动物营养学自由基对动物机体氧化损伤与抗氧化剂修复作用研究

自由基对动物机体的氧化损伤与抗氧化剂的修复作用研究 主要内容 自由基生物学概论营养物质与自由基的关系抗氧化剂对氧化损伤的修复作用氧化应激对畜牧业的危害与干预展望 高投入 高产出 高效益 传统养殖 集约化养殖 机体免疫力下降易感疫病繁殖性能下降 饲养周期缩短出栏率提高数量增幅快 应激 背景 自由基的研究主要集中医学和食品科学领域 自由基与疾病 衰老 抗氧化食品 保健食品1 自由基的概念是指任何包含一个或多个未成对电子并能独立存在的原子或基团 自由基生物学概论 常见的自由基有 活性氧 ROS 氢自由基 超氧阴离子 羟自由基 烷过氧基 烷氧基 氢过氧基 单线态氧等活性氮 RNS 在NO合成酶 NOS 的作用下 精氨酸分解为NO 一氧化氮 过氧亚硝酸离子等 自由基生物学概论 连锁反应 产生更多自由基 初级自由基 次级自由基 与生物体有关的自由基类型 自由基生物学概论 2 自由基的产生 1 产生的主要途径 酶促反应 黄嘌呤氧化酶 NADPH氧化酶 醛氧化酶 谷胱苷肽还原酶 二氢乳酸脱氢酶等非酶促反应 通过以自由基作为引发剂启动引发的连锁反应 自由基生物学概论 2 自由基的产生 2 其他途径辐射分解和光化学作用 如经紫外光 X射线或 射线照射金属催化反应 如过氧化氢同铁离子反应生成羟基自由炎症等病变过程中 嗜中性粒细胞或巨噬细胞会产生ROS外源性物质进入体内也会产生大量自由基 如肾上腺素 四氯化碳 乙醇等会诱导机体产生 CCl3和羟自由基日粮中一些营养素的缺乏 3 自由基的清除 1 抗氧化剂 酶类 超氧化物歧化酶 SOD 过氧化氢酶 CAT 谷胱苷肽过氧化物酶 GSH Px 2 抗氧化剂 非酶类 维生素E 维生素C 维生素A 硒 含硫氨基酸 还原型GSH 不饱和脂肪酸等 自由基生物学概论 自由基生物学概论 4 自由基的作用 1 促进作用 参与脂肪加氧酶产物的生成胶原蛋白的合成增强肝脏的解毒作用凝血酶的合成参与调节细胞增殖与分化维持正常的氧化代谢过程等 4 自由基的作用 2 氧化损伤对DNA的损伤对蛋白质的损伤对细胞膜的损伤 自由基生物学概论 碱基损伤活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8 嘧啶的C5与C6双键 氧自由基直接作用于双键部位 使之获得一个加合基而改变其结构 OH使脱氧核苷脱嘌呤 即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位 OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子 对DNA的损伤 DNA链断裂 OH对DNA的攻击 主要针对DNA分子中的核糖部分 可能的位置在DNA分子中核糖的3 和4 碳位上 造成DNA链的断裂 自由基对胸腺嘧啶碱基作用 造成的损害经修复酶切除 可产生类似的单链断裂 氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程 激活核酸酶 导致DNA链的断裂 对DNA的损伤 自由基对DNA分子各种损伤的示意图 对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为 在 位置上将一个氢原子除去 形成C 中心自由基 再加氧其上 生成过氧基衍生物 后者分解成NH3及 酮酸 或生成NH3 CO2与醛类或羧酸 破坏脂肪族氨基酸的结构 芳香氨基酸很少出现 除氢 而多出现羟基衍生物 后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体 由过渡金属介导出现氧化损伤 主要通过Fenton反应 其损伤特点为部位特异性 因为 在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响 脂质过氧化的自由基中间产物作用 如烷氧自由基 LO 和过氧自由基 LOO 可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应 对蛋白质的损伤 脂质过氧化 lipidperoxidation 