胍基乙酸的体内代谢及与甜菜碱联合在动物生产上的应用
摘要：胍基乙酸是动物体内肌酸的前体物，经甲基化作用形成肌酸，参与体内能量代谢。本文综述了胍基乙酸在体内的代谢情况以及与甲基供体尤其是与甜菜碱联合应用的营养机理和作用效果，并对胍基乙酸进一步营养研究做了方向性展望。
胍基乙酸（Guanidine acetic acid，GAA）在脊椎动物体内天然存在，可由 L-精氨酸和甘氨酸合成，同时它也是肌酸的前体物，经甲基化作用形成肌酸，可参与体内的能量代谢。肌酸有游离型和磷酸型两种形式。肌酸通过肌酸-磷酸肌酸体系作为ADT/ATP循环的能量储备，增加肌肉中磷酸肌酸和肌糖原含量，快速提供运动所需能量，有助于肌肉体积和体重增长。在动物生产上肌酸的作用也逐渐引起人们的关注。肌酸作为添加剂对肥育猪能量代谢及肉质影响已多有研究，如显著提高肥育猪眼肌面积和背最长肌率，通过降低肌肉中乳酸的积累, 提高肌肉的pH , 从而降低宰后肌肉的滴水损失, 改善肉质[1][2]。由于肌酸在日粮添加过程中的不稳定[3]，且体外肌酸的添加可能会抑制内源性肌酸的合成[4]。因此其前体物胍基乙酸在各种条件下是稳定的且添加胍基乙酸比肌酸更能有效提高肌细胞中肌酸含量，故现在多采用胍基乙酸作为肌酸的替代物。胍基乙酸在动物试验中表现出提高生产性能、繁殖性能，改善肉品质等特性，成为饲料添加剂的研究热点。
1
胍基乙酸与肌酸的关系及作用效果
胍基乙酸又名胍乙酸，N-脒基甘氨酸，是脊椎动物体内合成肌酸的天然前体物。一般情况下，机体内每天约有1.1%的肌酸和2.6%的磷酸肌酸经非酶促反应生成肌酸酐，并通过尿液排出体外，这需要不断补充肌酸以维持平衡。机体获取肌酸的途径有两种，一是从饲粮中直接获得，植物性原料不含肌酸，只能从动物性产品如鱼粉等中获取，二是体内生物合成[5]。肌酸的生物合成包含三种氨基酸和两种酶，氨基酸即L-精氨酸，甘氨酸和S-腺苷蛋氨酸，两种酶为L-精氨酸甘氨酸脒基转移酶（AGAT），S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N-甲基转移酶 （GAMT）。首先是L-精氨酸和甘氨酸在AGAT的作用下生成L-鸟氨酸和胍基乙酸，该反应主要在肾脏和胰腺中进行，然后胍基氨酸与S-腺苷蛋氨酸通过GAMT催化的甲基化作用生成肌酸[6]，该反应主要在肝脏中进行。如图1示。
图1：动物体内肌酸合成主要途径
（Arg:精氨酸 Gly: 甘氨酸 GAA:胍基乙酸 omithine:鸟氨酸 SAM: S-腺苷蛋氨酸 SAH: S-腺苷同型半胱氨酸 Creatine:肌酸 AGAT: L-精氨酸甘氨酸脒基转移酶 GAMT: S-腺苷蛋氨酸-胍基乙酸N-甲基转移酶 PV:门静脉 HA:肝动脉 HV:肝静脉）
众多研究表明，胍基乙酸的生成是肌酸合成的主要限速步骤[7][8]，AGAT则是主要的限速酶。终产物肌酸对AGAT呈负反馈调节，且该调控发生在基因翻译前阶段，但对AGAT的酶活不存在变构调节[8]。肌酸对AGAT的负反馈调节在胍基乙酸主要的合成部位肾脏和胰腺中最明显[9]。Lori M S等（2001）在体重为250-300g小鼠饲粮中添加一水肌酸和胍基乙酸，结果显示，与对照组相比，GAA组的肌肉肌酸含量增加39%，肌酸组的肌肉肌酸含量增加46%，且两组血浆中肌酸含量比对照组高近6倍。这表明，饲粮中添加胍基乙酸或肌酸均可显著提高肌肉和血浆中的肌酸含量，但二者均显著降低了肾脏中AGAT的量，推测可能的原因是GAA提高了血浆中肌酸含量，进而抑制了AGAT的活性，排出的同型半胱氨酸量显著增加则证明了该推测[10]。
