绿素含量密切相关。在人体中，植烷酸的降解首先是对植烷酸的活化，然后是一个α-氧化循环（Ollberding等，2013）。

Ellinghaus等（1999）研究发现，植烷酸的血清浓度与编码过氧化物酶和肝脂肪酸结合蛋白质的基因表达有良好的关系，这些蛋白质都被证明在其启动子区域内具有功能活性。将小鼠肝细胞系MH1C1和植烷酸培养后，对酰基辅酶氧化酶基因表达的刺激作用也进行了观察发现，植烷酸诱导了一种具有强效性的增氧剂氯霉素转移酶活性因子。植烷酸作为一种PPAR依赖性基因表达的诱导物，能与支链脂肪酸对重组PPARP高亲和力结合。植烷酸可以被认为是一种真正的生理配体。研究指出，该过程与过氧化物酶体增殖激活物受体（PPAR）和视黄醇受体（RXR）的激活密切相关，被认为对代谢功能障碍有预防作用（Ellinghaus等，1999）。

Watkins等（2010）研究表明，人类和类人猿的饮食中含有大量的植烷酸时，血红细胞的水平升高。当饲喂奶牛的日粮中青绿饲料占比较大时，牛奶中含有的植烷酸含量会增加，从而导致消费者血浆中植烷酸的循环水平更高（Nagai，2015）。从乳制品中摄入高脂肪的饮食与增加的血浆酸浓度有关，这可能在癌症的发展中起着重要作用（Watkins等，2010）。

5.3 神经系统 Nagai等（1999）在体外酶试验及神经细胞的试验中，对植烷酸对组蛋白脱乙酰酶（HDAC）活性的影响进行了研究。结果表明，植烷酸在体外增强了酶的活性，在神经2a细胞中，植烷酸大大降低了组蛋白乙酰化和诱导细胞死亡，但是会被丁酸钠的HDAC抑制剂抑制。植烷酸是一种常见的HDAC活化剂，其对神经2a细胞的生存能力有类似的影响，这种效应也被丁酸钠所抑制。植烷酸降低了细胞内活性线粒体的水平，而丁酸钠则提高了这一水平。这些结果表明，在神经2a细胞中通过激活HDAC，植烷酸会诱发线粒体异常和细胞死亡。这种由植烷酸引起的HDAC活化作用可能会引起神经损伤和其他的由植烷酸积累引起的紫斑病。

Borges等（2015）对植烷酸在小白鼠小脑内的大量氧化还原内稳态参数进行了测定，并对其进行研究，结果发现，植烷酸显著地增加了丙二醛（MDA）和一氧化氮的生产和降低了谷蛋白（GSH）水平，对2-7-二氯荧光素氧化（DCFH）、硫酰氧化、羰基含量以及谷硫酶（GPx）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷氨磷酸酶（GR）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）没有影响；此外，免疫组化学分析显示，植烷酸在小脑中引起了星形胶质和蛋白质的损害；还观察到，合成酶抑制剂亚硝基左旋精氨酸甲酯（L-NAME）阻止了MDA的增加，而没有降低GSH的水平，植烷酸所引起的免疫组化学变化也没有减少。证明植烷酸会破坏氧化还原反应，并引起老鼠小脑的星形胶质细胞分裂，氧化还原状态的不平衡可能至少在一定程度上导致了受Refsum病和其他疾病影响的小脑改变。植烷酸还在小脑和大脑皮层中引发了蛋白质氧化损伤，这是由增加的羰基含量和亚硫酸氢氧化所决定的。由多种线粒体功能失调、活性氧的生成以及通过在胶质细胞内的浓缩Ca2+信号传导途径来调节的（Borges等，2015）。此外，植烷酸明显降低了GSH的浓度，而褪黑素的治疗完全阻止了这种效果。

5.4 活性氧 植烷酸是由叶绿素在反刍动物瘤胃和肠道内的微生物降解而形成的。处于β位置的甲基可以通过β-氧化途径阻止植烷酸降解（Leipnitz等，2010）。因此，植烷酸的降解是由氧化还原酶的氧化作用引起的。植烷酸在线粒体和完整的细胞中产生了大量的ROS（Xu等，2006）。Chaudhary等（2016）研究发现，植烷酸显著增加了细胞内ROS和活性氮的水平，植烷酸不能直接引起细胞死亡，而是在线粒体内在途径的作用下，通过线粒体的分裂来诱导细胞死亡。植烷酸在各种代谢紊乱中积累。在机体内发现的高水平植烷酸超过毫米范围时，由于一种常见的过氧化物酶体功能障碍，或者是由于酶的缺陷可以导致Refsum病（Chaudhary等，2016）。

降植烷酸和植烷酸是膜链脂肪酸，其在Refsum病、Zellweger综合征和α-甲基环丙酸酶缺乏症等疾病中扮演着重要的角色。研究表明，植烷酸的毒性作用是由多种线粒体功能失调引起的。植烷酸对脑细胞有很强的细胞毒性作用，通过急剧的Ca2+解除管制来显示，再原位线粒体去极化和细胞死亡。植烷酸强烈地诱导了ROS的生成，而降植烷酸对ROS的产生有较弱的影响（Brink等，2006）。

唑康唑、氯三唑、双芳唑、米康唑和CO，被称为细胞色素p-450的强力抑制剂（R..onicke等，2009），因此，也是植烷酸的有效的抑制剂（Komen等，2006）。

植烷酸分解代谢的代谢缺陷已被证实与许多人类疾病有关，这些疾病可能导致神经系统和其他器官的致命缺陷（Pahan等，1995）。代谢不佳的植烷酸和降植烷酸的毒性作用是在脂肪组织中积累，包括髓鞘和内脏。导致色素性视网膜炎、周边多神经病变、小脑共济失调、肾脏、心脏或肝脏损伤（Zolotov等，2012；Lemotte等，2009）。

6 展望

当前，国内外研究焦点多数集中于叶绿素及衍生物在机体的保健治病作用机理方面。而作为饲料对畜产品的影响、动物消化代谢等方面的研究还不多，尤其缺乏关于如何在牧草贮藏、加工过程中减少叶绿素及其衍生物的分解损失方面的研究。这对在动物养殖过程中减少药物使用，对生产功能性动物饲料及保护动物和人类的健康具有重大意义。

注：因版面所限仅提供部分参考文献，如有需要，可来函索取。

电子邮箱：18644098670@163.com