细胞膜和细胞器膜中含有大量不饱和脂肪酸侧链 易被自由基氧化 发生脂质过氧化 对生物膜具有强烈的破坏作用 对细胞膜的损伤 判断机体自由基损伤的程度 测定自由基伤害的指标 当脂质 蛋白质及DNA被自由基氧化後 会产生某些特定物质 并释放到血液及尿液中 经由抽血 验尿可以知道细胞受伤害的情形 测定自由基释放量 利用电子自旋共振光谱仪 或化学冷光测定 侦测体内的自由基 测定抗氧化剂 a 在血液中加入氧化剂 测定自由基的释放量 b 测定抗氧化剂含量c 抗氧化扫描仪 BiophotonicScanner 利用雷射光射入电子 利用雷射光射入电子 可测定皮肤下胡萝卜素 胡萝卜素是人体重要的抗氧化剂之一 营养物质与自由基的关系 1 营养物质是自由基产生的物质基础氨基酸 蛋白质 一氧化氮合酶的生物合成需要氨基酸 核黄素 嘌呤等物质 营养物质与自由基的关系 脂肪酸 摄入过高的PUFA可使机体产生脂质过氧化反应维生素 通过抑制iNOS基因的表达而抑制NO的产生 如维生素A可抑制心血管平滑肌细胞 内皮细胞 心肌细胞和肾细胞中iNOS基因的表达矿物质 Fe2 参与自由基的生成 主要通过催化Fenton反应 参与氧化酶的构成 构成自由基反应链中的电子传递系统而起作用 Fenton反应可产生毒性很强的 OH Se 当Se缺乏时导致Se GSH Px活性降低 其降解体内代谢过程产生的内源性的H2O2和ROOH能力减弱 引起PUFA过氧化而直接损害膜结构 铜 催化自由基反应 氟 OH和的产生依赖于氟的浓度 而在高氟时主要产生自由基 2 营养物质是动物体内清除自由基的物质来源氨基酸 蛋白质合成酶类抗氧化剂 如谷胱甘肽的生物合成需要氨基酸 矿物元素和ATP的参与 维生素本身是营养物质也是体内必须的抗氧化剂 如VA VC VE 类类胡萝卜素等直接参与ROS的清除以及提高抗氧化物酶活性矿物质是酶类抗氧化剂的活化中心 如内源硒 铜 锰是谷胱甘肽过氧化物酶 GSH Px 与超氧化物歧化酶 Cu Zu SOD Mn SOD 生物合成所必需的微量元素 营养物质与自由基的关系 3 营养物质是自由基所致生物分子损伤修复的物质基础被损伤的生物分子在修复或置换的过程中所需要的物质 如核苷酸 氨基酸 脂肪酸 酶系统与辅助因子以及能量来源均以营养物质为最终物质基础 饲料中某些天然抗氧化剂及部分非营养素的有效成分可能也直接或间接地在生物分子的修复或置换过程中起到物质基础的作用 营养物质与自由基的关系 4 某些营养物质有利于动物适应氧化应激和防治某些动物疾病日粮提高抗氧化剂 如 维生素C 维生素E 的用量可减小氧化应激所造成的危害适宜的营养水平也可以减少和预防生理性氧化应激所造成的损伤 营养物质与自由基的关系 自由基稳衡理论 正常情况下 动物机体内的自由基是处于不断的产生与清除的动态平衡之中 抗氧化剂对氧化损伤的修复作用 机体对不同来源的自由基有一系列的防御机制 主要包括如预防性机制 修复机制 物理性防御和抗氧化剂预御等几种 抗氧化剂通过抑制或减缓自由基的生成来达到修复机体的氧化损伤有重要的作用抗氧化物质主要的作用机制 通过提供活性基团 作为供氢体与自由基反应 使之形成相应的离子或分子 灭活自由基 终止自由基的链式反应 提高抗氧化酶活性 降低膜的流动性 从而降低自由基反应 达到抑制脂质过氧化作用 抗氧化剂对氧化损伤的修复作用 酶类抗氧化剂超氧化物歧化酶 SOD 谷胱甘肽过氧化物酶 GSH Px 过氧化氢酶 CAT 非酶类抗氧化剂VE硒VC新型天然抗氧化剂茶多酚类黄酮中草药微生物源性抗氧化剂 酶类抗氧化剂对各自由基的作用示意图 超氧化物歧化酶 SOD SOD清除的作用机理为 Cu Zn SOD二聚体的碳链走向 Fe SOD模拟三维结构图 Mn SODN端小结构域 超氧化物歧化酶是一种能催化超氧阴离子发生歧化反应的金属酶 按金属辅基不同分为三类 谷胱甘肽过氧化物酶 GSH Px 它是清除H2O2的另一种酶 GSH Px是一种含硒酶 它的作用底物是谷胱甘肽 GSH 它在催化GSH转化为氧化形式的谷胱甘肽 GSSG 用掉一个H2O2 该反应式为 过氧化氢酶 CAT 过氧化氢酶是清除H2O2的一种酶 催化H2O2分解的机理为 CAT Fe H2O2化合物 