2
胍基乙酸与甲基供体的联合应用营养生理
胍基乙酸生成肌酸需要SAM作甲基供体。SAM是DNA,RNA和蛋白质甲基化反应的主要甲基供体。SAM来源于蛋氨酸，经腺苷酰化作用生成，该反应由S-腺苷蛋氨酸合成酶催化。SAM提供甲基后生成S-腺苷同型半胱氨酸（SAH），后者可水解成同型半胱氨酸。医学上认为，同型半胱氨酸在体内积累，会导致同型半胱氨酸血症，是心血管疾病的危险因子。同型半胱氨酸在体内的清除主要有以下两种途径：一是接受5-甲基四氢叶酸或甜菜碱的甲基经再甲基化途径生成蛋氨酸，二是与丝氨酸在胱硫醚β-合成酶（CβS）的催化下生成胱硫醚，再生成半胱氨酸[11]。如图2示。
图2：胍基乙酸与甲基供体联合生成肌酸途径。
（L-Arginine: L-精氨酸, Glycine: 甘氨酸, Guanidinoacetic acid: 胍基乙酸, L-Omithine: L-鸟氨酸, Creatine:肌酸, MET:蛋氨酸, S-adenosylmethionine: S-腺苷蛋氨酸, S-adenosylhomocysteine: S-腺苷同型半胱氨酸,HCY:同型半胱氨酸, Serine:丝氨酸, Cystathionine:胱硫醚,α-ketobutyrate: α-酮丁酸, CYS:半胱氨酸, N5,N10-methylenetetrahyfrofolate:N5,10-亚甲基四氢叶酸, N5-methyltetrahydrofolate:N5-甲基四氢叶酸, Tetrahydrofolate:四氢叶酸 ,CHOL:胆碱, BET aldehyde:甜菜醛（三甲基甘氨醛）, BET:甜菜碱, N,N-dimethyl glycine: N,N-二甲基甘氨酸 数字表示反应需要的酶 1:蛋氨酸腺苷转移酶 2:甲基转移酶, GAMT. 3:S-腺苷同型半胱氨酸水解酶 4:胱硫醚β合成酶(CβS) 5:胱硫醚γ水解酶 6:N-5,10亚甲基四氢叶酸还原酶 7:蛋氨酸合成酶 8:胆碱脱氢酶 9:甜菜醛脱氢酶 10: 甜菜碱-同型半胱氨酸-S-甲基转移酶（BHMT））
胞内SAM的浓度起着调节代谢途径的作用。高蛋氨酸水平时，胞内SAH浓度升高，激活胱硫醚β合成酶，将同型半胱氨酸生成胱硫醚以清除过量的蛋氨酸，同时SAH也抑制了N5,10-亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）的活性，即在蛋氨酸充足的情况下，抑制了不必要的蛋氨酸生成途径。而在低蛋氨酸水平下，胞内SAM浓度降低，会降低CβS的活性，减少同型半胱氨酸代谢排出的量，且同时也刺激了MTHFR，增加同型半胱氨酸的再甲基化反应，保证机体内必要的转甲基反应有足够的蛋氨酸量，即保护了机体氨基酸。这表明机体的营养状态决定了蛋氨酸和同型半胱氨酸代谢的途径 [12]。
