盧德勛：營養生理平衡和營養調控整合理論的研究

畜牧ing

                        系統動物營養學理論和技術創新戰略課題之一：

深入開展營養生理平衡和營養調控整合理論的研究

　　如上所述，機體內部存在的滲透平衡、氧化狀況平衡、酸堿平衡又稱營養生理平衡。該三項營養生理平衡是筆者提出的系統動物營養學理論的三大核心理念中營養素平衡理念的延伸和擴展。它們是營養代謝得以正常運作和代謝產物合理管控及利用的根本保障，與機體自我營養調控功能正常發揮有著十分密切的關系，也是設計并實施營養工程技術重要的理論依據。

　　（1）滲透平衡

　　動物體內的體液2/3分布于細胞內，故稱細胞內液(ICF)，其余1/3分布于細胞外，故稱細胞外液(ECF)。細胞外液中約3/4分布于細胞間隙內，稱為組織間液(interstitial fluid，ISF）或組織液；其余約1/4則在血管中不斷地循環流動，即為血漿，此外還有少量的淋巴液和腦脊液。動物體內各部分體液彼此隔開，因而它們的成分有較大差別，但各部分體液又相互溝通。已知，動物機體的所有細胞必須通過圍繞在其周圍的 ECF獲得營養物質和鰩并將代謝廢物排到 ECF,釋放細胞分泌的化學信使和消化酶。在 ECF和 ICF之間通過血漿膜轉運各種物質是細胞生存的必要條件。而動物只有精準調節細胞外液的組成成分保持穩態，才能維持生命必需的相互交換得以正常進行。細胞外液內這些溶質濃度決定滲透壓大小，而細胞外液內這些溶質濃度、單個溶質濃度和體液的總容積是3個必須加以調控的重要方面。調控這3個方面僅靠一個器官是無法實現的，必須有數個器官子系統協同調控才能完成。與體液整體調控有關的3個調控點是：滲透平衡、體液總容積穩態和酸-堿平衡。在哺乳動物體內有兩個因素調控維持體液平衡，即ECF容積和ECF摩爾滲透壓濃度。盡管這兩方面調控相互之間密切相關，均與體內相對的NaCl和H2O負荷。而且這兩方面密切相關的調控卻顯著不同：ECF摩爾滲透壓濃度大小調控關系著防止細胞體積膨脹或縮小，在這個過程中維持水和鹽類平衡甚為重要。ECF容積必須加以密切調控，以有助于血壓的維持。這一過程的調控對于維持水和鹽類平衡同樣重要，相比之下對于長期性調控，鹽類平衡更為重要。在體液中一些最重要的離子必須嚴密地加以調節，這些離子包括陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+；陰離子Cl—，CO32-和HCO3—和PO3—。水分子可以通過被動擴散通過細胞膜；而電解質的離子需要借助易化擴散（facilitated diffusion）和活性轉運（active transport）來通過細胞膜。易化擴散需要以蛋白質為基礎的通道（ protein-based channels）來轉運溶質。活性轉運需要能量、轉運蛋白（carrier proteins），或者泵來克服離子濃度梯度轉運離子。

　　所有的動物細胞都會面臨一個問題，即由于 ECF和 ICF內Na+濃度的不同致使細胞體積膨脹。這是因為 ECF內的Na+都會形成內向的電子和化學梯度，從而使Na+滲入細胞內，提升了溶質濃度，進而使滲透壓升高，使水分進入細胞內。只有 Na+ / K+ ATP酶泵才可能使這種狀況得以糾正。通過這一機制使 Na+比K+ 向細胞外移出去的要多，每泵出去3個Na+就可以有2個K+移入替換，這樣一來不僅維持了細胞內部離子平衡，而且也降低了整個細胞的滲透壓。

　　血漿是唯一能直接調節自己的容積和組成的體液。而血漿容積和組成的改變勢必直接影響到與細胞直接接觸的組織液的容積和組成變化。調節血漿的機制都會調節整個 ECF。反過來 ECF的改變也會通過改變細胞膜的通透性影響到 ICF。

