吡咯喹啉醌对动物抗氧化性能影响的研究进展

王子腾 郭勇 陈余 王梁 盛熙晖 王相国 邢凯 倪和民 齐晓龙

摘要吡咯喹啉醌是一种不同于烟酰胺核苷酸和黄素核苷酸的新型氧化还原辅助因子，广泛存在于微生物、动物、植物及人体内。吡咯喹啉醌可催化氧化还原反应，对动物植物生长发育具有促进作用，其在生产和应用中的形式多为吡咯喹啉醌二钠（PQQ·Na 2）。综述了吡咯喹啉醌对动物抗氧化能力的影响作用及相关机理的研究进展，为吡咯喹啉醌在动物生产中的应用提供理论参考。

关键词吡咯喹啉醌;吡咯喹啉醌二钠;氧化还原;辅助因子;抗氧化;影响作用;机理

中图分类号S816.7文献标识码A

文章编号0517-6611（2020）15-0028-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.008

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on the Effects of Pyrroloquinoline Quinone on Animal Antioxidant Properties

WANG Ziteng1，GUO Yong1，CHEN Yu2 et al

（1.College of Animal Science and Technology，Beijing Agricultural College， Beijing 102206;2.Beijing Animal Husbandry Station， Beijing 100107）

AbstractPyrroloquinoline quinone is a new type of redox cofactor different from nicotinamide nucleotides and flavin nucleotides.It is widely found in microorganisms， animals， plants and humans.Pyrroloquinoline quinone can catalyze the redox reaction and promote the growth and development of animal plants， and its form in production and application is mostly pyrrole quinoline disodium （PQQ·Na 2）.The research progress of the effect of pyrroloquinoline quinone on animal antioxidant capacity and related mechanisms were reviewed，which provided a theoretical reference for the application of pyrroloquinoline quinone in animal production.

Key wordsPyrroloquinoline quinone;Pyrroloquinoline quinone disodium;Redox; Cofactor;Antioxidation;Effect;Mechanism

基金項目现代农业产业技术体系北京市家禽创新团队项目（BAIC04-2019）;2019年北京农学院学位与研究生教育改革与发展项目（2019YJS016）。

作者简介王子腾（1995—），男，天津人，硕士研究生，研究方向：家禽营养调控与繁殖。*通信作者，讲师，博士，从事家禽营养调控与繁殖方面研究。

收稿日期2020-01-17

氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子如活性氧自由基（ROS）和活性氮自由基（RNS）产生过多，氧化程度超出抗氧化物的清除能力，氧化系统和抗氧化系统失衡，导致组织损伤。抗氧化剂可以抑制ROS产生，减少DNA的氧化损伤，降低脂质过氧化，并改善体内抗氧化防御体系，对氧化应激引起的疾病有显著作用。维生素是动物体内最重要的非酶促系统的抗氧化剂，在应激状态下补充适量维生素可以显著提高动物的抗氧化能力，进而提高了动物的抗应激能力。据报道，动物饲料中添加维生素类抗氧化剂，可增加血清中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性，降低血清中丙二醛含量，提高细胞免疫水平。微量元素的抗氧化功能主要体现在硒、铜、锌、锰等元素，具有提高抗氧化酶活性的作用，是机体中自由基消除系统中重要酶的活性中性元素。高惠林[1]研究表明锌源的添加能够提高桃源鸡血清中 SOD 酶活性，降低血清中 MDA 含量，减轻自由基的损伤，从而提高机体的抗氧化能力，在高温条件下更加明显。生物碱可作为活性氧猝灭剂，对肝、肾、血液、肠组织有明显的抗氧化作用，同时表现出较强的清除·OH、O 2·-和有机自由基 DPPH 的体外抗氧化活性。皂苷类的抗氧化作用可能是其延缓衰老、抗动脉粥样硬化、抗缺血再灌注损伤等药理作用的共同作用机制，根据苷元的化学结构分为甾体皂苷和三萜皂苷两类，人参、刺五加、升麻、黄芪、桦木酸中均含有萜类皂苷;麦冬、洋地黄、党参中含有甾类皂苷。吡咯喹啉醌是20世纪 60 年代发现的一种新型维生素，具有刺激细胞生长、 提供动物生长必需的营养因子、 清除自由基以及神经营养和保护等生物学功能，尤其是具有强大的抗氧化性，其抗氧化性能远强于维生素C和维生素E，是一种良好的抗氧化剂。

