硫辛酸的生物学功能及其在动物生产上的应用

河南工业大学生物工程学院 张勇 刘涛 刘来亭*

硫辛酸（lipoic acid，LA）亦称 α-硫辛酸（Alpha-lipoic acid，LA）是类维生素物质，有很强的抗氧化活性，和其还原态二氢硫辛酸（DHLA）一起被誉为“万能抗氧化剂”。

1 硫辛酸的结构特性

α-硫辛酸（alpha-lipoic acid，LA），化学名1，2-二硫戊环-3-戊酸（1,2-dithiolane-3-pentanoic acid），分子式C8H14O2S2，相对分子质量为206.33。LA的还原形式为二氢硫辛酸（dihydrolipoic acid，DHLA），抗氧化性更强。LA是一种在酵母、菠菜和肉类中发现的生物因子，是能量代谢中的基本辅助因子，由Reed于1951年从猪肝脏中提取，主要以化合物的形式广泛存在于所有种类的原核细胞及真核细胞，参与能量代谢（Reed,1998）。

2 硫辛酸的生物学功能

2.1 硫辛酸的抗氧化性 最初发现LA是能量代谢中一系列脱氢酶的辅基，但研究最广泛的是其抗氧化方面的特性。LA含有S、C原子组成的封闭环状结构，电子密度高于含S、C原子的单链化合物，如：还原型谷胱甘肽（GSH）、胱氨酸等，因此能发挥较强的抗氧化功能。抗坏血酸（ascorbate，AsA，VC）和生育酚（a-tocopherol，VE）是经典的抗氧化剂。VC是细胞外液抗氧化防御体系的第一道防线，但因其为水溶性，对细胞膜的保护性差，抗氧化作用只是依靠可逆的脱氢反应来完成。VE为脂溶性，对生物膜结构及功能有较好的保护作用，抗氧化能力较强。LA的相对分子质量比VC大，碳原子多于VC，易溶于脂膜；与VE相比，LA分子末端的羧基（-COOH）使其溶于水的能力增强（汤春芳等，2005）。LA是已知的唯一可在水相又可在脂相中溶解的抗氧化剂，能被消化道轻易吸收，可以分布到机体的各个部位发挥作用，甚至能透过血脑屏障，保护神经系统免受氧化损伤（Morini等，2004）。目前对LA的抗氧化性研究主要在4个方面：金属螯合能力、清除活性氧、再生内源性抗氧化剂和修复氧化损伤。LA和DHLA都具有螯合金属离子及清除活性氧的能力，但体外试验证实，仅DHLA可以修复氧化损伤，并通过抗氧化剂之间一系列协同反应使已被利用的其他抗氧化剂（如VC、GSH等）循环再生（Biewenga等，1997）。

2.1.1 螯合金属能力 在极化非水溶性溶液中，LA 可与 Mn2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等形成复合物，但不与Fe3+结合；DHLA 可与 Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+及 Fe3+螯合。 羟自由基（·OH）清除试验证明，Fe2+诱导脱氧核糖氧化损伤，反应体系中加入LA后可夺取与脱氧核糖结合的Fe2+，降低·OH生成量从而减轻脱氧核糖氧化损伤。脂质过氧化试验也证明，在VC+Fe2+体系诱导的氧化反应中（VC表现为促氧化性），LA与VC竞争结合Fe，阻止VC将Fe3+还原为Fe2+，起到保护脂质过氧化损伤的作用。对培养的晶状体上皮细胞Fe代谢进行研究，结果发现，LA可降低细胞从转铁蛋白摄入Fe的量，促进Fe在该蛋白的结合，减弱了细胞质内Fe的反应性，降低Fe诱导的氧化反应对细胞的损伤（Lodge 等，1998）。

2.1.2 清除ROS LA可以直接清除ROS，例如，·OH、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）、过氧化亚硝基（·ONOO）和次氯酸（HClO）等，也可以作为氧化还原反应链中的阻断剂参与抗氧化，如与自由基的中间体反应，使这些活性基团无法从周围的脂质中获取H，阻断氧化过程。

