动物机体渗透压调节及其机制

王海超，李思思，冯 杰

（浙江大学动物科学学院，浙江省动物营养重点实验室，浙江杭州 310058）

在畜牧生产过程中，动物往往会因内外环境的变化而产生各种应激。正常情况下，机体的渗透压维持在300 mOsm/kg[1]。当动物遭受应激时，动物机体的水盐代谢会受到影响，阴阳离子失衡，渗透平衡遭到破坏，影响动物对营养物质的吸收和利用[2]，进而影响畜禽的生长性能和生产性能及畜牧养殖的生产效益。 本文主要综述了高渗应激对动物机体造成的伤害和机体的渗透调节，并探讨了渗透应激的营养调控策略，旨在为动物机体渗透压调节研究和应用提供理论依据。

1 动物生产过程中的渗透应激

水是生命之源，水含量占机体60%左右[1]。构成生命体的细胞生活在水环境中，其中在细胞内部的液体称为细胞内液，约占总含水量的2/3。在细胞外部，机体内部的液体称为细胞外液，约占总含水量的1/3，主要由组织间液和血液组成，另有少量的脑脊液和淋巴液[1]。大部分细胞都处于等渗的液态环境中，而在哺乳动物的肾脏内髓细胞中，由于存在尿液的浓缩和稀释，细胞外液的渗透压波动较大，甚至可以达到1 400 mOsm/kg[3]。饲料中含有大量的离子和养分，混杂在胃肠道的消化液中。作为营养物质吸收的主要场所，小肠内含有大量的水、离子及其他生物大分子等营养物质[4]，因此小肠细胞在吸收时也处于高渗状态。当细胞外液渗透压升高时，由于水的跨膜运动，细胞会坍缩，从而导致机体脱水，损伤器官或组织。如果发生在脑部和神经组织，会造成不可逆转的致命伤害[5-7]。在畜牧生产过程中，水盐代谢更容易受到外界环境的干扰而产生渗透应激。Lara等[8]发现，热应激的家禽大量分泌汗液导致水分流失，呼吸频率增加引起呼吸性碱中毒，血液中钙离子浓度降低，降低了蛋品质和生产性能。以腹泻为典型症状的断奶应激会导致动物机体大量脱水，渗透平衡遭到破坏，严重影响了动物的生长性能[9]。当机体受到病菌感染时，细胞的通透性会发生改变，离子和水分可以自由进出细胞，病菌的代谢产物也会进入细胞，导致机体的免疫力下降，严重时还会使动物发病[10]。

2 高渗对动物细胞的伤害

在高渗环境中，由于动物细胞内部的渗透压低于细胞外液，从而导致水分流失，使细胞脱水，造成细胞体积缩小[3-4]。同时使胞内离子浓度和张力增加，生物大分子在细胞内积聚，导致DNA损伤和细胞骨架改变[11]。在体外培养的mIMCD3细胞中发现，培养基的渗透压从正常的300 mOsm/kg急剧增加到500～600 mOsm/kg时，会对细胞内部的DNA产生严重的破坏，DNA片段破碎，转录和翻译受到抑制，细胞停止生长[12]。在高渗环境中，G1期的细胞不能起始DNA的复制，S期正在分裂的细胞停止分裂，处于G2期的细胞也不分离[13]。当渗透压恢复到正常水平时，细胞能够对受损的DNA进行修复，使细胞快速的复制，但是仍有很多破碎的DNA片段[14-15]。研究发现，当DNA发生破碎时，核蛋白Mre11能够快速结合破碎的DNA片段，从而启动DNA的修复[16]。同时，在DNA破碎处的组蛋白H2AX被磷酸化修饰[16]。但在高渗条件下，Mre11被迫由核中转移到细胞质中，从而使Mre11不能与染色体结合，导致受损的DNA得不到修复[17]。当渗透应激超过一定水平，坍塌的细胞体积得不到恢复，细胞无法适应这样的高渗环境，机体就会抑制p53对损伤细胞的修复，使细胞进行程序化死亡，即细胞凋亡[18]。

