牛磺酸对水生动物主要营养代谢和基因表达的影响及机理

■ 许友卿 刘晓丽 郑一民 李伟峰 丁兆坤*

(1.广西北部湾海洋生物多样性养护(北部湾大学)重点实验室，广西钦州535011；2.广西大学水产科学研究所广西高校水生生物健康养殖和营养调控重点实验室，广西南宁530004)

牛磺酸(Taurine，Tau)是一种β-氨基酸。牛磺酸以较高浓度存于大多数机体细胞中，其中可兴奋组织细胞的牛磺酸浓度特别高[1]。鉴于牛磺酸的广泛分布和诸多保护细胞的功能[2]，以及牛磺酸在细胞发育、营养和生存中的重要作用[3]，毫无疑问，牛磺酸是机体最必需的物质之一。再者，越来越多的证据表明，缺乏牛磺酸会导致各种病理状况[4-6]。动物缺乏牛磺酸不仅导致病变，而且还缩短其寿命[7-8]。用牛磺酸能治疗糖尿病、肥胖和代谢综合症相关的疾病[9-11]。牛磺酸显示越来越多的重要功能，其中最值得注意的是，牛磺酸对细胞的保护作用极大地改变了人和动物的健康和营养状况，牛磺酸不仅调节细胞的基本功能，而且同时改变细胞生存和死亡间的平衡[1]。

对海洋鱼类和一些淡水鱼类而言，牛磺酸是必需营养素[12]。牛磺酸在鱼类营养、代谢、免疫调节、诱食、生长发育、繁殖、调节渗透压、细胞膜保护和抗缺氧等方面都发挥重要的作用[13-16]。在投喂以浓缩大豆蛋白为基础日粮的石首鱼(Totoaba macdonaldi)的试验中，牛磺酸发挥重要的代谢调节作用，能增强全面代谢和减少肝氧化损伤[17]。

鱼的牛磺酸主要是自身合成和从饵料摄取[18]。在某些情况下，机体合成的牛磺酸不能满足其生理需求，故需在日粮中持续供应牛磺酸[19-20]。添加牛磺酸的日粮可提高鱼的生长性能[21-22]，影响鱼的代谢和形态发育，提高鱼的生长率和存活率[12，23-24]。但是，牛磺酸作用的生化机理特别是基因水平的机制仍待阐明[11，25]，有关牛磺酸对水生动物营养素生化代谢的影响及机理尚需进一步研究[26-27]。

本文主要综述牛磺酸对水生动物主要营养素——蛋白质、脂肪、糖类代谢和基因表达的影响及其机理。旨在深入理解、研究、掌握牛磺酸影响水生动物主要营养代谢和基因表达的规律和机理，以便更好地应用牛磺酸调控和促进水生动物生长发育，提高生产效率。

1 牛磺酸可影响水生动物的主要营养素代谢和生长

1.1 牛磺酸能提高水生动物的蛋白质效率，促进生长

牛磺酸可以显著提高饲料中蛋白质的利用率[28]，增加水生动物体内蛋白沉积[29]，促进生长[30]。添加适量牛磺酸，能提高斑点叉尾鮰(Ictalurus punetaus)幼鱼[31]、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)幼鱼[32]、五条鰤(Seriola quinqueradiata)幼鱼[33]、塞内加尔鳎(Solea senegalensis)幼鱼[34]、凡纳滨对虾(Penaeus vanname)[35]、虹鳟(Oncorhynchus mykiss)[36]、军曹鱼(Rachycentron canadum)[37]、牙鲆(Paralichthys olivaceus)[21]和欧洲鲈鱼(Dicentrarchus labrax)[38]的饲料转化率和蛋白质效率，增加鱼体蛋白，促进生长。而且在一定范围内，随着饲料中牛磺酸含量的增加，鱼体粗蛋白含量显著提高(P＜0.05)[39]。Salze等[40]研究发现，随着牛磺酸水平的增加，加利福尼亚黄尾鱼(Xenocypris davidi)蛋白质沉积效率提高，氨基酸分解代谢减少。牛磺酸能提高多种酶活性和激素分泌，进而促进蛋白质代谢。牛磺酸通过促进胃液分泌和提高胃蛋白酶活性，从而加快蛋白质分解[41]。添加适量牛磺酸能显著提高军曹鱼幼鱼胰蛋白酶活性[42]、花鳗鲡(Anguilla marmorata)的胃、肠和肝中蛋白酶的活力(P＜0.05)[43]，进而促进鱼对蛋白质的利用。添加1.0%牛磺酸的饲料可显著提高大菱鲆（Scophthalmus maximus）肝和肠的消化酶活力，促进摄食和蛋白合成，提高特定生长率[44]。牛磺酸可影响鱼多种消化酶的活性，促进代谢，提高鱼的存活率和生长率，有助于鱼体形态发育等[12，23-24]。牛磺酸对于维持鱼类的日粮营养平衡非常重要。Satriyo等[45]发现，含0.45%牛磺酸的日粮能使石首鱼幼鱼生理状况正常化。但是，Liu 等[46]报道，幼龄大菱鲆(Scophthalmus maximus L)日粮的最佳牛磺酸添加量为1%；Zhang 等[27]报道，日粮添加1.2%牛磺酸能显著增加幼龄大菱鲆的生长和消化性能。

