鉻在動物營養中的作用及其機理研究進展

劉進軍，郭勇慶，劉 潔，任二軍，梁國明，韓學良

（石家莊市農林科學研究院，河北石家莊050041）

鉻是動物機體必需的微量元素之一，參與動物體內糖、脂肪、蛋白質的代謝，在緩解畜禽應激、提高免疫力、改善繁殖性能、提高胴體品質、促進生長等方面均有明顯作用。

1 鉻的生理學功能及其作用機制

鉻最核心的生理功能是作為葡萄糖耐受因子（GTF）組成部分提高胰島素的功能而影響糖類、脂類、蛋白質和核酸等代謝 （郭玉華等，2004）。GTF是維持動物血液中葡萄糖水平正常的一種物質，其化學結構尚不完全清楚，但通常認為是一種鉻的煙酸鹽。

1.1 鉻在糖代謝中的作用

1.1.1 鉻與葡萄糖耐受因子 鉻在維持動物體內血糖濃度平衡系統中起著重要作用，而在血糖濃度平衡系統中具有重要作用的兩種活性物質分別是胰島素和GTF。GTF是胰島素的協同因子，可以協助和加強胰島素在體內的作用，而鉻是GTF的主要活性成分，所以鉻的典型生物學功能是作為胰島素的增強劑。家畜采食后體內未被利用的葡萄糖通常以肝糖元的形式貯存于肝臟中，或轉變為三酰甘油作為能量的儲備，這兩種轉化都需胰島素的作用才能完成，胰島素是糖代謝的核心物質，而胰島素是通過與細胞表面特定受體接觸而發揮作用的，三價鉻形成的GTF能夠增加細胞表面胰島素受體數量或激活胰島素與細胞膜受體之間的二硫鍵形成以促進胰島素與特定受體的結合，或二者同時作用，以促進肝糖元生成，抑制糖元分解，刺激組織細胞對葡萄糖的攝取，并促進糖轉變為脂肪，從而使血糖降低，從而提高糖元合成量，使葡萄糖迅速轉移到組織并被利用。

鉻的主要作用發生在葡萄糖利用的最初階段，在給豬飼喂0.2 mg/kg甲基吡啶鉻后，葡萄糖的消失率提高，半衰期縮短，證實鉻提高了組織對胰島素的敏感性 （Amoikon等，1995）。 劉兵等（2006）研究發現，添加吡啶羧酸鉻能顯著降低豬血清中葡萄糖的含量。

1.1.2 鉻與葡萄糖轉運體-4和胰島素受體底物-1 葡萄糖轉運體-4（GLUT-4）是胰島素及其受體系統發揮其生物學效應的關鍵物質。吳蘊棠等（2005）研究了鉻對糖尿病大鼠骨骼肌組織基因表達的調控作用。在試驗中運用mRNA差異顯示技術探討鉻對糖尿病大鼠代謝相關基因表達的影響，為闡明鉻調控糖尿病代謝紊亂的分子機制提供理論依據和試驗基礎。同源性比較結果顯示Cr-3與GLUT-4的同源性為98%；Cr-5與胰島素受體底物-1（IRS-1）的同源性為100%，RT-PCR驗證結果顯示GLUT-4表達量在糖尿病補鉻組高于糖尿病對照組。從而得出結論為：鉻可誘導糖尿病大鼠骨骼肌中GLUT-4 mRNA的表達，這可能是鉻改善糖尿病糖、脂代謝紊亂的分子機制之一。Chen等（2006）研究認為，吡啶羧酸鉻可以增強胰島素刺激后的GLUT-4轉位，但機制卻與胰島素信號通路無關，而與吡啶羧酸鉻降低細胞膜膽固醇的含量有關。

