辅酶Q 的生物特性及其在宠物食品中的应用前景

■赵梦迪 刘可园 周 宁 李光玉

（1.青岛农业大学动物科技学院，山东青岛 266109；2.吉林农业大学动物科技学院，吉林 长春130118；3.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春130112；4.北京信得威特科技有限公司，北京101300）

辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ）是一种广泛存在于机体细胞中的醌类化合物，又名泛醌（Ubiquinone），由一个苯醌环和多个聚异戊二烯构成的长链相结合而形成的化合物，化学名称为2,3-二甲氧基-5-甲基-6-多聚异戊烯基-1,4-苯醌（反式构型），结构上类似于脂溶性维生素（Bhagavan 等，2007；Nelson 等，2004），室温下为黄色或淡橙黄色结晶粉末。侧链的异戊二烯数量因生物体不同而异，人类为10个，因此也被称为辅酶Q10（CoQ10）；小鼠为9个；大肠杆菌为8个；酿酒酵母为6 个（Wang 等，2016）。它可以自然合成，也可以通过饮食摄取。

1 辅酶Q的生物特性

1.1 辅酶Q在机体内的合成

动物组织中CoQ 合成是一个需要多种酶参与的复杂过程，头部的苯醌环由苯丙氨酸和酪氨酸经过一系列的化学反应合成，该过程包括芳香族氨基酸的转氨作用、还原为乳酸衍生物、脱水和β-氧化成苯甲酸盐或对羟基苯甲酸盐（Olson 等，1967）。在哺乳动物中，CoQ尾部的异戊二烯亚单位是通过甲羟戊酸途径合成的（Stefely等，2017），催化异戊二烯亚单位侧链合成的是聚异戊烯焦磷酸合成酶（PPP synthase），而将侧链转移至醌环上的酶则是PHB-聚异戊烯焦磷酸转移酶（PHB-polyprenyltransferase）（朱旭芬等，2000）。

在正常的体内平衡条件下，CoQ在所有组织和细胞中大量合成，以发挥其生理作用（Siemieniuk 等，2005；Miles，2007）。大多数的CoQ 产生于线粒体内膜，少数在线粒体外产生（Stefely等，2017）。CoQ的浓度会随着体内组织需要能量的不同而变化，心脏所需的能量最高，故而心脏中CoQ 的浓度最高（薛茂云，2010）。动物组织和血清中的CoQ含量会因为衰老、癌症、基因突变和他汀类药物的影响而降低（Crane 等，2002）。人类从19岁到81岁，心脏、胰腺、肾脏和肝脏中的CoQ含量分别下降58%、83%、45%和17%（Kalén等，1989）；从30岁到80岁，皮肤表皮的CoQ含量下降75%（Hoppe等，1999）。动物机体中CoQ水平下降，健康状况必然下降，例如在人体中CoQ10下降达到25%时，许多疾病就会产生，特别是心脑血管疾病。

1.2 辅酶Q在动物机体中的吸收和转运

CoQ是一种亲油性物质，其吸收过程与脂质在胃肠道中的吸收过程相同，在脂质存在的情况下吸收效率增加（Bhagavan 等，2006）。CoQ 主要在小肠中被吸收，其过程与维生素E等亲油性物质类似，首先进入到乳糜颗粒中，并通过淋巴管被运输到循环系统。然后，这些微粒在血液循环中被脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase）转化为乳糜微粒残留物，迅速被肝脏吸收（Bhagavan等，2006；Casagrandea等，2018）。在肝脏中形成脂蛋白复合物，其中58%的CoQ 由低密度脂蛋白（LDL）携带运输，26%由高密度脂蛋白（HDL）携带运输，剩余的16%由极低密度脂蛋白（VLDL）携带运输，然后被分配到心肌、肾上腺、肺等组织中（Mas 等，2010）。血浆中的CoQ 含量主要依赖于血浆脂蛋白的含量（Laaksonen等，1995），血液循环中的CoQ可以在脂蛋白之间重新分布，这可能是为了保护其免受氧化（Bhagavan等，2006）。在动物体内，大约95%的CoQ在血浆中以还原形式存在（Bhagavan等，2007）。通过放射性同位素研究发现，未被吸收的CoQ主要通过胆汁和粪便排出，一小部分最终随尿液排出（Bhagavan等，2006）。

1.3 辅酶Q的生理作用

CoQ是线粒体电子传递链中的辅助因子，在细胞能量代谢中起着基础性的作用，对ATP的产生至关重要。ATP主要在线粒体内膜中产生，CoQ也在这里发挥生理功能（Crane 等，2002）。CoQ 有一个独特的功能是将质子转移到线粒体膜外的同时，把电子从初级底物转移到氧化酶系统，从而形成梯度。当质子通过制造ATP 的酶返回线粒体内部时，推动ATP 形成（Crane 等，2002）。CoQ 传递电子和转移质子的过程是一个循环过程，即“Q 循环”。CoQ 存在3 种不同的氧化还原状态，即完全氧化（CoQ）、部分还原（Co-QH·-）和完全还原状态（CoQH2）。这3 种状态在氧化还原循环中的转化是CoQ 在线粒体呼吸链中作为电子载体发挥作用的基础（Wang等，2016）。