可见，上述鱼类实验饲料的牛磺酸含量或添加量相异，这是由于鱼之种类、饲料和环境不同之故，因此，要注意研究于不同饲料组成和环境条件下，不同鱼种和生长阶段对牛磺酸的适宜需求量。

1.2 牛磺酸参与水生动物的脂质消化、吸收和利用，降低脂质积累，提高脂质消化率，促进生长

牛磺酸既能直接提高机体脂肪酶活性[47]，又能与胆汁酸共同作用，促进脂质消化，提高饲料转化率[48]。投喂添加牛磺酸 5、10、15 g/kg 或 20 g/kg 饲料 8 周的鲤鱼(Cyprinus carpio)肠脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶活性均高于对照组，显著改善饲料摄取、消化和吸收[49]。牛磺酸能激活剑鱼(Anoplopoma fimbria)的脂肪酶活性[50]，降低脂肪在鱼体内的沉积，促进脂肪酸氧化和减少脂肪合成的作用[6，51]。Nordrum 等[52]报道，增加血浆中牛磺酸的浓度，能够改善大西洋鲑(Salmo salar)的脂质消化率。牛磺酸可结合胆汁酸促进肠道脂质吸收，也可通过增加PPARα水平恢复脂肪酸氧化。如果缺乏牛磺酸会导致机体呼吸链功能受损，脂肪酸氧化减少[53]。当肝中游离氨基酸和多胺的浓度显著高于对照组，添加低浓度的牛磺酸到高植物蛋白的日粮中与脂质代谢和储存相互作用，共同影响大西洋鲑幼鱼的新陈代谢[54]。

牛磺酸还发挥鱼药的作用。Guimarães 等[55]给受精后10 d 至性成熟的斑马鱼(Danio rerio)投喂含牛磺酸0.2、4.6、5.9 g/kg和13.7 g/kg日粮的植物蛋白饲料，发现鱼体内的脂质和血脂显著减少。Satriyo 等[45]发现，添加低浓度牛磺酸可以调节石首鱼脂质代谢，改善该鱼绿肝，降低其血浆胆固醇和甘油三酯含量。饲料中添加适量牛磺酸能够明显改善大豆浓缩蛋白(SPC)替代鱼粉条件下的鱼类脂肪代谢异常，使其血清甘油三酯和总胆固醇含量均随牛磺酸水平提高而升高[56]。这些研究表明，用牛磺酸不仅可以调节鱼类的正常代谢，还能调节脂肪代谢异常，我们应当更广泛深入地研究之。

1.3 牛磺酸可促进水生动物的糖类代谢

牛磺酸可缓减急性拥挤胁迫引起的青鱼(Mylopharyngodon piceus)血清血糖含量升高[57]，也缓解团头鲂(Megalobrama amblycephala)和黄斑蓝子鱼(Siganus canali-culatus)浅水应激导致的血糖含量升高[58]。用0.02‰牛磺酸浸泡能够显著降低蓝子鱼应激后的血清肾上腺素和葡萄糖水平[59]。牛磺酸还可通过抗氧化、抗炎、保护胰岛β细胞，促进胰岛素分泌，改善胰岛素抵抗作用等，进而降低血糖[60]。Zhang 等[27]报道，牛磺酸通过增强大菱鲆肝糖酵解、葡萄糖转运、糖原合成和抑制糖元异生作用，从而降低血糖水平。然而，牛磺酸对糖代谢的有益作用受碳水化合物水平的影响。牛磺酸与大菱鲆碳水化合物代谢协同作用的潜在机制尚需进一步研究。

