丝氨酸的生理功能及其在猪生产中的应用研究进展

周腊枚，周锡红

（1.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，动物营养生理与代谢过程湖南省重点实验室，湖南长沙 410125）

生猪养殖业是畜牧业的重点产业之一，也是我国现代农业产业发展建设的重要组成部分。传统营养理论认为，按照氨基酸组成和比例与体组成相吻合的理想氨基酸模式配制日粮，可以保障猪的健康生长，充分发挥猪的生长性能。关于氨基酸在生猪养殖中的大量研究主要集中在日粮中氨基酸的营养需要和各类必需氨基酸的配比。随着对日粮氨基酸营养研究的进一步深入，许多条件性必需氨基酸（如酪氨酸、脯氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺、瓜氨酸等）的缺乏也会严重影响机体的健康和生理功能。因此，深入探究条件性必需氨基酸的功能一直是猪氨基酸营养研究的热点之一。

丝氨酸可以依靠体内合成途径满足机体需要，因此在传统营养学中被归类为非必需氨基酸。但近年来研究发现，丝氨酸位于机体多个生物代谢过程的关键节点，在细胞增殖分化、氧化还原状态、神经系统发育和机体免疫功能等方面都发挥着不可或缺的作用，是维持动物机体健康和正常生理功能必不可少的一种氨基酸。本文主要综述了丝氨酸的生理功能及其在养猪生产中的应用研究进展，以期为丝氨酸在生猪养殖中的广泛应用提供一定的理论依据。

1 丝氨酸的主要来源及结构

丝氨酸是一种含羟基的氨基酸，最初是通过硫酸水解蚕丝分离获得，故命名为丝氨酸。目前，动物机体中丝氨酸主要有3个来源：①从头生物合成途径，主要经过3个步骤，即由3-磷酸甘油酸脱氢酶、磷酸丝氨酸转氨酶和磷酸丝氨酸磷酸酶催化糖酵解中间体3-磷酸甘油酸生成；②直接由甘氨酸转化生成；③日粮中摄入的蛋白质和磷脂的周转。前2个途径属于内源性合成，后者则属于外源摄入，这3个来源途径在动物体不同器官以及不同生长和发育阶段发挥不同的优势作用。例如，动物肝脏中的丝氨酸主要是经丝氨酸羟甲基转移酶催化甘氨酸转化而来，而肾脏中的丝氨酸主要来源于从头生物合成途径。目前，已经发现的3种来源途径中，从头生物合成途径是机体丝氨酸的主要来源。如果动物体这一途径被阻断，其他2个来源途径通常不能满足机体对丝氨酸的需求。

丝氨酸化学分子式为CHNO，相对分子质量为105.09，熔点为240℃，有-丝氨酸和-丝氨酸2种类型，其结构式如图1所示。机体主要利用-丝氨酸合成蛋白质，-丝氨酸则与神经系统功能有关。目前，工业上生产丝氨酸的方法主要有水解提取法、化学合成法、前体发酵法以及生物酶法。纯品丝氨酸外观为白色结晶体或结晶粉末，有微甜的气味，易溶于水和甲酸，不溶于有机溶剂。

图1 丝氨酸结构式

2 丝氨酸的生理功能

丝氨酸在传统营养学中虽被归类为非必需氨基酸，但它参与机体代谢网络，对一系列代谢过程和机体功能的维持都至关重要。越来越多的研究证实，体内的丝氨酸不仅可以作为蛋白质合成的底物，还能够通过自身及其代谢产物所具有的生物活性调节机体的生理功能。

2.1 丝氨酸促进细胞增殖分化 丝氨酸是一碳单元的供体，而一碳单元可以作为核苷酸的合成底物以维持机体细胞的高增殖率。若靶向破坏催化丝氨酸从头合成的第1个关键酶3-磷酸甘油酸脱氢酶，会导致丝氨酸缺失，细胞的增殖速度减缓。Metcalf等研究发现，在内源生物合成途径发生障碍的同时，去除培养基中的丝氨酸能够明显抑制HCT116细胞（一种人类结肠直肠癌细胞系）的增殖分化。此外，有研究发现，癌细胞对外源性丝氨酸的消耗非常旺盛，在各类氨基酸中仅次于谷氨酰胺。Gao等研究结果显示，与含丝氨酸的培养基相比，不含丝氨酸的培养基中的HCT116细胞增殖分化受到了抑制。这些研究表明丝氨酸对细胞增殖分化是非常重要的。

