微量元素锌的抗氧化作用研究.pdf

微量元素锌的抗氧化作用研究 李大刚1? 王? 宏2? 周桂莲2 1. 广东省农业科学院畜牧研究所 2. 暨南大学生命科学技术学院? ? ? 摘? 要 ? 动物各组织或器官在代谢过程中会产生自由基, 自由基的产生量如果保持在适宜的 水平, 可发挥信号传导和调控细胞分裂、 分化与基因转录及表达等生理功能。一旦失衡, 它们可和 细胞膜中的不饱和脂肪酸发生反应, 破坏蛋白质和 DNA 等一些生物大分子结构, 导致疾病的发生。 锌作为动物体内不可缺少的微量元素物质, 除了通过多种途径发挥广泛的生理功能, 还是一种重 要的抗氧化物质。它是各种抗氧化酶的重要组成成分, 可维持充足的MTs 水平, 能阻断 Cu( 铜) 和 Fe( 铁) 诱导的脂质过氧化反应过程, 在保护硫羟基和其他化学基团的稳定性方面发挥重要作用。 因此, 深入了解锌的抗氧化作用, 对改善畜禽的健康和生产水平具有重要意义。 关键词 ? 锌 ? 抗氧化 ? 研究 中图分类号: S816. 72? ? 文献标识码: B ? ? 文章编号: 1002- 2813( 2008) 11- 0038- 04 ? ? 随着遗传育种技术的进步, 现代的畜禽生产性 能有了大幅提高, 由于生长速度加快, 动物对营养需 求增加, 代谢旺盛, 易产生更多的自由基。尤其是在 规模化养殖条件下, 畜禽易受过热、 过湿、 转群、 运输 和接种免疫等应激影响, 易使体内自由基的平衡状 态受到破坏。自由基失衡后造成的氧化损伤会破坏 肠道的屏障功能, 使畜禽对疫病的易感性增加, 宰前 应激造成的氧化损伤会严重影响肉的风味、 颜色、 质 地、 营养价值和安全性等, 抑制和延缓脂质氧化对改 善肉品质具有重要意义。因此, 畜禽需有强大的抗 氧化体系来清除体内易过多积累的自由基, 以维持 体内自由基的稳衡性。在畜牧生产中已有多种抗氧 化物质应用于生产实践( 如维生素 E、 维生素 C、 硒、 肌肽、 共轭亚油酸、 谷胱甘肽和半胱胺等) 。目前, 在 国内很少有关于微量元素抗氧化作用的研究和报 道。研究发现, 锌( Zn) 在动物的抗氧化系统中发挥 重要作用。与锌有关的抗氧化体系主要包括含铜锌 超氧化物歧化酶( Copper Zinc Superoxide Dismutase, CuZn- SOD) 、 谷胱甘肽过氧化物酶( Glutathione Per? oxidase, GSH- Px) 和金属硫蛋白( Metallothionein, 收稿日期: 2008- 06- 30 通讯作者: 周桂莲 MT) 等。目前, 锌作为抗氧化剂的确切机制还不是 很清楚, 关于锌的抗氧化机制主要存在以下几种不 同的认识, 目前普遍认为, 锌在保护免受自由基损伤 的生物学结构方面主要是通过以下几方面的作用来 实现: 1) 维持充足的 MTs 水平, Zn 本身也是自由基 的清除剂。2) 是CuZn- SOD 不可缺少的组成成分。 3) Zn 能阻断 Cu 和Fe 诱导的脂质过氧化反应, 延迟 氧化反应过程 ( Bagchi 等, 1997; Bray 等, 1990) 。Zn 还是硫羟基和其他化学集团的保护剂 ( Willson, 1989) 。探讨锌在动物体内的抗氧化作用效果及可 能抗氧化机制, 为畜牧生产中将锌作为抗氧化剂应 用提供参考。 1? 锌诱导的抗氧化作用对动物机体的影响 活性氧自由基( Reactive Oxygen Species, ROS) 对 动物机体最为重要, 主 要有超氧阴离子自由基 (O2.-) 、 羟自由基(?OH) 和过氧化氢等( Fang 等, 2002) 。