牛磺酸在鱼类中的营养作用

    近年鱼粉价格的高涨和鱼粉产量的降低，开发鱼粉替代蛋白源已迫在眉睫。基于植物蛋白源为主的鱼粉替代实验进一步凸显了牛磺酸对鱼类生长不可或缺的作用

□文/山东省海水养殖研究所 于道德 郑永允 官曙光 刘洪军 中国科学院海岸带研究院带 赵建民
前言
    牛磺酸(Taurine)，又称牛胆酸、牛胆碱，是一种非蛋白氨基酸，无遗传密码子编码，不参与蛋白质和酶类的组成，因首次于牛胆汁中分离而得名(Huxtable, 1992)。从系统发生学的角度来看，牛磺酸系较古老的化合物，以不连续的方式存在于生物圈内，植物中仅藻类能够合成牛磺酸，而动物界中牛磺酸含量丰富，尤以昆虫、节肢动物更为丰富(Huxtable, 1992)。
    对位于食物链较高层次的脊椎动物而言，一般可通过食物获取足量的牛磺酸来满足自身的生理代谢需求，较少出现牛磺酸匮乏的病理现象。因此，牛磺酸一度被认为是机体内含硫氨基酸的无功能终末代谢产物。然而，猫科动物摄食牛磺酸缺乏的食物能够导致视网膜变性、心肌炎等病理学变化(Pion et al., 1987, Hayes and Trautwein, 1989)。分析表明，上述病理现象的产生是由于猫科动物缺乏合成牛磺酸的关键酶—半胱次磺酸脱羧酶（cysteine sulfinate decarboxylase, CSD）所致(Knopf et al., 1978, Sturman et al., 1986)。由此，牛磺酸生理功能的相关研究受到了广泛关注。
    除猫科、狐狸等少数动物不能合成牛磺酸，完全依赖食物供给外，大多数脊椎动物的成体均可通过蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸的代谢过程合成少量的牛磺酸。在动物幼体时期，由于合成能力不足或特定情况下（如人类的肠道疾病状态），可引起体内牛磺酸的匮乏。因此，牛磺酸又被称为条件性必需氨基酸(Cho et al., 2006)。近年来的研究发现，牛磺酸参与了机体的渗透压调节，并能减少氧自由基的产生，通过发挥解毒和抗氧化作用保护细胞膜。此外，牛磺酸也参与了钙离子结合与转运、神经递质释放(Pasantes-Morales et al.,1998)以及信号转导调控等生理生化过程(Huxtable, 1992, Sturman, 1988, Bouckenooghe et al., 2006)。
    对鱼类而言，摄食适量的牛磺酸不仅能够提高鱼类的生长率、食物转化效率、刺激鱼类摄食，并具有预防绿肝综合症（一般由于植物蛋白引起）等营养性疾病的功能。本综述主要围绕牛磺酸在鱼类中生理功能的研究进展，重点探讨牛磺酸在鱼类生长、繁殖等过程中的营养调控作用，以期推动鱼类牛磺酸营养作用的相关研究，并为富含牛磺酸动物蛋白的应用提供理论基础。
一、鱼类牛磺酸的分布与合成
    牛磺酸在动物体内的分布与存在形式决定了其生物学功能。鱼类体内牛磺酸的分布与其它脊椎动物类似，即以游离形式大量存在于各组织和器官中，尤以肝脏、心脏和大脑等可兴奋组织和器官的含量较高。
    对大多数脊椎动物来说，牛磺酸通常是在肝脏中合成，然后通过血液循环运输到其它组织中，发挥相应的生物学功能(Tappaz, 2004)。鱼类合成牛磺酸的能力因种而异(Goto et al., 2001a, Yokoyama et al., 2001, Goto et al., 2003, Goto et al., 2001c, Kim et al., 2003)，主要受其合成限制酶CSD活性的影响(Yokoyama et al., 2001, Takeuchi et al., 2001, De La and Stipanuk, 1985)。