化合物 H2O2CAT Fe 2H2O O2 总反应式为 2H2O22H2O O2 VE极易受分子氧和自由基氧化 因此可以充当抗氧化剂和自由基清除剂 其氧化历程为 VE 硒 硒是GSH Px的辅助因子 GSH Px含有4个硒原子 Se GSH Px的主要生物学作用就是清除H2O2和ROOH VE和硒对自由基损伤雏鸡抗氧化能力的影响 a tocopherol150IU kgfeedandselenium0 1mg kgfeed Sodhi s 2008 心脏 注 同一行数据以不同大写字表示P 0 01 不同小写字母表示P 0 05 不同水平VE和Se对肉鸡肝脏和心脏NO自由基水平的影响 徐建雄 2007 徐建雄 2007 不同水平VE和Se对肉鸡肝脏和血清中SOD酶活力的影响 徐建雄 2007 不同水平VE和Se对肉鸡肝脏和血清中GSH Px酶活力的影响 徐建雄 2007 不同水平VE和Se对肉鸡肝脏和血清中MDA含量的影响 徐建雄 2007 由于其本身极容易被氧化 能降低介质中的含氧量 其氧化并降解过程包括两个方面 一种是在有氧的条件下 先氧化 提供一个氢 成单氢抗坏血酸 或称抗坏血酰自由基 进而再氧化成脱氢抗坏血酸 另一种是在无氧条件下 经各种中间阶段而形成呋喃 2 羟基糠醛等物 这里不存在供氢的过程 VC VC对大鼠抗氧化酶活性的影响 ShireenK F 2008 茶多酚 茶多酚是一种多酚类物质 含四种单体 它对过氧化氢和超氧阴离子自由基的消除效果优于维生素E和C 对细胞膜等有保护作用 对脂质过氧化自由基的消除作用十分明显 没食子儿茶素没食子酸酯EGCG 没食子儿茶素EGC 儿茶素EC 儿茶素没食子酸酯ECG 类黄酮 类黄酮作为非常强的自由基消除剂可以淬灭单线态氧 清除过氧化物 羟自由基 还可抑制脂质的过氧化作用 这些都与类黄酮的结构有着密切关系 大豆异黄酮对抗氧化酶活性的影响 韩立明 2008 中草药 中草药不但有清除自由基的作用 还有抑制自由基生成和提高抗自由基酶类活性的奇特作用 五味子丙素和五味子乙素等7种木脂素对自由基有直接作用 能对抗细胞损伤和具有解毒作用 丹参的有效成分丹参酮 A磺酸钠和丹参素可稳定生物膜 并能提高SOD及GSH Px的活性 中草药添加剂对肉鸡抗氧化性能的影响 肉鸡血清中GSP Px酶活力 邹洁建 2008 肉鸡血清中SOD酶活力 肉鸡血清中MDA含量 微生物抗氧化剂 由单个或多个混合菌株发酵 发酵产物通常含有大量的维生素 微量元素 活性菌株及氨基酸 肽 槲皮酮 3 D吡喃葡萄糖 栎素 槲皮酮 类黄酮 肌醇和等生理代谢物质 能够直接清除自由基 消除自由基对机体组织器官正常功能的负面影响 从而提高机体的代谢水平 增强机体细胞免疫和体液免疫水平 史延桥 2008 微生物抗氧化剂的总抗氧化能力 225 7 186 23 217 68 0 50 100 150 200 250 抗氧化剂 香醋 Vc 2mg ml 总抗氧化能力 U ml 史延桥 2008 微生物抗氧化剂 AFM 对大鼠抗氧化力的影响 朱勇 2007 氧化应激对畜牧生产的危害与干预 应激 指机体对不利条件或环境所产生的生理反应 氧化应激 指机体活性氧产生过多或抗氧化能力下降 活性氧的清除不足 导致活性氧在体内积聚并引起氧化损伤的病理过程 免疫机能降低 易感疾病生产性能 养分利用率下降繁殖性能下降畜产品品质降低严重的引起死亡 氧化应激对畜牧生产的危害与干预 袁施彬 2007 氧化应激对断奶仔猪生产性能的影响 氧化应激对断奶仔猪养分表观消化利用率的影响 袁施彬 2007 氧化应激对不同季节荷斯坦种公牛精液品质的影响 李俊杰 2005 氧化应激对禽肉品质的影响 雌鼠血清中NO水平 孙婷婷 待发表 雌鼠血清中MDA含量 孙婷婷 待发表 高脂日粮和抗氧化剂对大鼠抗氧化性的影响 龚灵芝 待发表 肝细胞彗星试验结果 N 对照组A 高脂组B 抗氧化剂组C 高脂 抗氧化剂组 龚灵芝 待发表 高脂和抗氧化剂对大鼠睾丸组织雄激素受体mRNA表达量的影响 龚灵芝 待发表 抗氧化剂对雄鼠睾丸和附睾的发育的影响 孙婷婷 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