吡咯喹啉醌生物功能及在动物生产中的应用

单安山，何诗琪，张博儒，武迎红，杨占一

（1.东北农业大学动物营养研究所，哈尔滨 150030；2.内蒙古民族大学动物科学技术学院，内蒙古 通辽 028000）

吡咯喹啉醌（Pyrroloquinoline quinone,PQQ）为一种有别于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和黄素单核苷酸（FMN）的新型辅酶[1]。因其强大抗氧化活性，抗衰老、抑制细胞凋亡等生物功能成为研究热点。其作为饲料添加剂应用于动物生产，已取得阶段性研究成果。本文对吡咯喹啉醌化学性质、自然来源、生物学功能及在促进动物生长繁殖、抗氧化应激和调控脂质代谢等作用展开综述。

1 自然来源

PQQ在自然界分布广泛，存在大部分植物体内。高效液相色谱法（HPLC）结合电喷雾（ESI）串联质谱（MS/MS）方法分析食物中PQQ含量为0.19～7.02 ng·g-1[2]。人体组织和体液中PQQ含量为0.8～5.9 ng·g-1，脾脏中最高为5.9 ng·g-1，其次为胰腺和肺，分别为4.1和3.0 ng·g-1[3]。人乳PQQ及其衍生物中浓度为140～180 ng·mL-1，含量远高于一般食物，证明其在婴幼儿生长发育中发挥关键作用[4]。除部分革兰氏阴性菌外，动物体内无法合成[5]。不同革兰氏阴性菌合成PQQ含量不同，甲基营养菌合成水平最高，具有高产能力[6]。

2 化学结构与性质

吡咯喹啉醌化学式为4,5-二氢-4,5-二氧化1氢-吡咯并[2,3-f]喹啉-2,7,9-三羧酸，结构如图1所示，为细菌脱氢酶氧化还原反应辅助因子，也称醌蛋白。生物体PQQ有醌型（PQQ，氧化型）、半醌型（PQQ·）和氢醌型（PQQH2，还原型）3种存在形式，形成可逆氧化还原循环，传递电子[2,4]。抗坏血酸、NAD（P）H、硫醇化合物如谷胱甘肽（GSH）存在时，PQQ失去两个电子形成PQQH2，PQQH2与O2反应生成PQQ和H2O2[7]，PQQ可连续催化氧化还原循环反应。特定条件下，也可形成O2-、H2O2等活性氧发挥促氧化作用，调节细胞内蛋白质功能[8]。中性和弱酸性条件下，PQQ脱去羧基氢，成为阴离子。吡咯喹啉醌钠盐（PQQ·Na2）有较高水溶性，研究多用PQQ·Na2作为试验材料。通过X-射线单晶衍射分析PQQ·Na2原子结构为三水合物[9]。

图1 吡咯喹啉醌结构Fig.1 Structureof pyrroloquinolinequinone

3 生物学功能

3.1 促生长功能

PQQ可提高生长因子（NGF）含量促进细胞增殖与分裂。NGF为神经元营养因子，亦为促神经突起生长因子，主要由肌肉腺体（神经支配的靶器官）或许旺细胞（Sc）神经胶质细胞合成并分泌。

体外试验发现将浓度为0.05～0.2 mmol·L-1PQQ作用于Sc，使NGF在mRNA及蛋白水平均呈剂量依赖性增加；作用于L-M细胞，NGF分泌量增加40倍；与人WS-1细胞反应，NGF含量提高6倍；与大鼠神经胶质细胞相互作用，NGF含量提高17倍[10]。结果表明，PQQ刺激细胞产生NGF可能具有广谱效果；试验浓度及对象不同均影响合成和分泌NGF含量，合成分泌NGF的PQQ最佳浓度尚待研究。

为探讨PQQ机体内促生长机制，Yamaguchi等研究发现PQQ三甲酯化合物（PQQ-TME）无法促进大脑皮质NGF产生，而PQQ衍生物噁唑三甲酯化合物（OPQ-TME）可使大鼠大脑新皮层NGF增加2倍，通过腹腔注射，证明PQQ可促进损伤坐骨神经切面再生，在体内发挥促进作用。PQQ-TME未促进大脑皮质层生成NGF，可能因PQQ蛋白复合物无法通过血脑屏障，将OPQ转化为PQQ的酶在脑中促进NGF合成[11]。

体外试验中PQQ可增加NGF分泌，但体内效果不同。其体内转运和转化过程与机体相互作用复杂，体外培养的细胞独立生存于人工培养环境中，与体内环境差异较大，PQQ刺激细胞合成分泌NGF机制有待探讨。