研究发现，虹鳟（Oncorhynchus mykiss）、大西洋鲑鱼（Salmo salar）等鱼类的CSD活性较高(Walton et al., 1982, Yokoyama and Nakazoe, 1992, Cowey et al., 1992, Yokoyama et al., 1997)，真鲷（Pagrus major）、牙鲆（Paralichthys olivaceus）、鲤鱼（Cyprinus carpio）等CSD的活性较低，而在五条鰤（Seriola quinqueradiata）、细鳞鲆（Pleuronichthys cornutus）、鲽鱼（Helicolenus hilgedo）、金枪鱼（Thunnus thynnus）等肉食性鱼类体内检测不到该酶的活性(Huxtable, 1992)。
二、牛磺酸与鱼类繁殖
    关于牛磺酸对动物繁殖和早期发育的研究主要是基于猫科动物的实验结果。研究发现，摄食牛磺酸完全缺乏或含量很低的食物(0.01%)可显著影响雌猫的繁殖性能，主要表现为死胎、流产、夭折以及新生猫的发育畸形，如视网膜降解、大脑发育缓慢、脑积水等症状(Chesney et al., 1998, Sturman, 1993)。此外，在多种雌性动物生殖道液体中，发现含有高水平的牛磺酸和亚牛磺酸等抗氧化物质(Leese et al., 1979, Guerin et al.,2001)。在动物体外受精实验中，进一步证实了牛磺酸等抗氧化物质主要通过抵消胚胎发育过程中的氧化作用，从而克服“发育阻滞”现象的出现(Devreker et al., 1999, Guerin et al., 2001)。上述结果表明，牛磺酸对于维持雌雄动物配子的正常功能以及繁殖过程的顺利进行均具有重要的作用。
    关于牛磺酸对鱼类繁殖和早期发育的研究并不多，主要是因为一般的亲鱼饵料组成中并不缺乏牛磺酸（一般以鲜杂鱼为主，很少使用配合饵料）。Matsunari等在五条鰤中率先开展了牛磺酸的亲鱼营养实验，发现1%牛磺酸添加组的亲鱼繁殖成功率和繁殖力显著提高，其卵子的直径、上浮率、受精率等重要参数均高于对照组和0.5%添加组(Matsunari et al., 2006)，表明牛磺酸对于鱼类繁殖具有重要的核心调控作用。但关于牛磺酸对鱼类繁殖过程的调控机制（是否与高度不饱和脂肪酸EPA、DHA &ARA等类似，是否存在母体遗传效应以及对仔稚幼鱼后续的生长发育等过程的影响）亟需进一步的研究。
三、牛磺酸对鱼类早期发育影响
    在大菱鲆仔鱼从开口到变态的发育过程中，Conceincao等发现投喂浮游动物或卤虫对仔鱼氨基酸池、蛋白质转化率等有显著影响。值得关注的是，无论其它氨基酸如何变化，牛磺酸始终处于较高水平，并且仔鱼的生长性能与牛磺酸的含量呈现正相关性，证实了牛磺酸与其它含硫氨基酸在鱼类早期发育过程中的重要性(Conceincao, 1997)。最近，类似的实验结果在杜氏鰤（seriola dumerili）中进一步得到验证，表明牛磺酸与多不饱和脂肪酸、磷脂等在鱼类早期发育过程中具有同等重要的作用(Yamamoto et al., 2008)。
    在多种鱼类中，通过牛磺酸强化轮虫的方式投喂仔鱼也产生了积极的效果。例如，投喂牛磺酸强化的轮虫能够提高真鲷和牙鲆仔鱼的生长性能（具体见表1）(Chen, 2004, Chen, 2005)。此外，牛磺酸能够促进仔鱼肠道的发育(Salze et al., 2008)，在这一点上具有类似核酸的营养作用(Li and Gatlin III, 2006)，对于仔鱼快速度过危险期、改善肠道都起到了积极的作用，但能否像核酸那样具有改善仔鱼肠道菌群组成的作用尚有待于进一步的研究。
四、对鱼类生长的影响