自由基具有很活泼的化学性质, 能参与多种 化学反应, 但在所有的动物体内自由基的产生与清 除可维持低水平的和有利无害的动态平衡, 处于平 衡状态的活性氧自由基能履行信号传导和调控细胞 分裂、 分化与基因转录和表达等生理功能( 方允中 等, 2004) 。但当自由基的浓度超过生理限度时, 会 与细胞内的生物大分子反应, 能交联蛋白、 脂类、 核 ? 维丰专栏 38 ? ? ? 饲料研究? FEED RESEARCH NO. 11,2008 酸及糖类, 使生物膜变性, 机体免疫力下降、 细胞凋 亡、 组织坏死或引发疾病, 甚至危及生命( 方允中等, 2004) 。尽管锌作为抗氧化剂的确切机制还不是很 清楚, 但锌含量不足却对细胞的抗氧化状态有显著 影响。锌缺乏增加动物机体对氧化应激的易感性。 体内和体外试验表明, 锌缺乏增加自由基的产生和 氧化损伤, 如与锌充足的日粮相比, 锌缺乏增加高氧 肺损伤、 四氯化碳毒性和脂质过氧化( Taylor, 1998; Bray, 1986) 。细胞内低锌增加氧化应激, 在缺锌的 细胞培养基中氧化产物增加。在大鼠试验中发现, 严重和中度锌缺乏导致蛋白质、 脂肪和 DNA 的氧化 损伤, 可能是由于 Zn 依赖性抗氧化功能的下降引起 的( Taylor, 1998; Olin, 1993; Oteiza, 2000; Oteiza 等, 1995) 。另外, Shaheen 等( 1995) 研究还表明, 缺锌显 著降低血液和肝 GSH 含量及 SOD 活性, 增加 MDA ( 丙二醛) 的含量, 补锌显著减少内源 MDA 的形成。 这些研究表明, 锌缺乏增加动物对氧化应激的易感 性。另一方面, 补锌有益于抵抗氧化损伤, 延缓 ROS 诱发的相关疾病。细胞在正常的代谢过程中普遍产 生ROS, 然而, 在某些特殊应激条件, 如营养缺乏, ROS 产生量超过宿主的防御能力, 将会导致氧化损 伤, 这将增加氧化应激有关的病理性变化和疾病的 发生( Datta, 2000) 。ROS 也可以信号分子的形式通 过信号传导通路诱发病变。补锌能抑制化学因素诱 发的 I- 型糖尿病(Ho, 2001;Mocchegiani, 2001) , 保护 细胞免受紫外光诱导的 DNA 损伤和细胞凋亡( Lec? cia, 1999; Record, 1996) 。成廷水等( 2004) 报道, 添加 氨基酸锌可显著提高 45 周龄蛋鸡肝组织的总抗氧 化能力(TOAC) 和谷胱甘肽( GSH) 含量, 降低组织脂 质过氧化产物丙二醛的生成; 显著提高脾组织 SOD 活性和 GSH 含量, 降低MDA 的含量。锌的状态也 影响氧化还原的敏感性信号和终止子的敏感性, 可 改变与应激反映、 DNA 修复和程序性细胞死亡。以 上这些疾病的出现都与自由基的产生有关, 因此, 锌 的抗氧化作用在维持 DNA 完整性、 预防 DNA 氧化 损伤及信号传递方面发挥重要作用。 2? 锌的抗氧化作用机制研究进展 2. 1 ? 锌与抗氧化酶系的关系 锌的抗氧化功能与多种因素有关。首先, 锌 是 CuZn- SOD的必需组成成分, 作为细胞与自由基 反应的第一道防线。CuZn- SOD 是一种锌依赖酶, 对抗氧化防御系统非常重要, CuZn- SOD 的功能是 除去( O2 ?- ) 。锌作为超氧化物歧化酶( SOD) 的辅酶 催化超氧离子发生歧化反应, 锌缺乏可显著降低 CuZn- SOD的活性。研究发现, 烧伤后初期锌在尿 中排泄即开始增多, CuZn- SOD 活力在烧伤后即开 始下降( Wedekind, 1992) 。