牛磺酸也可与激素协同作用或通过刺激激素分泌，促进糖代谢。牛磺酸与胰岛素或类胰岛素可协同作用，促进肌细胞利用葡萄糖，加速糖酵解和增强糖元异生，降低血糖浓度[61]。投喂添加牛磺酸的饲料，能促进草鱼三碘甲腺原氨酸(T3)的分泌，后者通过调节1,6-磷酸脱氢酶而调节糖代谢[62]。

牛磺酸能有效防止代谢综合症，包括改善胰岛素的作用，调节葡萄糖代谢。但是牛磺酸作用的生化机理尚未完全清楚[11]。

2 牛磺酸可影响水生动物的基因表达

牛磺酸可诱导代谢相关基因转录谱变化[63]，改变转录因子[53]，调节基因诱导长寿[7]、蛋白质磷酸化和细胞信号传导等[64-65]。实验证明，牛磺酸促进参与多种代谢和疾病的硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)mRNA 表达[66]。持续添加牛磺酸，可通过海马蛋白表达及磷酸化的某些变化发挥抗抑郁样作用[67]。牛磺酸能显著降低大菱鲆肝3-羟基-3 甲基戊二酸单酰CoA还原酶(HMG-CoAr)mRNA的相对表达量，抑制肝的胆固醇合成，同时增加粪便胆固醇和胆汁酸的排泄，降低肝胆固醇的含量[68]。几种牛磺酸敏感基因已被鉴定出来，这些基因有广泛的细胞功能，如细胞周期进程、细胞信号、死亡和存活、氨基酸代谢、蛋白质合成、蛋白质折叠与衰老等[7]。

3 牛磺酸影响水生动物的主要营养代谢和基因表达的机理

3.1 通过受体发挥作用

牛磺酸降血糖的作用是通过改善胰岛素耐受性，直接作用于胰岛素受体，增加胰岛素的释放和提高胰岛素的敏感性来介导的[69]。

3.2 通过影响基因表达而发挥作用

牛磺酸可通过抗氧化、上调胰十二指肠同源框因子-1(PDX-1)蛋白表达来改善胰岛，发挥其在糖尿病的治疗上的独特作用[70]。牛磺酸能显著降低大菱鲆肝中3-羟基-3 甲基戊二酸单酰CoA 还原酶(HMGCoAr)mRNA 相对表达量，抑制肝中胆固醇的合成，同时增加粪便中胆固醇和胆汁酸的排泄，降低肝中胆固醇的含量[68]。

3.3 通过影响酶活性发挥作用

牛磺酸可通过影响蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性而影响蛋白质、脂肪和糖的代谢。牛磺酸可以诱导糖原合成酶I活力升高，增加糖原合成，同时降低糖原磷酸化酶活性，抑制糖原分解[71]。

3.4 通过激素发挥作用

牛磺酸可促进鱼类甲状腺激素分泌，后者调节其生长激素的基因表达和合成，进而促进其蛋白质合成[72]。牛磺酸能够抑制胰腺ATP(KATP)敏感钾通道的活性，导致KATP通道关闭，β细胞去极化激活电压依赖性的Ca2+通道，增加细胞内的Ca2+，从而刺激胰岛素分泌。服用牛磺酸组大鼠(Rattus norvegicus)胰腺的胰岛素比对照组高4.5倍[73]。而胰岛素在调节糖代谢中发挥重要作用。

4 小结与展望

综上所述，牛磺酸具有营养、生理、生化和药理作用，可影响水生动物的代谢、生长和基因表达等。牛磺酸既是营养素又是治疗剂，在鱼类营养代谢、生长发育、免疫、细胞保护、抗缺氧和基因表达等方面都发挥重要的调节作用。由于牛磺酸是一种自然产生的物质，很少有不良反应，因此牛磺酸作为一种有效的治疗剂和营养素的前景光明。然而，牛磺酸作用的机理特别是基因水平的机制尚未清楚。况且牛磺酸对水生动物主要营养素生化代谢的影响及机理特别是分子水平的机制研究是一个新领域，亟需更多探索。

今后应多学科结合，应用新发展的分子生物学技术，进一步研究牛磺酸对水生动物营养代谢和基因表达的影响；研究其他营养因子或非营养因子与牛磺酸的协同或抑制作用；深入研究牛磺酸作用的机理，特别是基因水平的机制，以便更好地掌握其规律，利用牛磺酸调控水生动物代谢和基因表达，促进生长发育，提高水产养殖的生产效率，增加社会效益和经济效益。