    众所周知，牛磺酸并不参与蛋白质的生物合成，仅仅是含硫氨基酸的代谢终产物，其生长促进作用可能与维持机体渗透压平衡和稳定等作用密切相关(Kim et al., 2003)。通过分析牙鲆幼鱼天然饵料糠虾的化学组成发现，糠虾体内牛磺酸含量高达29mg/g(Park et al., 1997)；以糠虾为饵料可显著提高牙鲆的食物转化率和生长率，其生长率高出鱼糜投喂组约2倍(Park et al., 2000)，证实了牛磺酸对鱼类生长具有重要的促进作用(Seikai et al., 1997)。此后，一系列有关牛磺酸营养作用的试验在牙鲆中开展起来，证实了饵料中添加牛磺酸能够促进牙鲆幼鱼生长并提高体内牛磺酸的含量(Park et al., 2001)，并初步推测牙鲆幼鱼饵料中牛磺酸的最适添加量为1.4%(Park et al., 2002)。
    近年来，受限于鱼粉价格的高涨和鱼粉产量的降低，开发鱼粉的替代蛋白源已迫在眉睫。其中，基于植物蛋白源为主的鱼粉替代实验进一步凸显了牛磺酸对鱼类生长不可或缺的作用。与鱼粉和动物蛋白相比，植物蛋白源在营养上存在很多缺陷。首先，植物源蛋白含有大量的生长抑制因子(Francis et al., 2001)；其次，植物源蛋白缺乏鱼类的某些必需营养素，如豆粕缺乏蛋氨酸、玉米麸质缺乏赖氨酸，最为重要的是，几乎所有植物源蛋白都缺乏牛磺酸(Yamamoto et al., 2000)。研究证实，长期摄食缺乏牛磺酸的植物蛋白源饵料能够导致鱼体生长缓慢，并可产生绿色肝脏综合症和溶血性贫血等病理现象(Watanabe et al., 1998, Goto et al., 2001b, Maita et al., 1997, Takagi et al., 2005)，而上述病理现象可通过外源添加牛磺酸得以改善(Takagi et al., 2006b, Takagi et al., 2006a, Takagi et al., 2005)。进一步的研究发现，在欧洲鲈(Martinez et al., 2004)、五条鰤(Matsunari et al., 2005)、虹鳟 (Gaylord et al., 2006)和军曹鱼(Lunger et al., 2007)中添加适量牛磺酸可以抵消植物蛋白源产生的生长抑制作用。关于近年来鱼类牛磺酸营养研究的总结请参见表1。

    由此可见，开发和利用新型的非鱼粉动物蛋白，利用其高含量的牛磺酸等营养物质来弥补植物蛋白源的不足，就显得更为重要。分析发现，肉骨粉等动物蛋白源中牛磺酸含量较高；其中，宠物级鸡肉粉(Pet food grade poultry byproduct meal，PBP)和饵料级鸡肉粉(Feed grade poultry byproduct meal，PBF)的牛磺酸含量分别达到44463ppm和2118ppm，与鱼粉主要成分中牛磺酸的含量相比并不逊色（凤尾鱼粉Anchovy fishmeal：5046ppm；鱿鱼肝粉Squid liver meal：5381ppm；鱼肉蛋白水解物Fish hydrolysate：7147ppm）。近年来开展的蛋白源替代鱼粉实验也相继表明，动物蛋白源在促进鱼类生长发育、抗逆等性状方面具有植物蛋白源不可比拟的优势，已成为鱼粉替代的最佳选择。
五、对鱼类摄食作用的影响
    牛磺酸的促摄食作用与其促生长作用密切相关(Shamushaki et al., 2007)。低分子量、含氮、两性离子等特征都为牛磺酸作为促摄食剂奠定了良好的物质基础(Carr, 1982)。早在上世纪80年代，牛磺酸已被证实能刺激北极嘉鱼（Salvelinus alpinus）、虹鳟等鱼类的嗅觉系统(Hara, 1984, Doving et al., 1980)。在胆盐诱导鱼类行为模式的研究中，也发现低含量的牛磺酸（10-12M）就能改变鳗鲡（Anguilla anguilla）的洄游行为(Sola and Tosi,1993)，不仅证明牛磺酸具有信息素作用，也表明某些鱼类嗅觉系统对于胆盐（牛磺酸）具有高度敏感性(Zhang and Hara,2009)。关于牛磺酸的诱食作用推测与其典型的β-氨基酸结构密切相关(Fuzessery et al., 1978)，具体机制尚有待进一步验证。