在电子传输链中，CoQ将电子从线粒体呼吸链复合物Ⅰ和Ⅱ传递到复合物Ⅲ。在复合物Ⅲ，质子从基质被泵入到膜间隙，这一过程涉及两个不同的CoQ结合位点。CoQH2在Q0位置被氧化，一个电子传递到细胞色素C（cytC），另一个电子被传递到Qⅰ位置，在这里电子与CoQ结合形成CoQH·-，进而生成CoQ。“Q循环”完成后，在Q0位置形成的氧化的CoQ和在Qⅰ位置形成的CoQH2可以自由地扩散到CoQ池中。随着电子的传递，它们可以与氧气形成超氧化物（O2·-）。超氧化物歧化酶（SOD）将O2·-转化为过氧化氢（H2O2），并通过谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）将其还原为水。另外，CoQ也接收电子传递链之外的脱氢酶的电子，如线粒体3-磷酸甘油脱氢酶（GAPDH）、二氢乳酸酯脱氢酶（DHODH）和电子转移黄素蛋白-辅酶Q氧化还原酶（ETFQOQ）等（Wang等，2016）。

CoQ可以有效地预防DNA损伤，这对线粒体DNA非常重要，因为其氧化损伤比核DNA高10倍，且很难修复。CoQ 可抑制DNA 链的断裂和氧化损伤并增强淋巴细胞中DNA 修复酶的活性（Tomasetti，2001）。CoQ 的抗氧化活性以及其与DNA 修复酶转录激活相关的氧化还原机制中的作用，可以说明CoQ具有保护DNA免受氧化损伤的能力。但是，在这些作用的确切机制仍不清楚（Díaz-casado等，2019）。CoQ作为抗氧化剂和自由基清除剂，能够有效防止炎症信号通路的激活。它可以通过影响核因子-κB（NF-κB）依赖基因的表达发挥多重抗炎作用（Döring等，2008）。细胞和动物模型研究表明CoQ 具有抗炎的作用（Bessler 等，2010；Tarry-adkins等，2016）。在人类的临床研究中发现，CoQ可以降低多种疾病患者的炎症因子水平（Lee等，2012；Sanoobar，2014；Alehagen等，2019）。

2 CoQ在宠物保健和疾病防治中的应用前景

2.1 与年龄相关的疾病辅助治疗

宠物随着年龄增长而产生老化，这是一个自然的、不可逆的过程，表现在渐进性的细胞数量减少（细胞增长补充不够）和渐进性的细胞功能减退（细胞内酶含量减少，有更多的细胞出现变异）（戴庶，2010）。同时，由于机体损伤的积累，会导致宠物出现免疫反应减弱，体力、精力和敏捷性下降，器官衰竭等健康问题。老年宠物面临的心血管疾病、神经病变、炎症、代谢综合征、关节炎、癌变、糖尿病或高胆固醇血症等疾病在机体衰老过程中会逐步恶化，是与年龄相关的主要疾病（Lópezlluch等，2010）。内源和外源产生的活性氧（ROS）被认为与动物机体衰老有关，其中线粒体ROS在衰老过程中起着重要的作用，氧化应激也是导致线粒体功能障碍的主要原因之一（Warraich 等，2020）。CoQ 在线粒体中和抗氧化应激方面有重要作用，对抗衰老和辅助治疗与衰老相关的疾病有积极的作用，尤其是相关疾病动物模型的研究中。这说明CoQ在这种情况下是维持细胞正常活动的重要因素（Varela等，2016）。

2.1.1 心脏病

老年宠物由于机体的自然衰老和各种疾病的长期积累，心血管疾病的发病率较高。有研究显示9-12岁犬的发病率为20%～25%，13 岁以上犬的发病率高于30%（张志红，2010）。CoQ 可以通过提高细胞能量代谢水平而在预防和治疗心脏病方面具有潜在的作用（Adarsh，2009）。人体研究表明，70%～75%的心脏病患者的CoQ水平较低（Folkers等，1970），随着心脏病的严重程度增加，血液和心肌组织中CoQ浓度逐渐下降（Littarru等，1972）。同时，CoQ能够抑制低密度脂蛋白的氧化，从而抑制动脉粥样硬化的发展；降低促炎因子和血液黏稠度，这对心力衰竭和冠心病有帮助；可以改善冠状动脉损伤缺血和再灌注损伤（Adarsh，2009）。Masaru 等（2008）研究发现CoQ10 可以通过影响NFκB起到抗炎、抗血管增殖作用，进而起到动脉硬化的防治作用。Harker-Murray等（2000）研究发现，心动过速引发的心力衰竭的比格犬补充CoQ10后，血清中的CoQ10含量升高。