3 动物机体对渗透压的调节

渗透调节是机体细胞通过调节水的跨膜流动从而维持细胞结构和功能的能力。哺乳动物通过一系列的机制来调节水盐代谢，使体液处于一种相对稳定的状态[19]。

3.1 机体整体性调节 应激反应是机体在受到内外环境刺激时所产生的非特异性全身性反应。当遭受渗透应激时，动物机体会同时激活交感-肾上腺髓质系统和下丘脑-垂体-肾上腺皮质激素系统，不仅能够提高机体对外界刺激的基础耐受能力，而且能够提高机体的应变能力[20]。而机体渗透压的改变与水分进出细胞有关。因此，维持渗透压的平衡需要维持细胞外液容量的恒定。细胞外液的渗透压和容量主要受神经内分泌机制的调节。当细胞外液的渗透压升高时，渗透压感受器会兴奋，当神经冲动传到垂体后叶的神经末梢时，会引起抗利尿激素（Antidiuretic Hormone，ADH）的释放[21]。ADH作用于肾脏的远曲小管和集合管，促进肾脏对水分的重吸收。渗透压感受器的兴奋会刺激渴觉中枢，从而增加机体对水分的摄入。渗透压的升高也会刺激肾素-血管紧张素-醛固酮系统（Renin-Angiotensin-Aldosterone，RAAS）[22]。醛固酮作用于肾脏的远曲小管，调节肾脏对Na+的重吸收。当RAAS兴奋时，肾小管对Na+的重吸收增多，同时能够保留一定量的水分稳定渗透压；反之，醛固酮分泌量减少，远曲小管对Na+的重吸收减少，甚至停止，过量的Na+就会排入尿中。钠盐的排出伴随一定量的水分排出，从而维持渗透压的稳定。

3.2 细胞自身性调节 渗透压是水跨膜流动的源动力，渗透压变化会导致水流入或流出细胞，从而改变细胞的体积，因此维持渗透压的衡定对细胞体积的大小至关重要[23]。在高渗应激条件下，细胞本身可以通过无机离子和有机渗透剂进行调节，从而维持生命的正常运转。

3.2.1 无机离子的调节 无机离子能够对细胞体积的改变做出快速且有效的反应，主要通过调节细胞膜上的跨膜离子通道的通透性实现对细胞体积的调节[24]。在高渗环境中，细胞脱水导致体积缩小，这时细胞会吸收离子使体积增大，这部分增大的体积称为调节性体积增大（Regulated Volume Increased，RVI）[25]。高渗会同时激活Na+/H+交换子和Cl-/HCO3-交换子[26]。通过Na+/H+交换子使Na+入胞，同时H+出胞。通过Cl-/HCO-3交换子使Cl-入胞，HCO-出胞。在胞外，H+和HCO-33在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，进而分解成水和二氧化碳[27]。这2个交换子协调作用使胞外的NaCl进入细胞，同时在胞外生成水，这样不仅通过胞外离子浓度的降低和水的生成双重作用来降低胞外的渗透压，而且增加了胞内的离子浓度和渗透压，降低细胞内外的渗透压差。高渗条件下，细胞膜上的Na+通道也会被激活，从而使胞外的Na+进入细胞，Na+的内流往往伴随着Cl-的内流。高渗还会激活细胞膜上的Na+-K+-2Cl-共转运载体通道和钠钾泵（Na-K-ATPase）的活性。Na+-K+-2Cl-通道同时将1个Na+、1个K+和2个Cl-转入细胞。而由Na+/H+交换子、Na+通道和Na+-K+-2Cl-通道进入细胞中的Na+被钠钾泵泵出细胞，同时将K+泵入细胞，以维持胞内高钾胞外高钠的离子状态。有些细胞会抑制膜上的K+通道和Cl-通道，防止K+和Cl-流出细胞[24]。这些细胞膜上离子通道综合作用的结果是KCl净流入细胞。

3.2.2 有机渗透剂的调节 虽然无机离子能够对外界的渗透变化迅速作出反应以维持细胞的体积，但大量的无机离子积聚在细胞内，会影响蛋白质的结构和功能，抑制酶的活性，阻碍细胞的正常生长[27]。有机渗透调节剂虽然只占渗透调节物质的10%～20%，但能够调节60%～70%的体液渗透压[28]。这是因为有机渗透剂浓度的变化不会影响机体的代谢。有机渗透剂主要包括3种类型：多羟基类化合物，如甘油、肌醇；甲胺类化合物，如甜菜碱、氧化三甲胺、甘油磷酸胆碱；氨基酸及其衍生物，如精氨酸、脯氨酸、牛磺酸[29]。有机渗透调节剂的合成基因或转运载体基因的表达受到严格的调控。