研究表明，三價鉻化合物可以增加胰島素受體（IR）的數量和活性，可以使胰島素信號通路中蛋白激酶B的磷酸化增強，但對胰島素受體底物（IRS）并沒有使其磷酸化表達增強的作用（王毅群和姚明輝，2007）。IRS-1是一種受體后信號傳導蛋白，是胰島素受體底物（IRSs）蛋白家族中的一員，廣泛分布于胰島素敏感組織內。胰島素一旦結合于IR，不僅使IR自身β亞基膜內部分的酪氨酸殘基磷酸化，提高其酪氨酸蛋白激酶活性，還使其膜內底物即胰島素受體底物（IRSs）的酪氨酸殘基磷酸化。IRSs作為一種船塢蛋白，它的磷酸化為下游的信號傳導蛋白提供了一個高親和力的位點，募集下游含有SH2功能域的信號分子與之結合，即通過與磷脂酰肌醇3-激酶（PI3-K）的P85亞基結合并招募催化亞基P110，從而激活PI3-K，而PI3-K的激活是GLUT-4從胞內到脂膜易位的關鍵，最終導致GLUT-4轉位到細胞膜上。孫忠等（2005）研究了補鉻對糖尿病大鼠骨骼肌IRS-1基因表達的影響，研究結果表明糖尿病對照組IRS-1 mRNA表達量 （0.791±0.038） 低于正常對照組 （0.892±0.053，P ＜ 0.05），糖尿病補鉻組 IRS-1 mRNA 的表達量 （0.822±0.066）與糖尿病對照組相比有所恢復，但尚未恢復到正常水平（P＞0.05）。從而得出結論：補鉻對糖尿病大鼠骨骼肌IRS-1 mRNA表達有上調趨勢，Cr-5將作為候選基因有待于進一步研究；并說明IRS-1表達水平的降低可能是產生胰島素抵抗的原因之一，這為闡明鉻改善糖尿病大鼠糖、脂代謝紊亂分子機制提供了線索。

1.2 鉻在脂肪代謝中的作用 三價鉻作為葡萄糖耐量因子不僅參與碳水化合物的代謝，還參與脂肪的代謝過程。試驗表明，微量元素鉻和脂肪代謝密切相關（陳炳卿，1992）。鉻對脂類代謝的影響主要是參與維持血液中正常膽固醇水平（Page等，1993）。研究表明，鉻在體內血清膽固醇平衡中起作用，主要通過兩個機制調節脂類代謝：一是缺鉻胰島素活性降低，并通過糖代謝誘發脂類代謝紊亂，而補鉻可增加胰島素活性而調節脂代謝，從而改善血脂狀況；二是鉻可增強脂蛋白脂酶（LPL）和卵磷脂膽固醇?；D移酶（LCAT）活性，這兩種酶參加高密度脂蛋白（HDL）合成，體內缺鉻時LPL、LCAT活性下降，HDL合成減少 （郭玉華等，2004）。仲菊（1997）指出，鉻主要是通過改善糖代謝以及通過加強脂蛋白脂酶和卵磷脂膽固醇?；D移酶的活性來影響脂類代謝，并且作用程度顯著與否與動物機體的鉻水平、飼料、添加劑和環境因素有關。

孫長顥等（2001）證實了鉻對大鼠肥胖基因表達和體重的影響及與血糖、血脂的關系。他們分別應用基礎飼料對照組、基礎飼料加鉻組（不同劑量的葡萄糖酸鉻）、高脂飼料對照組、高脂飼料加鉻組（不同劑量的葡萄糖酸鉻）4種日糧飼養80只大鼠，結果表明加鉻組與對照組相比，瘦素水平顯著降低（P ＜ 0.05）。 血糖、總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）顯著降低 （P<0.05），高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）顯著升高（P<0.05）。 從而得出結論鉻對大鼠體重的影響不大，但可抑制肥胖基因的表達，同時具有降低血糖、TC、TG和升高HDL-C的作用。陳世偉等（2004）研究了吡啶酸鉻（三價）對肥胖大鼠體重及其脂質代謝的影響，結果表明吡啶酸鉻有改善大鼠肥胖及降低高血脂水平的作用。該研究發現吡啶酸鉻可降低肥胖基因的表達產物瘦素水平，提示吡啶酸鉻可能是通過降低瘦素內源性抵抗等內環境的調節作用來實現減肥作用的。