PQQ可调控多种与细胞周期相关蛋白表达量，促进细胞增殖分裂。PQQ预处理兔膝关节软骨细胞后，加入白细胞介素1β，可显著提高软骨细胞增殖能力，增加S期和G2/M期比例及细胞增殖指数，即可促进膝软骨细胞增殖和分裂，且明显减弱由白细胞介素1β介导的软骨细胞凋亡[12]。Cyclin E为调控细胞由G1期向S期转换的细胞周期蛋白，Cyclin E与CDK2结合形成复合物后促进细胞通过G1/S限制，使静止G期进入活跃S期，PQQ与Sc作用，提高Cyclin E表达量，促进细胞增殖[13]。除Cyclin E外，原癌基因c-myc也为启动细胞周期进程必须，可直接转录激活细胞周期蛋白D2和CDK4，调节产物泛素黏酶CUL-1、CKS介导Kipl降解，或与蛋白质磷酸酶Cdc25结合激活CDK2CDK4。以上方法可激活细胞周期蛋白E-CDK2，使细胞由静止期进入增殖期[14]。但PQQ对细胞周期调控均发生在间期，即缩短细胞由G期进入S期周期促进细胞增殖与分裂，而对分裂期进程是否存在影响尚待研究，将间期和分裂期作为整体，探究对细胞周期调控方式的影响具有重要意义。

PQQ对细胞增殖信号通路影响研究取得进展，贺斌等研究发现，PQQ可通过上调NF-κB p65 mRNA及蛋白水平促进Sc增殖[15]。PQQ可上调Wnt/β-catenin信号通路中关键蛋白β-catenin mRNA及蛋白表达量并与细胞核内转录因子Tcf/Lef作用，促进c-Myc、Cyclin D1、surviviin等基因转录和细胞增殖[16]。PQQ可上调细胞增殖早期转录因子EGR1、EGR2表达量，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）及p53细胞信号转导通路，促进与TGF-β 1、Sp1、p21等基因结合加速细胞增殖[17]。

PQQ可通过以上3种信号通路促进Sc增殖，但是否可调控其他促生长通路有待研究。PQQ浓度为100 nmol·L-1时增殖效果最好，为研究其他Sc增殖信号通路提供参考。

3.2 抗氧化作用

细胞生物氧化需一定量活性氧自由基（ROS），机体ROS生成速率高于清除速率，氧化还原状态失去平衡，过剩ROS对机体造成伤害，严重时产生应激反应。

首先，PQQ为有效清除ROS的天然抗氧化剂，主要以具有较强抗氧化活性的PQQH2形式存在，清除ROS能力为维生素C 7.4倍[18]。PQQ发挥抗氧化作用途径：①增加PGC-1α表达量中和多余ROS。②增加核呼吸因子（NRF）表达量，提高抗氧化酶转录。③改变抗氧化酶结构增强去除ROS能力，等温滴定量热法显示PQQ和Cu/Zn-SOD之间氢键和范德华力具有多重结合位点，向溶液中加入PQQ，Cu/Zn-SOD结构中α-螺旋含量增加，表明其以相互作用方式使Cu/Zn-SOD构象发生改变，增强去除超氧阴离子能力[19]。

其次，PQQ可促进线粒体生成且保护线粒体免受损伤。线粒体为细胞内产生ROS主要场所，正常生理状态下，线粒体内氧化系统与抗氧化机制处于动态平衡。ROS可与脂质、蛋白质、核酸等氧化还原敏感成分发生反应，导致线粒体氧化损伤，引发疾病。PQQ可保护线粒体免受氧化损伤，减少细胞死亡[20]，通过激活cAMP反应元件结合蛋白（CREB）和PGC-1α促进细胞内线粒体合成，提高线粒体中柠檬酸合酶（CS）和细胞色素C氧化酶（CCO）活性，减少线粒体功能失常引起的细胞损伤[21]。由于PQQ可增加PGC-1αRNA转录，提高各种化合物组合的可能性，即可通过不同方式刺激线粒体合成，需进一步开展PQQ相关研究。

3.3 保护神经作用

PQQ调节ROS发挥保护神经作用。谷氨酸为神经系统中最重要的兴奋性氨基酸之一，从突触可塑性到记忆过程均发挥重要作用。体内和体外谷氨酸积累增加ROS含量，导致神经元损伤或坏死[22]。PQQ可直接氧化N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）氧化还原调节位点，抑制皮层神经元中谷氨酸诱导的ROS产生调节NMDA受体[23]。PQQ也可结合D-丝氨酸激活甘氨酸位点协同激动剂NMDA受体，增强正常大鼠社交记忆[24]。研究发现PQQ可保护原代培养的海马神经元免受谷氨酸诱导导致的细胞凋亡，证实其保护作用与调节磷脂酰-肌醇-3激酶（PI3K）/Akt/糖原合成酶激酶3β（GSK3β）信号通路有关[22,25]。