骨骼肌的形成是一个高强度代谢和动态的过程，包括单核成肌细胞的增殖、分化和融合，最终形成多核的肌管。Brearley等研究发现，随着C2C12细胞向肌源性细胞分化的发生，参与丝氨酸从头生物合成途径的3个关键酶（3-磷酸甘油酸脱氢酶、磷酸丝氨酸转氨酶和磷酸丝氨酸磷酸酶）的基因表达在分化第2天上调，且与肌细胞生成素的基因表达升高相一致。Sim等也发现，外源添加丝氨酸会增加C2C12细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的含量以及与线粒体生成相关基因的表达，并激活沉默信息调节因子1（Silent Information Regulator 1，SIRT1，一种依赖NAD的去乙酰化酶，其功能与细胞代谢和线粒体生成有关），加快线粒体生成，使线粒体数量增多，从而保证骨骼肌细胞的增殖。这些结果表明，肌细胞在分化过程中对丝氨酸的需求增加，提示丝氨酸可能促进肌细胞分化。

2.2 丝氨酸提高抗氧化功能 丝氨酸作为维持氧化还原状态的重要物质谷胱甘肽的合成底物，可促进机体蛋氨酸循环和谷胱甘肽合成，发挥抗氧化作用。Wang等发现，在长期饲喂-半乳糖诱导的小鼠衰老模型中，日粮丝氨酸缺失可加剧小鼠的炎症和氧化应激反应，导致小鼠的存活率降低。Zhou等在高脂日粮诱导小鼠的氧化应激模型中，发现妊娠母鼠日粮添加1%丝氨酸可显著提高谷胱甘肽水平和谷胱甘肽合成相关基因的表达，减轻高脂日粮诱导小鼠肝脏的炎症和氧化应激反应。He等以猪肠上皮细胞（IPEC-J2）为研究对象，发现正常情况下，培养基中丝氨酸的缺失对IPEC-J2细胞氧化还原状态无显著影响；但过氧化氢诱导细胞发生氧化应激后，丝氨酸缺失会加剧细胞氧化应激；而外源补充丝氨酸可促进谷胱甘肽合成和激活Nrf2信号通路，从而缓解氧化应激。这些结果表明，在氧化应激条件下，丝氨酸从头生物合成途径不能满足机体对抗氧化应激的需要。

2.3 丝氨酸改善免疫功能 丝氨酸可通过介导嘌呤核苷酸的从头合成和一碳代谢来支持T细胞的增殖；活化的T细胞再上调参与丝氨酸从头合成途径以及一碳代谢通路的基因的表达，进而直接调节T细胞介导的适应性免疫。在机体发生炎症或感染的情况下，丝氨酸水平显著降低。因此，机体需要依赖外源补充丝氨酸。Kitamoto等研究发现，小鼠感染巴氏杆菌会造成体内丝氨酸水平和免疫功能下降，外源添加丝氨酸则可减少体内巴氏杆菌的数量，缓解机体炎症反应和增强免疫功能，并显著提高小鼠的存活率。Rodriguez等的研究结果也表明，丝氨酸从头合成途径的抑制会使巨噬细胞中白介素-1（IL-1）的表达降低，从而导致小鼠免疫力低下和存活率显著下降。

2.4 丝氨酸促进神经元生长-丝氨酸可作为胶质细胞的强效营养因子促进胶质细胞释放-丝氨酸。-丝氨酸与N-甲基--天冬氨酸（NMDA）受体亚型结合实现调控突触传递、神经元兴奋性等重要功能。研究发现，丝氨酸合成障碍（如3-磷酸甘油酸脱氢酶或磷酸丝氨酸转氨酶无表达或表达下降）会引起严重的神经症状，表现为先天性小头畸形、癫痫和精神运动迟缓等。Savoca等和Yamamoto等研究表明，在神经元培养基中添加丝氨酸可有效维持神经元的活性，增加细胞的延伸和分支，且丝氨酸作用呈现出浓度依赖性。以上研究结果说明，丝氨酸可以促进神经元的生长、分化，加强树突伸长、分支和突触形成，是大脑发育和功能维持的重要营养物质。