2.1.2 高血压

CoQ 可以降低氧化应激导致的高血压（王文娜，2017）。氧化应激产生的活性氧（ROS）会诱发和加重高血压，还会通过修饰低密度脂蛋白与一氧化氮（NO）形成过氧化亚硝酸盐，降低NO的作用。CoQ在清除自由基的同时，抑制氧化低密度脂蛋白介导的下调内皮一氧化氮合酶和上调诱导型一氧化氮合酶的作用，防止自由基灭活NO（王文娜，2010）。在高血压动物模型研究中发现，口服CoQ10 可显著降低血压（Adarsh，2009）。在人类的临床研究中发现，CoQ10对糖尿病患者的高血压特别有效，因为它不仅可以降低血压，还可改善胰岛素抵抗。但值得注意的是，在所有这些临床试验中，CoQ是需要在传统的抗高血压药物治疗之外使用的，而不是单独使用。

2.1.3 糖尿病

糖尿病是宠物面临的另一营养代谢病，宠物犬患病率为0.005%～1.5%，近年有升高的趋势（东彦新等，2018）。主要多发于6 岁以上的老年犬，肥胖犬比正常体重犬的发病率高。宠物犬糖尿病和人类的糖尿病一样，是由于胰岛素相对或绝对不足，使碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢紊乱的一种内分泌疾病（东彦新等，2018）。补充CoQ 能够通过减轻氧化应激来改善胰岛素抵抗，从而起到辅助治疗的作用。在人体临床研究中发现Ⅱ型糖尿病患者血清中的CoQ 含量通常会降低，补充CoQ 后血清中含量提高，同时改善了肱动脉内皮的功能，显著降低收缩压、舒张压和糖基化血红蛋白的水平（Garrido-maraver等，2014）。

2.1.4 癌症

代谢酶的突变破坏了正常的生化反应和正常器官的功能，导致癌症等疾病的发生（Maheshwor 等，2020）。辅酶在许多涉及代谢的基因表达、细胞转运、转录调控、细胞信号转录等方面都有影响（杨敬源等，2018）。目前的研究认为活性氧的作用导致DNA氧化损伤是人类癌症发生的一个重要因素，许多临床研究发现，肿瘤疾病患者的血清中CoQ水平较正常人的水平要低（Stocker等，1991）。尽管许多药物都有清除自由基的功能，但这些药物起作用是通过诱导提高癌细胞中的CoQ水平、促进抗氧化作用来减少自由基产生来起作用的（杨敬源等，2018）。Vetvicka 等（2018）研究发现β-葡聚糖可以增强CoQ10的抗炎作用，两者之间有显著的协同作用。

2.1.5 骨关节疾病

研究发现，CoQ10通过参与转录因子活动的所有分化过程而增强骨再生功能，说明其可能参与骨代谢进程（Moon 等，2013；Moon 等，2012）。于琼等（2014）研究发现CoQ10 能有效预防环磷酰胺造成骨质疏松大鼠的骨损失。陈丽思等（2016）研究发现CoQ10 可以预防去卵巢的大鼠骨钙、骨镁、骨羟脯氨酸含量下降及骨密度减少，提高骨密度而改善骨强度，有效防止去卵巢引起的绝经后骨质疏松。

促炎症因子的高表达是类风湿关节炎发病的主要原因（Su 等，2018）。研究发现，CoQ10 可以降低人类类风湿关节炎患者血清中的白细胞介素（IL-17）、肿瘤坏血因子（TNF-α）和丙二醛水平，且降低了关节的疼痛评分和晨僵时间（朱科达等，2020）。这说明CoQ10 可能为风湿性关节炎患者提供一种新的治疗方法（Nachvak 等，2019）。Jhun 等（2016）研究发现CoQ10 可以联合二甲双胍（Metformin，Met）改善胶原诱导小鼠关节炎（CIA）的严重程度，并显示出加性效应，比单独使用Met 和CoQ10 相比，二者联合使用可改善线粒体功能障碍。Lee等（2018）研究发现益生菌复合物、锌和CoQ10联合使用可以改善CIA小鼠关节炎症、骨破坏、软骨损伤，降低关节滑膜中TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-17和血管内皮生长因子（VEGF）的表达。