综上，激活Akt/GSK3β通路后可通过多种途径发挥保护神经作用，例如：激活Nrf2通路；上调HO-1和GCLC等抗氧化酶基因；调节谷氨酸诱导的Bcl-2和Bax间失衡促进细胞存活等。PQQ激活Akt/GSK3β通路后的其他影响有待研究。

PQQ可增强学习和记忆能力。修复神经细胞氧化损伤，降低脑组织丙二醛（MDA）、脂褐素水平，提高抗氧化酶水平，同时可在大脑中发挥抗氧化作用，增强衰老大鼠学习记忆能力[26]。其次，PQQ可促进海马神经细胞生长发育及海马神经干细胞分裂增殖。但是否间接影响海马神经干细胞生长增殖需进一步证明[27]。冯桂香等研究表明，PQQ可提高海马组织CHAT活力，促进胆碱能神经元突触传递，提高机体学习与记忆功能[28]。因NGF也可维持胆碱能神经元生长和发育，PQQ提高海马组织CHAT活力作用机制尚待深入研究。

4 PQQ在动物生产中应用

4.1 对动物繁殖及生长作用

维生素作为饲料添加剂，在动物生产中具有重要作用[29-30]。PQQ作为新型水溶性维生素可促进肉鸡生长和蛋鸡繁殖性能。张亚男等在1日龄爱拔益加肉仔鸡公雏基础日粮中添加一定水平PQQ发现，1～21、22～42 d两段肉鸡平均日增重及末重均增加[31]。孙丽敏等选用23周龄京红1号蛋鸡，在饲粮中添加PQQ·Na2，浓度为0.08、0.80、1.60 mg·kg-1， 发现 0.80 mg·kg-1显著提高产蛋率（1.11%）；选取32周龄高峰期京红1号产蛋鸡，在基础饲粮中添加0.08、0.8 mg·kg-1PQQ·Na2发现，0.8 mg·kg-1显著提高产蛋率，降低料蛋比[32-33]。王晶等选用25周龄海兰灰蛋鸡，饲粮中分别添加0.04、0.08和0.16 mg·kg-1PQQ·Na2饲喂24周，发现对产蛋鸡生产性能无显著影响[34]。徐磊等选取50周龄海兰灰蛋鸡，在基础饲粮中添加0.005、0.010、0.020、0.040、0.080、0.160 mg·d-1PQQ，蛋鸡产蛋率、蛋品质等有升高趋势，但无显著差异[35]。蛋鸡生产性能与饲粮PQQ·Na2添加量或产蛋鸡品种相关。

PQQ可促进哺乳动物生长繁殖性能。妊娠期饲粮缺少PQQ，易导致新生幼鼠生长迟缓，母鼠繁殖性能减弱或残食幼崽。饲喂一定水平PQQ日粮后，小鼠生长、母鼠生育等可恢复正常，但对生育能力影响不可逆[36]。妊娠期和哺乳期，母鼠饲喂高脂或低脂饲粮，添加一定剂量PQQ，均可显著增加胎盘重量和胎盘表面积[37]。肖俊峰等选取妊娠90 d第3胎大约克母猪，饲粮中添加60 mg·kg-1维生素E和0.20 mg·kg-1有机硒作为对照，试验组在基础饲粮中添加1 mg·kg-1PQQ至分娩后1周发现，母猪产期、产（活）仔数、仔猪初生窝重、平均初生重及产后1周仔猪平均日增重等各项生长性能均提高，但未达显著水平[38]。综上，饲粮中PQQ量不足，或对照组维生素E（VE）和硒（Se）影响母猪生长繁殖性能，导致差异未达显著效果。PQQ在母猪生产上的应用价值及最适添加量需深入探讨。

4.2 对动物脂质代谢调节

肝脏为脂质代谢、脂肪合成主要场所，PQQ对脂质代谢具有明显调控作用。

PQQ调节禽类脂质代谢表现为，减弱由高能低蛋白或高脂高糖日粮导致的蛋鸡肝脏和血清总胆固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-c）含量升高，提高高密度脂蛋白胆固醇（HDL-c）含量，保护蛋鸡肝脏细胞免受损伤[39-40]。提高肝细胞内β-氧化速率与脂质代谢相关的重要基因如脂肪酸结合蛋白（FABP）等表达，促进肝细胞内脂肪酸β-氧化，改善体内脂质代谢，减少肝内脂质堆积，降低肝细胞功能损伤。