郭艷麗等（1999）、劉彩霓和咼于明（1997）使用酵母鉻后都發現肉仔雞的腹脂減少，脂肪代謝受到影響。喬富強等（2007）通過研究也發現有機鉻影響了肉雞的脂質代謝，與錳互作，有顯著降低肉雞脂肪沉積的趨勢。段銘等（2003）研究了吡啶羧酸鉻對肉仔雞血清生化指標及肝臟中相關酶基因表達的影響，結果表明給4～6周齡肉仔雞日糧中添加1 mg/kg吡啶羧酸鉻后，TG、TC、低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白均有下降的趨勢，而高密度脂蛋白有上升的趨勢，但是差異均不顯著（P＞0.05）。運用RT-PCR定量三種基因（脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶、β-羥甲基戊二酰輔酶A還原酶基因）的mRNA，結果表明添加鉻后脂肪酸合成酶和β-羥甲基戊二酰輔酶A還原酶的轉錄明顯受到影響，分別比對照組下降34.82%和48.26%，而乙酰輔酶A羧化酶受影響很小，其轉錄僅下降了3.87%。從而得出與郭艷麗（1999）、劉彩霓和咼于明（1997）相似的結論：在日糧中添加有機鉻可以影響動物的脂肪代謝。但段銘等（2003）認為，試驗日糧中添加1 mg/kg吡啶羧酸鉻對肉仔雞機體內脂肪代謝的影響程度不明顯。

1.3 鉻在蛋白質及核酸代謝中的作用

1.3.1 鉻與蛋白質代謝 鉻對蛋白質代謝的影響主要是促進氨基酸進入細胞，從而促進蛋白質合成。這是因為鉻可通過加強胰島素功能起到類似營養再分配劑的“定向沉積作用”，通過改變機體營養的流向，使營養物質趨向于肌肉生長，而不是轉化為脂肪 （徐桂英等，2006）。朱良印和鄭林英（2006）研究結果表明，鉻可能通過啟動胰島素與其受體細胞膜的二硫鍵連接而促進葡萄糖與氨基酸進入細胞，在生長激素及類胰島素生長因子I的作用下，促進細胞內的蛋白質合成。另一種觀點表明，鉻可能通過促進甘氨酸、絲氨酸和蛋氨酸等氨基酸在組織內的貯存，增強肝臟利用甘氨酸、絲氨酸、蛋氨酸合成蛋白質的能力。

Kim等（1997）研究表明，在雞日糧中添加0.4 mg/kg鉻可促進日糧蛋白質利用水平提高，消化代謝試驗結果表明補鉻組比對照組雞群氨的排泄量減少了33.2%。李麗立等（2001）報道，在肉鴨日糧中添加酵母鉻，可降低干物質排泄量15.52%，減少蛋白質排泄9.72%，增加氮存留。張偉（2005）在用不同水平三價鉻飼喂肉仔雞時也得出與Kim等（1997）相似的結論。

1.3.2 鉻與核酸代謝 鉻與維持核酸結構的完整性有關。鉻主要積累于細胞核核仁，當DNA與鉻結合后，DNA上原有的合成RNA非活性啟動位點顯現出功能性；另外，核中積累的鉻可以激活核染色質以及形成一種分子量為70 kD的鉻結合蛋白，這兩種作用共同促進RNA的合成，這種鉻蛋白與核染色質相結合，使其結構變得松散，增加染色質DNA中的β結構，這種結構又有利于鉻蛋白的結合并促進RNA的合成；同時，鉻增加了合成RNA的DNA模板活性，DNA上原有的合成RNA的非活性啟動位點呈現出功能性，啟動位點增加，促進RNA的合成（張偉，2005）。鉻在核酸中含量較高，有助于核酸結構完整性和穩定性的維持。目前對其作用機制尚不清楚，但據RNA對熱變性穩定的性質表明，鉻在維持蛋白質三級結構中起著重要作用。鉻在細胞核中累積似乎還表明Cr3+有改變和調節基因的能力（郭玉華等，2004）。