3 丝氨酸在养猪生产中的应用

猪生产过程中的不同阶段会遇到多种因素引起的应激，机体发生应激会破坏自由基代谢，导致机体产生严重的氧化应激反应，降低生产性能，减少经济效益。丝氨酸作为维持机体氧化还原状态的重要物质谷胱甘肽的合成底物，能够缓解机体因氧化应激所引起的炎症反应，并改善机体的抗氧化功能，从而在养猪生产中的各个阶段发挥功能作用。

3.1 丝氨酸在仔猪中的应用 仔猪新陈代谢旺盛，生长速度非常快，这个阶段与养猪的生产效益有直接关联。由于仔猪消化器官和消化系统发育不完全以及自身免疫功能尚未健全，仔猪断奶应激会对仔猪胃肠道产生极大的刺激和伤害，使仔猪的肠道屏障功能下降，导致消化不良、腹泻和抑制生长。因此，仔猪断奶引起的氧化应激是影响仔猪生长发育的关键因素。有研究显示，在氧化应激条件下，仔猪血浆丝氨酸浓度明显降低。Zhou等研究结果表明，在21日龄断奶仔猪日粮中添加0.2%丝氨酸可显著提高断奶仔猪日增重，降低腹泻发生率。此外，断奶会使肠上皮细胞凋亡增加和再生失败，导致绒毛萎缩和隐窝加深；使肠道紧密连接蛋白表达减少，导致肠道屏障功能发生障碍。而丝氨酸有利于维持仔猪肠道绒毛的完整性，促进肠道紧密连接蛋白的表达和抑制肠上皮细胞凋亡，且丝氨酸可能通过抑制炎症和氧化应激反应来缓解断奶应激。这些结果说明，饲粮中添加丝氨酸能有效缓解仔猪断奶引起的氧化应激和炎症反应，并改善断奶仔猪的肠道功能，表明丝氨酸可作为一种潜在的饲料添加剂应用于断奶仔猪。

除上述生物学功能外，丝氨酸还可与微量元素硒发挥协同作用改善猪的抗氧化性能。硒是机体的重要抗氧化物质，且主要通过硒蛋白发挥作用。硒蛋白会抑制脂质过氧化，并清除代谢产物自由基，增强机体抗氧化功能，抑制炎症的发生，进一步保障机体膜结构和功能的完整性。而硒蛋白合成过程中需要丝氨酸参与。Long等研究结果发现，日粮添加0.25%或0.50%丝氨酸可以显著提高28日龄断奶仔猪肌肉和肝脏中硒蛋白的表达和硒蛋白酶的活性。这一研究结果表明，丝氨酸可能提高硒向硒蛋白转化的利用率，进而提高机体抗氧化能力。

3.2 丝氨酸在育肥猪中的应用 在养猪生产过程中存在很多使机体发生氧化并影响猪肉品质的因素，其中育肥阶段日粮中营养物质的组成及比例和屠宰前应激是重要影响因素之一。研究表明，育肥阶段机体过量的活性氧积聚会使细胞膜结构和功能受到破坏，导致蛋白质变性、脂肪发生氧化，不仅会导致动物体质量降低与死亡率增加，还会使肉的商品价值降低。

丝氨酸具有显著的抗氧化作用，且丝氨酸和甘氨酸可直接互相转化。而甘氨酸和半胱氨酸可以直接结合成谷胱甘肽，参与调节动物体氧化还原状态。刘永辉等研究发现，在低蛋白日粮条件下，当育肥阶段日粮中丝氨酸和甘氨酸比例为1:2时，背最长肌中氧合肌红蛋白含量显著增加，且谷胱甘肽过氧化物酶基因表达量升高。此外，Zhou等研究发现，日粮中丝氨酸和甘氨酸比例为1:2时可促进脂肪在育肥猪背最长肌沉积并提高氧化型肌纤维的数量；丝氨酸和甘氨酸在该比例下通过调控脂肪酸氧化相关基因启动子甲基化水平从而影响脂肪代谢，还可以通过激活AMPK和钙调蛋白信号通路促进肌纤维转化。这些结果表明低蛋白日粮条件下，丝氨酸可在不影响生长性能的前提下改善育肥猪的肉品质。