TonEBP/OREBP（Tonicity-Responsive Enhancer Binding Protein/Osmotic Response Element Bingding Protein） 是Rel家族的一个转录因子。正常情况下，TonEBP/OREBP分布在细胞质和细胞核之间。在高渗条件下，细胞可以通过多种途径激活TonEBP/OREBP[30-33]。TonEBP/OREBP激活后形成稳定的二聚体结构[34]，并进入细胞核，通过丝氨酸/苏氨酸磷酸化后与DNA结合从而启动下游基因的转录[35]，其下游基因至少包含1个DNA保守结构域渗透反应元件（Osmotic Response Element，ORE）或张力反应增强子（Tonicity-Responsive Enhancer，TonE），主要有山梨醇合成酶AR（Aldose Reductase）、甘油磷脂胆碱合成酶NTE（Neuropathy Target Esterase）、甜菜碱转运载体BGT1（Betaine Gamma-Amino Butyric Acid Transporter）、肌醇转运载体SMIT（Sodium Myo-Inositol Transporter）和牛磺酸转运载体TauT（Taurine Transporter）[36]。这些合成酶基因（AR、NTE）和转运载体基因（BGT1、SMIT、TauT）的表达使细胞内积累大量的有机渗透剂，一方面增强细胞内的渗透压，缓解高渗应激；另一方面置换出无机离子，稳定蛋白质的构象和功能，从而减少高渗对细胞的损伤。

4 渗透应激的营养调控策略

在畜牧生产中，可以通过营养调控策略来预防或缓解渗透应激[37]。渗透应激主要是由水盐代谢紊乱所致，因此，维持水盐代谢平衡有助于缓解渗透应激，而补充电解质有益于水盐代谢平衡。饮水是缓解渗透应激最简单有效的方法。通过调节日粮的电解质平衡（Dietary Electrolyte Balance，dEB），畜禽的生产性能得到明显改善。试验研究表明，dEB值在-50～400 mEq/kg时，动物的生产性能会随着dEB的增加而改善[38]。研究发现，KCl能够缓解渗透应激，提高动物的生产性能[39]。NaHCO3作为血液和组织中的缓冲物质，能够提高机体的抗应激能力[39]。NH4Cl可以抑制血液pH升高，有利于调节酸碱平衡，减缓渗透应激的危害[37]。 电解质的复合使用还具有协同作用。将电解质溶解到水中添加，不仅能够补充电解质，而且能增加动物的饮水量。在生化代谢过程中，维生素主要起辅酶催化作用。脂解作用是应激过程中的重要代谢途径，需要多种辅助因子参与酶促反应[40]。因此，动物在应激时对维生素的需要量增加，通过日粮或饮水添加维生素能够缓解应激。日粮中添加有机渗透剂可以有效调节机体的渗透压，不仅能够缓解渗透应激，而且不影响蛋白质的结构和功能。有研究发现，甜菜碱具有保水作用，在日粮中添加甜菜碱可以减轻感染球虫的家禽和腹泻仔猪的渗透应激[9,28]。

5 小结与展望

动物在应激条件下，水盐代谢会发生紊乱，离子平衡遭到破坏，渗透压发生改变。动物机体可以通过神经内分泌进行全身性调节，也可以通过细胞进行局部调节。在畜牧生产中还可以通过营养策略调控渗透应激。渗透调节的初期主要是无机离子起作用，而细胞对高渗环境的适应主要靠有机渗透剂进行调节[24]。关于有机渗透剂如何维持蛋白质的结构稳定性和功能，可能是有机渗透调节剂和蛋白质的直接作用，与霍夫梅斯特序列特性有关[41]；也可能通过有机渗透剂-无机离子-蛋白质复合体而起作用[42]；从热力学的角度进行阐释，有机渗透调节剂能够降低溶液体系的吉布斯自由能，使体系的熵值增加[43-44]。但有机渗透剂究竟是如何起作用的，还需要进一步的研究证明，从而为动物机体渗透压调节研究和应用提供科学理论基础，进而提高畜禽养殖的生产效益，促进畜牧业的发展。