动物机体缺锌还会影响 机体正常抗氧化功能的发挥, 会造成锌依赖性酶, 如 CuZnSOD等的活性明显下降, 同时也会导致蛋白质、 脂肪和 DNA 的氧化损伤等。 锌与动物体内其他抗氧化酶间具有密切关系。 锌可激活体内的 GSH- Px, 锌缺乏使体内有活性的 GSH- Px 数量减少, 导致过氧化脂质生成增多, 而使 GSH- Px 消耗增多导致其活性下降( 虞泽鹏, 2002) 。 Santon 等 ( 2003) 研究表明, 锌处理的LEC 大鼠能保 持抗氧化酶的活性, 维持血清中 GSH 和其他生化指 标稳定, 这一结果进一步支持了锌能阻止氧化反应, 调节 ROS。Kraus 等( 1997) 试验证明, 缺锌大鼠血清 锌含量和 AKP 活性降低, 红细胞谷胱甘肽 S 转移酶 水平升高, 谷胱甘肽浓度下降, 红细胞抗氧化功能不 全。Shaheen 等( 1995) 研究还表明, 缺锌显著降低血 液和肝GSH 含量及 SOD 活性, 增加MDA 含量, 补锌 显著减少内源MDA 的形成。Oteiza 等( 1995) 在大鼠 试验中发现, 严重和中度锌缺乏导致蛋白质、 脂肪和 DNA 的氧化损伤, 可能是由于 Zn 依赖性抗氧化功 能下降引起。 2. 2? 锌与金属离子的氧化还原反应 锌抗氧化作用的第二个机制是阻断金属离子的 氧化还原反应( 如铁和铜离子) , 防止蛋白质内巯基 集团的氧化。大多数生物分子在一定的条件下与 O2、 超氧化物和 H2O2直接反应不能被损伤, 但却能 被( HO?) 氧化。在许多反应体系中, Zn 可阻止铁和 铜离子与 H2O2和超氧化物反应形成?OH ( Powell, 2000) , 防止在过渡金属铁和铜作用下形成羟基集 团。大量证据表明, 金属催化剂作用下形成的?OH 对组织具有破坏作用。铁和铜可促进脂质过氧化。 维丰专栏 ? 饲料研究? FEED RESEARCH NO.11,2008?39? ? ? 金属催化剂催化形成的 OH 导致不饱和脂肪酸脱 氢, 形成脂质衍生自由基。这将激发一连串的循环 反应, 导致不断形成短链的烃和醛基化的脂肪酸, 这 些结构的形成使脂质双分子层破坏( Kappus 1985) 。 低氧化还原性的金属与酶结合形成一个稳定的复合 体与H2O2反应形成?OH, 然后激活蛋白质氧化反应 ( Fucci 等, 1983; Oliver 等, 1990; Rivett, 1985; Stadt? man, 1990; Starke- Reed 等, 1989) 。羟基与氨基酸羰 基氢反应, 形成以碳为中心的蛋白质基团, 经一系列 反应后, 导致氨基酸集团水解形成醛或羰基蛋白。 一旦氨基酸被水解, 将导致金属结合位点断裂, 金属 离子脱落。氧化调节过程出现在金属结合位点, 蛋 白质的氧化过程很显然是在特定的金属结合位点发 生。 Zn 可阻止铁和铜离子与 H2O2和超氧化物反应 形成?OH 的反应过程如下: e-+ H2O2 HO?+ OH- 过度金属铁和铜能与过氧化氢通过Fenton 反应 提供电子: Fe2+ H2O2 HO?+ OH-+ Fe3+ Cu2+ H2O2 HO?+ OH-+ Cu2+ 通过与促氧化金属铁铜竞争性结合吸附位点, 锌能降低这些金属转运电子的能力和类似Fenton反 应的发生( Kelly , 1986; Conte , 1996; Hesketh, 1983; Tse Dinh , 1988; Fu, 1996) 。 ? ? 通过 LEC 大鼠的试验表明, 乙酸锌能通过竞争 性结合的方式, 降低LEC 大鼠体内 Cu 和 Fe 从黏膜 转运到肠浆膜一侧, 增加组织 Zn 和 MT 的浓度 (Medici 等, 2002; Sturniolo 等, 1999) 。