肉色是猪肉品质最直观的外观评价指标。猪宰前应激导致自由基及其氧化物的增加会破坏高铁肌红蛋白还原酶，导致猪肉中肌红蛋白和氧合肌红蛋白氧化，使血红素亚铁（Fe）生成正铁肌红蛋白（Fe），导致猪肉颜色变暗。刘永辉等研究结果发现，相比于正常蛋白质饲粮（16%粗蛋白质），降低4百分点的低蛋白质饲粮会引起育肥猪肌肉中氧合肌红蛋白含量降低，高铁肌红蛋白含量升高；当低蛋白质饲粮中丝氨酸和甘氨酸比例为1:2时，育肥猪背最长肌OxyMb（Fe）含量升高，MetMb（Fe）含量降低。这一研究结果表明，日粮中丝氨酸和甘氨酸在该比例下有利于缓解育肥猪屠宰后背最长肌的氧化应激。

3.3 丝氨酸在母猪中的应用 母猪的繁殖性能是决定猪场经济效益的关键因素之一，母猪妊娠期和泌乳期是母猪生产的关键时期。妊娠后期，胎儿生长速度加快，胎盘的代谢强度增加，加之此时需要将母猪转至分娩舍，母体自身生理状况与外部环境迅速变化，机体会产生大量的自由基，使其遭受严重的氧化应激，导致母猪处于亚健康状态和繁殖性能下降。

丝氨酸可促进机体蛋氨酸循环和谷胱甘肽合成，对于机体抗氧化防御系统具有重要作用。有研究发现，母体丝氨酸可以通过表观遗传机制来调节子代机体内合成谷胱甘肽相关基因的表达量来缓解氧化应激反应，说明母体来源的丝氨酸传递对维持断奶子代的抗氧化功能十分重要。He等研究发现，当妊娠后期和哺乳期母猪饲粮中丝氨酸含量为基础日粮的125%时，仔猪初生重以及21 d时的断奶体重均显著增加；进一步通过代谢组学分析发现，丝氨酸主要通过参与嘌呤嘧啶合成、谷胱甘肽与牛磺酸合成以及磷酯和鞘脂类代谢来发挥促生长作用。此外，Zhou等研究发现，母猪饲粮中添加丝氨酸可显著提高母猪和后代仔猪血清中硒蛋白P含量，且硒蛋白P含量与仔猪日增重呈正相关；这一结果提示丝氨酸可能通过改善仔猪硒营养状态从而提高后代仔猪生长性能。另有研究报道，妊娠后期和哺乳期母猪饲粮中补充适量丝氨酸，即妊娠后期日粮丝氨酸水平为0.83%、哺乳期日粮丝氨酸水平为0.99%时，母猪血清中谷胱甘肽过氧化物酶活性显著升高，且后代仔猪谷胱甘肽过氧化物酶4基因表达量也升高。这些结果提示丝氨酸可提高泌乳母猪的抗氧化能力，同时母体可通过胎盘或乳汁方式将抗氧化物质等传递给仔猪来提高仔猪的抗氧化能力，以促进其健康生长。

4 小 结

长期以来，由于丝氨酸在营养学上一直被认为是一种非必需氨基酸，其在养猪生产中应用未受关注。近年来，随着丝氨酸在抗氧化应激、提高免疫力和保护肠道健康等方面的研究不断深入，开始将丝氨酸作为一种功能性氨基酸在猪上进行了探索性研究。但目前关于丝氨酸在养猪生产中的研究还处于初步阶段，还有很多问题亟待解决。例如，生猪养殖的各个阶段（如哺乳仔猪、断奶仔猪、生长猪和肥育猪）日粮丝氨酸的最适添加水平；日粮中丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸的最适比例；日粮中添加丝氨酸的有效性和耐受性等问题。基于丝氨酸诸多的生物学功能，随着人们对丝氨酸营养作用和调控机制更加深入的研究和认识，丝氨酸作为一种潜在的饲料添加剂在养猪生产中将得到越来越广泛的应用。