　　通長導致細胞內滲透壓平衡出現紊亂有以下幾種情況：

　　—— 通過呼吸、出汗和蒸騰作用（ transpiration）將體內水分蒸發到空氣中；

　　—— 飲水量不當或攝入的介質種類與機體需求不相符時；

　　—— 當機體處于冷凍狀態下，使機體內一部分水分在冰的結晶里，將離子濃縮在殘余的未結晶的水內時；

　　—— 機體處于病理狀況下（如患糖尿病時ECF滲透壓增高由于葡萄糖水平過高和囊性纖維化致使鹽的轉運受阻）或由于大量飲水導致血鈉過低。

　　面對滲透壓平衡紊亂，生物進化形成兩種應對策略：一是變滲動物（osmoconformers）：當它們耐受外界鹽類濃度的變化而生存時，隨著外部的變化其體液濃度也發生變化，這種動物稱為滲透適應型動物。其體液與介質經常是等滲透性的。其中多數是變滲性動物，或多或少地能耐受鹽類濃度的變化。二是調滲動物（osmoregulators）：它們體液的滲透壓能經受穩態調節，相對比較穩定，通常體液與外界環境滲透壓很不相同。

　　調滲動物體內的細胞通常不會出現容積增大或縮小的現象，這是因為在ECF內非穿透性溶質的濃度能精確地被調節。哺乳動物主要是由腎臟來完成這一功能，從而使絕大多數細胞中摩爾滲透壓濃度維持在同一水平上（約為300 mOsm）。

　　生物機體需要不斷地通過攝人食物和水并通過排汗、排尿和排糞與環境交換水和營養物質。如果缺乏調節滲透壓的機制或因患病傷害了這一機制，體內就會積累有毒有害物質和水分，從而導致嚴重后果。滲透壓調節和滲透平衡是維持包括營養代謝在內所有代謝活動正常進行根本條件，也是營養代謝穩恒控制的不可或缺的最重要的生命功能之一。在營養研究中我們要注意對動物機體內部不同層次的滲透平衡變化的研究。

　　（2）酸堿平衡

　　典型的哺乳動物的動脈血的正常 pH值為7.45，靜脈血為7.35，平均值是7.4。通常靜脈血的 pH值略比動脈血略低一些，這是因為靜脈血從組織毛細管收集的CO2生成 H2CO3時產生了H+。當血液 pH值低于7.35時，就出現酸中毒；而當血液 pH值高于7.45時，就產生堿中毒。一旦動脈血 pH值低于6.8或高于8.0，數秒內動物即會死亡。因為在這樣的 pH值下，許多細胞功能無法進行。應該指出，上述血液正常 pH值范圍不適用于所有動物，特別是變溫動物。所以，體液的【H+】必須認真加以調控。【H+】的變異會影響神經、酶和K+活性。在正常情況下，由于動物體內持續不斷進行的代謝活動，氫離子產生不斷進行。特別是在一些病理狀況下，體內產酸量會增大。另外體外來源的【H+】也不容忽視，比如過量大氣中 CO2形成的碳酸和易產酸的藥物等等。

　　動物機體抵御體內【H+】濃度變化有3種途徑：

　　——通過體液化學緩沖系統：這一調節機制作用快，為第一道防線，數量有限，不持久，不徹底。

　　——借助 pH控制的呼吸器官調節機制：該機制迅速、幅度大，為第二道防線。

　　——借助 pH控制的腎功能性調節機制：該機制作用強、持久、徹底；但緩慢。

　　檢測動物體內酸一堿平衡的指標有血液【H+】濃度和pH值、標準碳酸氫鹽(standard bicarbonate，SB）與實際碳酸氫鹽（actual bicarbonate，AB）、緩沖堿（ buffer base，BB）、剩余堿（ base excess，BE）、二氧化碳分壓（PCO2或Paco2）、二氧化碳結合力（CO2-CP）和陰離子間隙（anion gap，AG）等7種。

　　（3）氧化狀況平衡

　　氧對維持機體生命活動十分重要。所謂氧化狀況平衡是指促氧化能力與抗氧化能力之間的平衡當氧自由基產生過多或清除不足，氧化狀況平衡失衡時就能引起細胞的氧化損傷所謂自由基是指外層軌道上具有不配對電子的原子、原子團或分子，如氫自由基（H.）、氫氧自由基(OH.)、超氧化物自由基（O2-）。氧自由基既是氧化劑，又是還原劑，極易與組織細胞成分中的電子結合，以達到穩定的配對電子狀態，并且當自由基與非自由基物質反應時，往往形成新的自由基而發生連鎖性、增殖性反應。自由基對細胞成分包括脂質、蛋白質、DNA的損傷表現為：脂質過氧化導致生物膜脂質不斷破壞；蛋白質氧化損傷表現為蛋白質的凝集與交聯和蛋白質降解與斷裂，引起酶活性、生物膜和細胞功能、代謝及結構異常變化；DNA氧化損傷主要表現為鏈斷裂及堿基修飾。