在含有 Zn 和 Fe 的纤维原细胞培养体系中伴随 Fe 浓度的降低, Zn 的富集增加。与只含有 Fe 培养体系相比, Fe- Zn 细胞内 Fe 的沉积减少, 主要是由于二价金属 Zn 转运体抑制了 Fe 的转运( Kordas 等, 2004; Santon 等, 2006) 。锌通过防止巯基基团氧化的形式发挥抗氧 化作用。锌对巯基的稳定作用效果已通过 ? - 氨基 乙酰丙酸脱水酶进行了深入研究。锌可保护这种酶 不被氧化失活, 防止硫醇酶被氧化和二硫化物形成, 而去除锌则导致酶失活。其他含有巯基蛋白, 如氨 甲酰天冬氨酸脱水酶, 微管蛋白、 锌指蛋白、 丙氨 酰- tRNA 合成酶和蛋白质异戊烯化似乎也受锌的 保护( Powell, 2000) 。锌可和膜蛋白上的巯基及磷脂 的磷酸基等结合, 以增加膜的稳定性。当过氧化损 伤时, 膜内的- SH 被氧化成二硫键, 锌可与硫形成 稳定的硫酸盐, 防止被 氧化而保护膜的完整性 ( Bray, 1990) 。其他有关锌在化学反应、 生物化学反 应和细胞中抗自由基产生的作用见表 1。 表 1? 锌在化学反应、 生物化学反应和细胞中抗自由基产生的作用 主要试验结果资料来源 降低铜- 铁和抗坏血酸诱导的 DNA 损伤Harel 等, 1992 降低O2-、 ?OH 和次氯酸盐的产生Bagchi 等, 1997 降低 Cu2+介导的化学发光反应, 安息香酸盐羟基化和抗坏血酸的氧化 Lovering 等, 1992 降低黄嘌呤和NADPH 氧化酶产生的 O2-和?OHAfanas 等, 1995 降低佛波醇酯刺激 PC- 12 细胞产生乳酸脱氢器酶Bagchi 等, 1997 降低黄嘌呤氧化酶介导的红细胞膜交联反应Girotti 等, 1986 降低佛波醇- 12- 肉豆蔻酯- 13- 乙酯刺激白细胞产生的 O2-Afanas 等, 1995 降低Fe3+- 抗坏血酸诱导的红血球细胞内高铁血红蛋白症 Shinar 等,1989 降低儿茶酚胺诱导缺血性损伤Persoon Rothert 等, 1989; Singal 等, 1981 降低缺血性损伤诱导的急性心肌梗死Powell 等, 1990 改善缺血/ 再灌注条件下分离灌注心脏模型功能( 体内) , 改善猪心肺体外循环模型( 体内) Powell 等, 1994, 1995 Powell 等, 1997 ? 维丰专栏 40 ? ? ? 饲料研究? FEED RESEARCH NO. 11,2008 2. 3 ? 锌与金属硫蛋白 锌通过金属硫蛋白发挥抗氧化作用是实现抗氧 化作用的另一个主要途径。金属硫蛋白作为一种低 相对分子质量物质, 是一种富含半胱氨酸丰富的金 属结合蛋白, 半胱氨酸含量可达 25 % 30 %, 它能 与锌和其他一些重金属以高亲和性结合, 因而在保 持锌动态平衡和抗氧化反应中发挥重要作用。金属 硫蛋白不含有芳香族氨基酸和二硫键, 能吸附 5 7 g锌( mol/ protein) ( Bernhard 等, 1987; Kagi 等, 1989; Kagi 等, 1987) 。金属硫蛋白本身就是强有力的羟基 清除剂, 它的损失将会削弱细胞的抗氧化防御体系, 降低细胞抗氧化应激的敏感性。大量研究表明, 慢 性缺锌条件下, 锌可诱导金属硫蛋白在不同的器官 表达, 如肝 ( McCormick 等, 1981) 、 肾 ( Swerdel 等, 1982) 和小肠 ( Menard 等, 1981) 。