PQQ调节哺乳动物脂质代谢表现为，向早期妊娠母鼠日粮中补充PQQ，母鼠肝脏TG含量降低，脂质分解代谢调控蛋白和氧化基因表达量增加，即上调多种Pparg亚基（Pparg1介导脂肪生成和Pparg2保护肝脏，防止脂毒性）和脂肪酸氧化基因（Cpt1a和Acadm）表达量，对肥胖小鼠肝脏脂毒性具有持续性降低作用[37]；影响母鼠脂质代谢相关基因mRNA水平，促进细胞内脂肪分解[41]。

4.3 对动物抗氧化能力影响

动物日粮中加入适量PQQ，可发挥抗氧化应激作用。有关禽类研究发现，饲粮中添加一定水平PQQ可显著降低蛋鸡、肉仔鸡血浆丙二醛含量，显著提高肝脏超氧化物歧化酶活性（SOD）和总抗氧化能力（T-AOC），增强蛋鸡、肉仔鸡机体抗氧化能力[31]。近年研究表明，每只鸡PQQ添加量为0.08～0.12 mg·d-1时，可明显改善蛋鸡抗氧化应激能力[34,42]。

有关哺乳动物研究发现，向90 d妊娠母猪日粮中添加1 mg·kg-1PQQ，可提高初生仔猪和母猪血清SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性及GSH含量，显著降低MDA水平，较VE和Se对围产期母猪及仔猪具有更好抗氧化功能[38]。

PQQ可增加肝脏内线粒体数量、使线粒体中氨基酸发生变化发挥抗氧化作用[43]。Begriche等研究发现，缺乏PQQ小鼠肝细胞内线粒体含量减少30%～40%，线粒体面积减少30%，呼吸控制作用减弱，从细胞中分离出活性线粒体低于50%，抑制线粒体功能，日粮中添加PQQ 200～300μg·kg-1时即可恢复[44]。PQQ对蛋鸡肉鸡抗氧化能力研究较为全面，哺乳动物抗氧化研究较少，PQQ抗氧化能力尚待深入研究。

4.4 免疫功能调节

PQQ可调节机体促炎性细胞因子表达，促进免疫细胞、免疫器官发育和细胞中线粒体功能等提高机体免疫能力。以脂多糖（LPS）诱导巨噬细胞，通过炎症反应抑制作用发现，PQQ可抑制THP-1细胞炎症因子IL-6、TNF-α、IL-1β释放，表明PQQ可抑制炎性细胞因子发挥抗炎效果。PQQ可降低LPS诱导THP-1细胞NF-κBp65蛋白表达，减少炎症因子大量释放，上调LPS诱导THP-1细胞Nrf2表达以抵抗炎症[45]。

为探讨PQQ体内免疫功能调节作用，Jonscher等向小鼠高脂饲粮中添加PQQ，小鼠促炎基因（Nos2、Nlr3、Il6和Ptgs2）表达量降低，机体免疫力提高[37]。此外，Ghirmay等研究发现，日粮中添加0.1 mg·kg-1PQQ·Na2可提高血浆溶菌酶水平，促进肉仔鸡免疫器官发育，试验21 d时，添加PQQ·Na2对脾脏和法氏囊无影响，但可促进胸腺发育，增加胸腺重量；42 d时，对胸腺和法氏囊无影响，但可促进脾脏发育，提高机体免疫水平[46]。PQQ对动物免疫功能调节研究尚需深入。

5 PQQ生物安全性

PQQ可否作为新型饲料添加剂，其安全性分析尤为重要。赵芹用50～400 nmol·L-1PQQ·Na2处理肝脏细胞，对存活率无影响，表明此浓度范围对蛋鸡原代肝细胞无毒性作用[39]。孙光明等在肉仔鸡饲粮中添加0、0.3、1.5和3.0 mg·kg-1PQQ·Na2发现，主要脏器发育均无不良影响，无组织病理学变化，无毒性反应[47]，证明PQQ对禽类安全。哺乳动物安全性研究中，王丽云等使用3.8、7.5、15 mg·kg-1PQQ对大鼠作90 d口服试验发现，PQQ毒性较低，无明显致突变作用，最高浓度时仍未观察到毒害作用[48]。鼠体内微核测定发现，PQQ剂量为2 000 mg·kg-1时对体内骨髓红细胞无基因毒性效应，PQQ·Na2无遗传毒性[49]。

目前研究表明，PQQ对动物组织无明显毒性效应，生物安全性良好，但研究存在不足：①动物选择范围较窄，猪、牛等研究存在空白；②肾脏为PQQ代谢主要器官，但肾脏毒理研究较少，有待进一步探究。

6 小 结

PQQ作为一种天然抗氧化剂，其促进动物生长、提高繁殖及生产性能、提高机体免疫力、调控脂质过氧化等作用被日益关注，未来将在饲料添加、动物生产等领域发挥重要作用。