    牛磺酸的促摄食作用还体现在影响鱼类的摄食行为方面。研究发现，牙鲆摄食富含牛磺酸饵料时，表现出的摄食行为更接近于野生状态(Park et al., 2000, Takeuchi et al., 2001)。这种摄食行为模式的变化对于其在野生状态下逃避敌害具有重要的意义，表明牛磺酸在维持特定鱼类基本摄食行为模式方面可能发挥更重要的作用。从该角度来看，牛磺酸对鱼类生存的意义要远远大于诱食作用。
六、对神经系统保护和营养作用
    牛磺酸在脊椎动物中枢神经系统的高含量预示着其重要作用，除维持细胞膜稳定性、调节渗透压等非营养因素外，牛磺酸对中枢神经系统的发育和再生过程具有保护和营养作用(Lima et al., 2004)。牛磺酸对中枢神经系统的营养作用主要包括刺激神经元增殖、存活以及促进神经突的生长(Cubillos and Lima, 2006)。研究证明，牛磺酸营养作用的发挥主要是通过增加钙离子流、调节蛋白质的磷酸化等过程来实现。
    从个体发育的角度来看，视网膜起源于胚胎期的视杯，属于脑神经系统的一部分。下面以视网膜为模式器官来阐述牛磺酸对神经系统的保护和营养作用。首先，视网膜的功能依赖于高水平的牛磺酸含量(Omura and Yoshimura, 1999, Omura and Inagaki, 2000)，缺乏牛磺酸通常可导致视网膜降解，涉及到光感受器、外节部分等亚显微结构的变化。研究发现，牛磺酸和锌元素都可以通过形成复合物的形式插入到视网膜的细胞膜中，从而维持膜的稳定性(Huxtable, 1992)。因此，目前普遍认为牛磺酸与锌元素间存在协同作用，在维持视网膜形态和功能的正常发挥方面具有不可替代的作用(Militante and Lombardini, 2002, Nusetti et al., 2005, Nusetti et al., 2006)。其次，牛磺酸的分布形式已被证明与金鱼视网膜细胞的增殖、分化和成熟相关(Nusetti et al., 2009, Nusetti et al., 2006)；鱼类视网膜神经节细胞层终生具有再生和分化能力就是依赖于该层细胞中高水平牛磺酸的分布(Huxtable, 1992)。
七、结语
    目前，鱼类牛磺酸营养研究尚处于起步阶段，众多未知机制以及作用方式还亟需广大科研工作者的共同努力。根据作者有限的水平，对该方向后续开展的研究工作提出几点建议，仅供参考：
    1. 植物蛋白源替代鱼粉过程中病理现象的出现表明牛磺酸对鱼类的生长具有不可或缺的的作用，应进一步寻找与牛磺酸缺乏相关的病理现象，并探讨牛磺酸的生理作用途径和机制。此外，鉴于目前鱼粉价格的高企及产量的降低，建议尽快开展富含牛磺酸动物蛋白源在鱼类饲料中的替代应用研究，必将极大缓解我国优质蛋白源紧缺的现状。
    2. 目前，关于牛磺酸在亲鱼培育过程中的调控作用研究几乎为零。此外，牛磺酸添加量的变化以及是否参与到卵黄蛋白沉积过程尚不清楚，是否存在母体遗传效应等也需进一步研究和阐述。
    3. 进一步探讨亲鱼经牛磺酸强化后对仔、稚、幼鱼发育过程的影响、牛磺酸营养强化开口饵料的功效以及苗种培育过程中的死亡高峰是否与牛磺酸营养相关。
    4. 牛磺酸作为不参与代谢过程、不组成蛋白的小分子物质，其生长促进作用的内在机制尚不明确，类似的化合物是否也具有促生长作用？该项研究内容的阐明将为促进鱼类生长以及新型诱食剂的开发提供新思路。