MT 可在不同条件 下发挥抗氧化作用, 如辐射暴露(Matsubara 1987) 、 抗 肿瘤药物亚德里亚霉 素( Satoh 等, 1988; Yin 等, 1998) , 酒精中毒 (Harris, 1990) 及氧化突变等( Ross? man 等, 1998) 。最近的研究假设锌与细胞内的锌和 细胞的氧化还原状态有关, 在高氧化状态下, 细胞的 氧化还原状态发生变化, 导致锌从MT 中释放出来, 导致 sulfide/ disulfide 发生 交 换 ( Jiang 等, 1998a, 1998b;Maret 1994, 1995) 。锌通过激活金属转录因 子- 1( MTF- 1) 的形式诱导富含半胱氨酸的金属硫 蛋白表达。锌能直接吸附或激活 MTF- 1, MTF- 1 与发生反应的金属元素结合, 诱导基因的表达。 3? 锌的抗氧化作用在畜牧生产中的意义 现在畜牧生产普遍饲养经过遗传选育的畜禽, 具有生长速度快、 摄入饲料营养物质多及相应的抗 氧化物质增多等特点( Surai, 2002) 。对畜禽而言, 肠 黏膜是氧化和抗氧化的核 心场所, 活性氧分子 (ROS) 可使肠上皮细胞发生明显变化, 包括细胞骨 架倒塌、 细胞间的紧密连接分裂及黏膜失去屏障功 能的完整性 ( Rao 等, 1997; Lum 等, 2001; Banan 等, 2001) 。最终导致肠壁发生通透性改变, 出现炎性反 应和黏 膜 损 伤 ( Keshavarzian 等, 1992; Hollander, 1998) 。对于氧化和抗氧化间的动态平衡, 肠黏膜占 有重要地位(Halliwell 等, 2000) 。作为日粮抗氧化物 质吸收的场所, 肠黏膜是动物机体摄入饲料来源抗 氧化物质的第 1 个组织。因此, 在饲喂状态, 黏膜可 能是最先接触与储存这些抗氧化物质的场所。肠壁 与饲料中的各种氧化性物质直接接触, 这些物质( 包 括易引起过氧化反应的多不饱和脂肪酸 ( Kanner 等, 2001) 、 加热过度和日粮油脂酸败产生的过氧化 物质等 (Kimura 等, 1984) 、 具有强氧化性的金属( 铁 和铜) 及真菌产生的毒素等) 都需要肠黏膜的抗氧化 物质 进 行 防 御 ( Srigiridhar 等, 2000; Gautier 等, 2001) 。不论是来自肠道内的微生物, 还是日粮或肠 细胞的代谢产物, 氧化过度对肠黏膜的危害是严重 的, 导致严重的组织损伤, 氧化损伤是畜禽肠道炎性 反应的主要特征 ( Allen, 1997) , 引起肠道疾病的发 生( McKenzie 等, 1996; Qiu 等, 1999) 。探讨锌在畜禽 体内发挥抗氧化作用的适宜剂量, 为在日粮中合理 添加微量元素锌提供理论依据, 使其充分发挥抗氧 化作用, 是一种有效预防肠道疾病的策略( Srigiridhar 等, 2000; Gonzalez等, 2001) , 同时也可有效促进肠道 的正常发育, 维护畜禽健康。 参考文献 1 Allen P C. Production of free radical species during Eimeria maxima infections in chickens. Poult. Sci. , 1997( 76) : 814- 821. 2 Bagchi D, Carryl O R, Tran M X, et al. Protection a? gainst chemicallyinduced oxidative gastrointestinal tis? sue injury in r