有研究表明，胍基乙酸甲基化反应中每日所需的甲基供体数量与日常饮食中的甲基供体量（蛋氨酸和胆碱）大致相同。如果将蛋氨酸的合成也考虑在内，则肌酸合成所需的甲基供体量占体内总量的70%[13]。这表明日粮中添加胍基乙酸易引起甲基供体需求量的增加，进而导致同型半胱氨酸在体内的积累[14]。这就需要在添加胍基乙酸的同时增加甲基的需要量[15][16][17]。Setoue 等(2008)[14]，孙丽翠等(2015)[18]的实验表明，在小鼠饲粮中添加胆碱和甜菜碱，能显著降低血液中的同型半胱氨酸含量。Pillai等（2006）研究表明，低蛋白饲粮中添加胆碱和甜菜碱，能提高仔鸡的日增重和采食量，且增加了同型半胱氨酸的再甲基化量[11]。
3
胍基乙酸与甜菜碱联合使用在动物生产中的应用
胍基乙酸作为饲料添加剂，在提高动物的生长性能、改善料肉比[19][20][21][22[23]、有效替代青年鸡饲粮中的精氨酸[24][25]、改善动物的繁殖性能及对后代的影响[26]等方面发挥显著的作用。DeGroot等(2018)报道饲粮中添加胍基乙酸可节省肉鸡饲粮中的精氨酸量，且提高日增重和肌肉能量存储量[27]。Kodambashi等(2018)报道饲粮中添加1.2g/kg胍基乙酸可改善肉鸡在低温下的空肠绒毛表面积，改善腹水情况[28]。Ramin等（2017）报道饲粮添加胍基乙酸能改善肉用种公鸡的质量和繁殖性能，能延长商业鸡场的种鸡使用年限[29]。付亚楠（2015）研究报道，在育肥猪饲粮中添加胍基乙酸能增加肌肉中蛋白质的沉积，在肌肉生长发育分子调控中发挥正向作用，抑制肌肉生长发育的负向调控因子[30]。
在猪生理条件下，相较于胆碱，甜菜碱在体内与同型半胱氨酸合成新的甲基供体蛋氨酸的过程更直接。Brosnan(2009)研究发现哺乳仔猪体内重新合成蛋氨酸之甜菜碱的途径最为便捷，肝脏中BHMT、MS等甜菜碱酶系活性大于四氢叶酸路线酶系的活性。哺乳仔猪或高速生长阶段可能需要更多的甲基供体，母猪常乳中不含甜菜碱，尽管每周可以提供6.5mmol的胆碱，在体内胆碱合成甜菜碱发挥作用还需要依赖合成磷脂和乙酰胆碱的数量的胆碱分配比例。因此实际日粮中添加甜菜碱与胍基乙酸的联合效应更值得深入研究。
在目前对胍基乙酸与甜菜碱在动物生产中联合使用的研究报道还比较少，张堂田等（2011）研究表明，胍基乙酸与甜菜碱联用比胍基乙酸单独使用，更能改善生长育肥猪的饲料转化率，提高屠宰率和瘦肉率[31]。刘洋(2015)的研究表明，饲粮中添加胍基乙酸和胍基乙酸与甜菜碱联合添加均能显著提高育肥猪的生产性能、肌肉品质，且胍基乙酸与甜菜碱联用效果更佳，但甜菜碱对胍基乙酸在改善生产性能、屠宰性能、肌肉品质和宰后能量代谢方面促进作用效果统计上不显著，可能的原因是基础日粮中已含有足够的甲基供体[32]。
4
展 望
胍基乙酸作为新型的饲料添加剂，与之相关的营养研究工作还有许多空白，比如不同动物在各年龄段和特定生理和生产条件下，胍基乙酸的适宜添加水平，添加胍基乙酸后基础饲料中的甲基供体是否充足，不同甲基供体提供甲基的有效性，甲基供体添加量与胍基乙酸添加量的平衡比，以及添加胍基乙酸后在特定阶段对精氨酸的节约效应等，将会是未来的研究热点。