吡咯喹啉醌（pyrroloquinoline quinone，简称PQQ）是继黄素核苷酸（FMN、FAD）和烟酰胺核苷酸（MAD、NADP）之后，在细菌脱氢酶中发现的第3种辅基，世界医学界称其为第14种维生素。尽管PQQ在哺乳动物中不是由生物合成的，但其在膳食来源中分布广泛，并在人和大鼠组织中发现了痕量的PQQ[2]。啮齿动物的营养研究表明，小鼠和大鼠的PQQ缺乏表现为各种全身反应，包括生长障碍、免疫反应性受损、生殖能力异常和呼吸熵减少[3]。PQQ最初被确定为细菌脱氢酶的氧化还原辅助因子，参与催化生物体内氧化还原反应，其作为一种新型水溶性维生素，还具有预防和治疗疾病等生物学功能。近年来，PQQ因其抗氧化性和药理作用而备受关注。

1PQQ化学结构和性质

1.1PQQ的化学结构

PQQ的化学名称为4，5-二氢-4，5-二氧代-1H-吡咯并[2，3-f]喹啉-2，7，9-三羧酸，化学式为C 14H 6O 8N 2，是一种芳香族三环邻醌，在氧化还原循环中可接受1个或2个电子，可作为细菌脱氢酶的假体[4-7]。PQQ 有醌型（PQQ，氧化型）、半醌型（PQQ·）和氢醌型（PQQH 2，还原型）3种存在形式[8]，在许多动物组织中表达。该辅酶是一种对热稳定性较好的水溶性阴离子化合物，能稳定地与氨基酸、巯基及氨相互作用。质子化形式的PQQ仅在水中轻微溶解，PQQ的三羧酸在中性pH水中解离，由于PQQ二钠盐（PQQ·Na 2）在废水中具有高溶解度，通常用于各种检查。相较于自由形式的PQQ，PQQ·Na 2因为其水溶性，在各种试验应用中具有优势，PQQ·Na 2更有利于应用在生产或试验中。PQQH 2是还原型吡咯喹啉醌，有研究表明PQQ在整个细胞中以还原形式存在且起抗氧化作用[9]。通过与还原剂如NADPH、硼氢化钠、谷胱甘肽或半胱氨酸反应，PQQ转化为PQQH 2。体外研究表明，PQQ的还原形式（PQQH 2）具有抗氧化能力。维生素C被称为活性最强的水溶性抗氧化剂，PQQH 2的芳酰基放射性清除活性比维生素C高7.4倍。PQQH 2的单线态氧猝灭活性比维生素C高6.3倍，PQQH 2在单线态氧猝灭反应中起催化作用。 此外，PQQH 2可以快速地将2个α-分裂的卟啉自由基转化为α-生育酚。结果表明，α-生育酚基的促氧化作用被PQQH 2的共存抑制[10]。

1.2PQQ的化学性质

PQQ是一种氧化还原活性邻醌，可通过半醌中间体还原成吡咯喹啉醌醇。已有研究表明，PQQ具有较强的稳定性，可作为多种有机底物到分子氧（O 2）有效电子转移的催化剂[11]。在抗坏血酸盐、NAD（P）H和硫醇化合物如谷胱甘肽存在下，PQQ可发生双电子还原并形成PQQH 2。随后，PQQH 2与2倍剂量的O 2反应，O 2转化为超氧化物阴离子（O 2-），而PQQH 2还原为PQQ，其自发或酶促歧化成过氧化氢（H 2O 2）[10]。特定条件下，PQQ能催化连续的氧化还原循环，因此1 pmol的PQQ能够产生1 μmol的产物。同时，PQQ可通过形成活性氧（ROS）发挥促氧化作用，如O 2和H 2O 2，在特定条件下通过其氧化还原循环诱导氧化蛋白质修饰，包括半胱氨酰硫醇的氧化。PQQ可催化伯胺的氧化，弹性蛋白和胶原蛋白中赖氨酸残基的ε-氨基在有氧条件下可形成席夫碱。在Cu2+存在下，PQQ使弹性蛋白氧化并促使2-氨基己二酸半醛残基形成，最终导致其衍生的共价交叉链接。PQQ在动物机体中可与氨基酸反应形成咪唑衍生物，如咪唑吡咯喹啉醌，这些衍生物也具有生物活性[11]。