2.2 促进脂肪代谢

肥胖是宠物的头号营养问题，患病率随着年龄的增加而增加，这是由于能量需求的减少，特别是随着体育活动的减少和与年龄相关的身体组织的变化，使基础代谢率下降（Jean等，1998）。线粒体在脂肪细胞分化和成熟过程中发挥重要作用（Aurélia等，2009），为脂肪生成过程中前脂肪细胞的分化提供足够的ATP（Lu等，2010）。肥胖机体会产生线粒体功能紊乱和CoQ水平降低的状况，这将导致机体中脂肪沉积增加（Mehmetoglu等，2010）。营养供给过多，会导致线粒体功能障碍，产生ROS和过氧化脂类，增加炎症反应以及线粒体分裂，这些会导致胰岛素抵抗和肥胖的发生（Kusminski 等，2012）。CoQ 能够阻止脂肪生成（Carmona 等，2009）、抑制脂肪细胞的分化（Bour等，2011），增加脂肪组织中脂肪氧化和能量消耗（Carmona等，2009）。

2.3 抗疲劳、提高运动能力

运动和体力活动产生大量的ROS 可能导致肌肉损伤和身体疲劳。CoQ 一方面通过促进ATP 的生成提高骨骼肌的有氧工作能力（Östman 等，2012），另一方面可以清除由于高强度长时间运动而产生的ROS（Rodick等，2018）。姚霖等（2018）研究CoQ10对大负荷运动后心肌肌钙蛋白的影响发现，CoQ10可以加快心肌肌钙蛋白T 和心肌肌钙蛋白I 恢复，说明大负荷运动前补充CoQ10 对心肌细胞有保护作用。根据以上在人方面的研究结果提示，CoQ10可以用于帮助警犬、搜救犬等工作犬和运动犬高负荷工作或运动后的恢复体力、保护心脏。

2.4 健齿、保护皮肤

牙齿疾病是威胁宠物健康的主要疾病之一，患病动物会由于疼痛而表现出食欲下降或废绝，逐渐消瘦，如不及时治疗会危及生命（梁永春等，2016）。据统计，4-8 岁的宠物犬牙齿疾病的发病率为60%～80%，并随着年龄的增长而不断增加。CoQ 具有较强的抗炎作用，能够改善微循环，增强组织细胞活力，加速细胞更新。可用于预防牙组织细胞的水肿、膜破裂及死亡，增强牙龈保护能力；激活细胞代谢，提供组织能量，减少口腔中有害微生物，有助于预防牙龈感染、出血、红肿及牙齿松动、脱落（王文慧等，2013）。CoQ10已经被应用于牙膏等护齿产品中，不仅能够起到牙龈止血、口腔溃疡愈合的保健功能，CoQ10 还可以透过牙龈细胞膜，使牙龈细胞获得能量，增强组织活力，从根本上养护牙龈、防止牙周炎、牙龈萎缩，达到健齿的目的。

此外，CoQ 是衡量皮肤健康状况的重要指标之一，能够促进上皮细胞生成和肉芽组织良性化的功能；可保持皮肤弹性、保湿、免于光损伤；能够有效的深入皮肤，改善肤质，促进新陈代谢（王文慧等，2013）。宠物皮肤病也是临床上常见的疾病，致病因素很多、易复发，免疫力低下的动物更易感染（龚寒春，2017）。CoQ 一方面可以提高宠物机体的抗病能力，不易感染这类疾病；另一方面有助于由于疾病导致的皮肤损伤的恢复和伤口愈合。

3 展望

30多年前，CoQ就已经被广泛地应用于食品和药物生产，具有无毒性、无致畸作用和无明显副作用的特点，临床使用十分安全。CoQ的消费市场主要集中在美国、日本、西欧以及澳大利亚，2003年美国FDA正式将其作为食品添加剂应用到食品中，2004年日本厚生省也批准其可作为食品添加剂应用到饮料、糖果、蛋糕、乳酪和酸奶中。我国食品药品监督管理局在2006年出台了《以辅酶Q10为原料生产保健品申报与审评规定（征求意见稿）》，CoQ10 才开始被广泛地应用于保健食品。CoQ10在2015年收录于《中国药典》，2019年1月1日开始实施的新版标准中CoQ10也被列入其中。随着人们对CoQ10研究的深入，以及优点和功效的认可，CoQ10将被广泛应用于医药、食品、化妆品等行业。

宠物也面临着许多与人类相似的健康问题，如疾病、肥胖、衰老、疲劳等。CoQ在细胞能量转化过程中的重要作用，以及清除自由基和抗氧化的功能，使其在解决宠物的多种健康问题上，具有显著或是辅助的作用。目前，宠物产品市场上，CoQ主要被用于生产保健品，用于宠物心脏血管相关疾病辅助治疗，以及老年期宠物的日常保健，但产品种类少、用途也不够广泛，研究验证不足。由此，还需要深入研究CoQ对宠物健康和疾病免疫的影响，开发多种形式的宠物产品。