對鉻與DNA作用的色譜學研究表明，Cr3+催化核苷三磷酸分子脫去焦磷酸，并且通過DNADNA交聯而促進DNA的聚合（張偉，2005）。有研究表明，添加1 μmol/L的甲基吡啶鉻，可明顯促進心肌質膜Ca2+-ATP酶mRNA的表達及蛋白質合成（張偉和韓友文，2000）。

2 鉻與糖、脂肪、蛋白質及核酸代謝的綜合關系

通過大量動物試驗和臨床試驗證明，鉻可能是通過與胰島素的協同作用來發揮其生理活性而影響動物機體的糖類、脂類和蛋白質的代謝，進一步改變了物質代謝的沉積和利用方向。吳永勝和董國忠（2000）提出鉻調節葡萄糖、脂肪和蛋白質代謝的作用模式：當動物采食富含鉻的日糧后，鉻經機體吸收，能增強胰島素的功能，重新激活“葡萄糖支路”，加快血液中葡萄糖的遷移，即葡萄糖快速由肝臟轉移到其他組織，并被利用。食物中提供或過剩的未被利用的葡萄糖轉變為三酰甘油，暫時以脂肪的形式貯存，作為能量貯備庫，而不是以脂肪沉積下來。GTF鉻動員脂肪組織使其水解，生成的脂肪酸通過β-氧化途徑氧化供能，為其他組織的正常代謝或生理功能的發揮提供所需的能量。另外，血液循環中的尿素氮含量減少，表明蛋白質合成代謝增強；尿素氮被部分利用作為氨基酸和蛋白質合成的氮源。這樣就有利于蛋白質的合成和沉積，表現為肌肉的增加，即有機鉻協同胰島素發揮生理作用，改變了物質代謝的沉積和利用方向。

另外，還可從生理方面來解釋鉻與糖類等代謝的關系。補鉻可提高胰島素效率，一方面鉻通過提高糖元合成酶活性促進葡萄糖合成糖元并儲存于肝臟與肌肉；另一方面，鉻提高了胰島素效率后通過抑制糖異生途徑中的關鍵酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶來抑制糖的異生，同時通過提高糖酵解限速酶——磷酸果糖激酶的活性促進葡萄糖的酵解，促進葡萄糖合成脂肪酸，最終通過提高三羧酸循環的效率而增強脂肪的分解，促進了脂肪的利用（張偉，2005）。張偉和韓友文（2000）試驗結果表明，補鉻提高了脂肪酸合成酶活性；另外，鉻也增加了組織及血漿中脂蛋白脂酶的活性，而且鉻也通過提高胰島素效率增強了胰島素對胰高血糖素的協同脂解作用，這兩種作用共同使組織中的甘油三酯分解為游離脂肪酸，從而使血漿游離脂肪酸水平上升。能量效率的提高一方面為蛋白質的合成提供充足的能量供給，另一方面減少了氨基酸降解供能，同時，補鉻促進細胞對氨基酸的吸收，促進了蛋白質的吸收與沉積。

3 小結

綜上所述，鉻在動物體內糖、脂肪、蛋白質代謝調控過程中起著一定的作用。鉻主要作為胰島素輔助因子來增強胰島素活性，提高動物機體對葡萄糖的耐受量，進一步對攝入細胞中的葡萄糖和氨基酸的代謝起調節作用；鉻在調節糖代謝的同時，還能降低氨基酸代謝成尿酸隨尿排出體外的水平，從而提高機體利用氨基酸合成蛋白質的效率；同時通過調節體內核酸代謝以及脂類代謝，從而發揮出一系列生物學效應。在動物生產中主要表現為鉻能改變物質代謝的沉積和利用方向，進一步影響動物的生長、繁殖、產品品質及抗病力。闡明鉻與糖、蛋白質等的吸收代謝關系，對于動物生產有重要的指導作用，可以確定鉻在飼料中的適宜添加量，促進動物對鉻的消化吸收及有效利用，以及減少鉻的排泄量，從而減少鉻對環境的污染。

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