据报道在细胞培养试验中，PQQ·Na 2可防止氧化应激诱导的神经元死亡。已有研究表明，PQQ可阻止6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导的多巴胺神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y和原代大鼠神经细胞死亡，其预防作用强于维生素C和维生素E[12]。6-OHDA是一种神经毒素，它会损害线粒体复合物I，并产生ROS，例如O 2、羟基自由基和H 2O 2。

2PQQ的天然来源

PQQ在自然界中普遍存在，同时存在于各种日常膳食中，包括发酵大豆（纳豆）、茶、绿豆、欧芹、猕猴桃和人乳。由于PQQ的抗氧化性等生物活性受到越来越多关注，很多国内外生物科技公司开发出分析PQQ的仪器和生物测定方法，但食物中PQQ的含量在不同报告中有所不同，因为PQQ具有化学反应性，容易与其他营养素形成衍生物或缩合产物。Xu等[13]开发了一种基于气相色谱/质谱（GC/MS）的同位素稀释方法，在用苯基三甲基氢氧化铵衍生化后，用同位素稀释法测定游离PQQ，使用这种分析方法可以确定PQQ含量，包括蔬菜水果在内的各种食品中游离PQQ的水平。最近使用液相色谱/电喷雾-电离串联质谱（LC/MS/MS）方法对PQQ进行的分析表明，各种食物样品中存在的游离PQQ浓度为0.19～7.02 ng/g[14]。根据现有的食品成分数据，估计人类每天消耗0.1～1.0 mg PQQ及其衍生物。

PQQ在高等生物中的合成途徑尚未明确，因此，可认为这些生物（包括植物和动物）中PQQ的主要来源是微生物。PQQ生物合成的机制还没有得到解决，但已基于许多细菌中保守序列的功能提出了推定的途径。大多数合成PQQ的细菌在操纵子中含有6种基因（PqqABCDEF），这些基因已经在非PQQ生产者大肠杆菌中表达并产生PQQ[15]。对6种基因进行基因敲除，研究显示6种基因产物中有4种是合成PQQ所必需的基因产物，分别为PqqA、PqqC、PqqD和PqqE。一般情况下，PqqA编码一种小多肽，长度为20～30个氨基酸，含有保守的谷氨酸和酪氨酸，并作为PQQ生物发生的主干。谷氨酸和酪氨酸经历翻译后修饰以形成中间体3a-（2-氨基-2-羧乙基）-4，5-二氧代-4，5，6，7，8，9-六氢喹啉 - 7，9二羧酸（AHQQ）[16]。在这4种基因中PqqC最具特点，PqqC已被证明可催化AHQQ的八电子氧化和环化，形成PQQ。 据报道，人体肠道内常见的细菌菌株可合成很少量的PQQ，可推测饮食摄入量是人体PQQ的主要来源[17]。

3PQQ对动物机体抗氧化性能的影响

3.1PQQ对家禽抗氧化性能的影响

PQQ作为饲料添加剂，在动物生产中具有重要作用，可促进肉鸡生长和蛋鸡抗氧化性能。张玉等[18]在肉仔鸡日粮中添加0.2 mg/kg 吡咯喹啉醌二钠盐（PQQ·Na 2），探讨正常生长状态下PQQ·Na 2对肉仔鸡生长性能和抗氧化防御系统的影响，结果表明，与对照组相比，日粮添加0.2 mg/kg PQQ·Na 2提高了肉仔鸡饲料效率，显著改善了生长性能，改善作用在肉仔鸡生长后期尤为明显。PQQ·Na 2可促进肉仔鸡免疫器官发育，日粮添加01 mg/kg PQQ·Na 2可提高血浆溶菌酶水平。日粮添加0.2 mg/kgPQQ·Na 2可提高42日龄肉仔鸡屠宰性能、血浆抗氧化能力，降低血浆脂质过氧化物含量。因此， 添加PQQ·Na 2可提高肉仔鸡血浆抗氧化能力，降低血浆脂质过氧化含量，其作为肉仔鸡生长促进剂应用于生产，最佳添加剂量为0.2 mg/kg。赵芹等[19]选用29周龄海兰褐产蛋鸡，设对照组、病理组和PQQ预防组，分别饲喂基础日粮、高能低蛋白日粮及添加PQQ的高能低蛋白日粮，结果表明，与对照组相比，饲粮添加PQQ可显著抑制高能低蛋白质饲粮引起的血浆超氧化物歧化酶活性的降低和丙二醛含量的升高。由此可见，饲粮添加PQQ可降低肝脏内脂肪含量，改善蛋鸡脂质代谢和机体抗氧化能力。