2.1.3 再生内源性抗氧化剂 抗氧化剂在氧化还原过程中被消耗，但是不同抗氧化剂之间通过一系列协同反应可以循环再生，提高抗氧化剂的利用效率。

LA增强与GSH相关的酶活性，DHLA能将胱氨酸还原为半胱氨酸，细胞对半胱氨酸吸收能力大于胱氨酸，有利于GSH合成，提高细胞内GSH水平。小鼠给予LA可显著提高组织内半胱氨酸含量，最终可恢复脑内因衰老而降低的GSH水平（Rezk 等，2004）。LA 是 GSH 中巯基（-SH）的亲核基团，能阻止GSH在解毒过程中被ROS氧化为氧化型谷胱甘肽（GSSG），并能持续提高GSH还原酶的活性（Shila等，2005）；谷胱甘肽还原酶将GSSG还原为GSH时必须有NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）参与，LA在细胞缺乏NADPH的条件下也能转变为DHLA，通过后者还原GSSG：DHLA+GSSG→ LA+2GSH。此外，LA与DHLA作为一对氧化还原剂，具有较低氧化还原电位（-0.32 V），是活性很强的还原剂，即使细胞氧化势能较低，LA也能转变为DHLA（Moini等，2002）。

2.1.4 修复氧化损伤 对于更新和再生能力低的生物大分子（如蛋白质），氧化损伤后的修复则尤为重要。蛋氨酸的某些残基受到氧化破坏时会导致其失活，这些残基的修复需要肽-甲硫氨酸亚砜还原酶（PMSR），LA可参与还原PMSR修复蛋氨酸残基，二氢硫辛酰胺（二氢硫辛酸的结构类似物）可还原硫氧还蛋白酶，后者有利于提高PMSR水平和活性，间接修复氧化导致的蛋氨酸残基损伤，恢复蛋氨酸活性（Biewenga等，1997）。这种功能对于蛋白质等生物大分子受损后修复，维持机体稳定性具有重要意义。

2.2 硫辛酸在能量代谢中的应用 三羧酸循环是糖、脂肪和蛋白质3种主要的有机物在体内彻底氧化供能的共同通路，被称为有氧代谢的中枢。LA是三羧酸循环的两个重要酶系——丙酮酸脱氢酶复合物和α-酮戊二酸脱氢酶复合物的辅基，在能量代谢中发挥重要作用。

2.2.1 丙酮酸脱氢酶复合物的辅酶 该酶复合物主要由3种酶组成丙酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酰胺乙酰基转移酶（E2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）。E2是该酶系的核心酶，LA通过酰胺键与赖氨酸残基共价结合成硫辛酰胺（lipoamide）作E2的辅酶，仿佛一个摆臂在酶复合体之间活动，功能为参与转酰基，将生成的丙酮酸氧化脱羧为乙酰辅酶A（乙酰CoA）进入三羧酸循环。

2.2.2 α-酮戊二酸脱氢酶复合物的辅酶 该酶复合物也有3个主要的酶：α-酮戊二酸脱羧酶，辅酶为TPP（硫胺素焦磷酸）；二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶，辅酶为LA；二氢硫辛酸脱氢酶，辅酶为FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）。其中二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶为该酶复合物的核心酶，也是三羧酸循环中主要的限速酶之一。LA作为该酶的辅基，其功能为将琥珀酰硫辛酰胺的琥珀酰基转移给CoA，形成琥珀酰CoA。反应过程中，LA和DHLA作为氧化还原剂，将电子从脱氢酶系的底物转移给NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），实现电子传递。由此可见，在三羧酸循环乃至糖的氧化代谢的整个过程中，LA都发挥着举足轻重的作用。左旋肉碱（L-carnitine）是一种线粒体代谢产物，许多研究表明，它与LA联合使用能够恢复和提高线粒体功能，减弱线粒体氧化应激，增强由于衰老而降低的某些线粒体酶活性，提高线粒体能量产生和利用率，有效改善衰老所致的线粒体功能下降，对保护脑部线粒体功能也有重要作用（Liu等，2002）。 Savitha等（2005）每日给衰老大鼠按每千克体重补充左旋肉碱300 mg和LA 100 mg，30 d后线粒体三羧酸循环和电子传递链上的相关酶活性恢复并接近正常水平。