3.2PQQ对哺乳动物抗氧化性能的影响

PQQ可促进哺乳动物抗氧化性能。唐靓等[20]使用H 2O 2诱导PC12神经细胞氧化损伤，随后用PQQ（0、10、20、40 mg/kg） 对18月龄雄性SD大鼠进行灌胃，发现各剂量组大鼠血清和脑组织中丙二醛、脑组织中脂褐素水平降低， 中、高剂量组（20、40 mg/kg）血清和脑组织中超氧化物歧化酶水平、谷胱甘肽过氧化物酶活力以及脑组织中抗氧化能力增强，结果表明PQQ可修复神经细胞的氧化损伤， 证实PQQ能够在体内与大脑中同样发挥抗氧化作用， 增强衰老大鼠学习记忆能力。有报道称缺乏PQQ的实验小鼠会患不育症，出现繁殖能力低下等现象，并存在捕食幼鼠的行为，其后代表现皮肤松弛、脱发、驼背等症状[21]。肖俊峰等[22]选用40只体况相似且妊娠90 d的大约克夏母猪，在基础日粮中添加1 mg/kg PQQ，结果表明，饲粮添加PQQ显著提高了初生仔猪和母猪血清总超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶活性及还原型谷胱甘肽含量，显著降低了血清丙二醛含量，对血清过氧化氢酶活性、总抗氧化能力及氧化型谷胱甘肽含量均无显著影响。围产期饲粮中添加PQQ对母猪繁殖性能无显著影响，能增强围产期母猪及初生仔猪的血清抗氧化性能。

4PQQ对动物机体抗氧化影响的作用机理

细胞生物氧化需要活性氧自由基（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[23-27]。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 PQQH 2形式存在，清除ROS 能力为维生素C的7.4倍[28]。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[29]。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的主要场所，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[30]。PQQ 可保护线粒体免受氧化损伤，减少细胞死亡，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[31-33]。此外，在大鼠模型体内发现明显的缺血损伤减少，例如心血管或脑缺血模型，其潜在的保护机制是PQQ作为抗氧化剂清除O 2，保护线粒体免受氧化应激诱导的损伤。除与PGC-1a相互作用外，PQQ还可以影响ras的活性和DJ-1的活动。ras是一种致癌基因，对动物生长和发育阶段的信号转导过程很重要。PQQ可以刺激c-Ha-ras转化的NIH3T3小鼠成纤维细胞，并导致细胞增殖分化[34]。DJ-1参与细胞氧化应激反应，DJ-1中的常染色体突变导致帕金森病[35]。DJ-1和PQQ之间的相互作用会促进整体细胞自身调节。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。

5小结

PQQ已被证明是一种普遍存在的物质，它影响着众多的生理和生化过程。根据最近的观察，PQQ在口服给药中没有毒性和遗传毒性，因此口服补充PQQ将是改善动物机体健康状况的有效方法。另一方面，PQQ作用的精确分子机制尚未完全解决。在现代化畜牧生产中，畜禽生長过程中会受到各种应激和不利因素，这些都会影响畜禽生长发育，改变动物机体的状态，诱发不良症状，PQQ在饲料中的应用可能会对动物机体有改善作用。迄今为止，PQQ被认为是抗氧化性最强的生物活性物质，且PQQ对动物机体的各种调控作用的研究开展了近30年，对PQQ的深入研究可以产生巨大的经济效益和社会意义。关于PQQ作为营养因子发挥的作用、抗氧化机理、生物合成途径还有待进一步研究。

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