3 硫辛酸在动物上的应用

3.1 在反刍动物上的应用 Rentfrow等（2004）给阉牛饲喂不同剂量的LA后，观察其对肉品质的影响，结果显示，每千克体重添加量为24 mg时能显著提高L*（L*是亮度值，此值越大说明肉的颜色越有光泽）；每千克体重添加量为16 mg时，牛肉的Hue angle（Hue angle是衡量肉质红色的指标，此值越小说明肉质颜色越偏向红色）值显著降低，试验结果表明LA能改善牛肉色泽。Schmidt等（2005）在育肥阉牛饲粮中按每千克体重添加8 mg和16 mg LA时，16 mg LA添加组极显著降低了牛肉的沃布氏剪切力，改善了肉质嫩度。

3.2 在猪上的应用 Maddock等（2000）在对14头断奶仔猪的研究发现，每千克体重添加56 mg LA饲喂11 d，结果明显抑制了由脂多糖（LPS）引起的应激性皮质醇升高，并且LA组与对照组相比，中性粒细胞（P<0.04）和淋巴细胞计数（P<0.02）均显著增加，说明LA对仔猪免疫应答水平有一定的促进作用。

Maddock等（2001）报道，在给仔猪每千克体重补充35 mg和75 mg LA时，对照组ADG和ADFI都显著高于LA组（P<0.05），原因可能是LA分子中含有二硫键，导致饲料风味降低，引起仔猪采食量下降；添加35 mg LA组有降低血糖的趋势。还有研究表明，每千克体重添加8 mg和15 mg LA，血清中性粒细胞和淋巴细胞计数极显著提高（P<0.003），说明LA对仔猪免疫力有一定的促进作用。

Berg等（2003）报道，给48头杂交猪饲喂高淀粉的饲粮，LA和肌酸一水化合物（CMH）混入玉米粉中添加到饲料中，LA添加组提高了胴体重，显著增加了45 min后背最长肌的pH值（P=0.029），降低了臀中肌、腰肌的肉质黄度，升高了半膜肌的肉质红度，降低了背最长肌24 h后的滴水损失和半膜肌7 d后的净损失，降低了烹调损失和沃尔氏剪切力。以上数据表明，添加LA改善了猪的肉质，增加了pH值，防止肉酸败；沃尔剪切力降低说明肉的嫩度较好。

3.3 在禽上的应用 热应激下，机体自由基大量生成，细胞膜结构与功能的完整性受到破坏，严重影响产蛋鸡的生产性能和健康。白兆鹏等（2004）首次将LA应用于热应激状态下产蛋鸡，研究发现，常温状态下，饲料中添加100 mg/kg LA的蛋鸡在整个应激期的产蛋率最高，添加400 mg/kg LA时蛋重最大，从整个应激期内平均值来看，饲料中添加50 mg/kg和100 mg/kg LA组的料蛋比均低于其他组。从综合指标看，LA在蛋鸡中的适宜添加量为50～100 mg/kg。

杨国宇等（2003）研究了LA对肉仔鸡脂肪代谢的影响，结果显示，日粮中LA添加量为60 mg/kg和100 mg/kg时，血清中总胆固醇、甘油三酯含量显著下降，游离脂肪酸含量显著上升（P<0.05）。肝脏脂肪含量随LA添加量增大呈下降趋势，证明饲料中添加LA能有效地改善正常肉鸡体内脂肪代谢。

4 小结

硫辛酸作为一种功能强大的抗氧化剂，在体外以及试验动物上研究得较多，其抗氧化功能已经得到了证实，只是在畜禽上的研究很少。LA抗氧化性能优于VC和VE。机体总的抗氧化能力是体内各种抗氧化剂与抗氧化酶协同作用的结果，LA与其他抗氧化剂共同作用可能不仅仅是简单的加合效应，可能会有协同作用。随着研究的进一步深入，LA作为一种优良的生物抗氧化剂，其应用前景十分广阔。

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