　　氧化應激具有以下特點：

　　—— 氧化應激屬于應激反應的范疇。

　　—— 活性氧是氧化應激的應激原，屬化學性應激。

　　—— 活性氧常和其它應激原交織在一起，形成復合應激原，引起強烈的應激反應。

　　—— 氧化應激具有普通應激反應的基本屬性即應激反應的雙重性，損傷與抗損傷同時存在。也就是說在活性氧引起機體損傷的同時，機體也可產生一系列保護性反應來對抗損傷性效應。氧化應激的雙重性還表現在某些條件下表現為損傷性效應，在另一些條件下則呈現保護性效應

　　—— 過去認為應激主要通過強烈的、長時間的交感-腎上腺髓質系統，垂體-腎上腺皮質軸興奮，大量兒茶酚胺、糖皮質激素分泌引起機體耗竭，造成損傷。現在研究表明，在應激性潰瘍發病中除上述傳統的發病因素外，氧化應激還是直接造成胃粘膜損傷的重要因素之一。

　　引起氧化應激的活性氧可以是體內代謝產生的，也可能是由外界環境而攝人體內的。形成氧化應激可以是局部器官的，也可以是全身性的引起氧化應激的原因是多種多樣的，諸如物理因素、化學因素和生物因素，而這些原因可通過多種多樣的反應途徑引起氧化應激。

　　為了防止氧化損傷動物在長期進化過程中形成完整的抗氧化防御系統。該系統是由酶性和非酶性成分兩部分組成。（如表1所示）。

表1 動物體內抗氧化防御系統

主要抗氧化酶	主要作用
超氧化物歧化酶	清除O2-
過氧化氫酶（CAT）	清除O2-
硒谷胱甘肽過氧化物酶	清除H2O2，有機過氧化物
磷脂氫過氧化物谷肽	清除脂類過氧化物
甘肽過氧化物酶	清除有機過氧化物
主要非酶性抗氧化劑
維生素類
谷胱甘肽	清除OH. 、H2O2、O2 ,供氫體
尿酸	O2   OH.
蛋白質抗氧化劑
銅藍蛋白	控制 OH.生成
清蛋白	控制 OH.生成，阻斷脂質過氧化
VitE	清除O2、O2- 阻斷脂質過氧化鏈式反應
VitC	清除 O2、OH. 、O2- 阻斷脂質過氧化

　　自由基本身是是機體正常的代謝產物，并且是維持多種重要的生理功能的物質基礎。它的產生速率、清除途徑在正常情況下受到機體嚴格而精確調控。一旦自由基生成和清除的動態平衡被打破，造成機體自由基不足（生成不足或/和清除過多）或自由基過多（生成過多或/和清除不足）兩者都會對機體造成應激損傷，成為疾病發生和發展的重要原因，所以自由基的功能具有雙重性，既有正面功能，也具有負面功能，關鍵要看自由基生成和清除平衡狀況如何。如何充分發揮自由基的正面功能，盡可能抑制其負面功能直接關系動物的健康和生產性能的潛力的最佳表現。我們往往對自由基的負面功能談的較多，給人們印象好像自由基一無是處。自由基的正面功能表現在以下3個方面：

　　—— 防御功能。自由基在吞噬細胞殺滅、清除病源微生物的過程中能發揮積極作用，在特定條件下自由基是機體防御體系中的重要一環。

　　—— 殺癌作用。機體多種免疫細胞具有殺傷腫瘤細胞的作用，其作用機制直接或間接都與自由基有關。

　　—— 解毒作用。在細胞光面內質網膜上的細胞色素 P450的作用下，底物與 NADPH和02相互作用，氧被激活從而把1個原子氧插人底物的分子內，底物被氧化。

　　底物（SH）+NADPH+H⁺+0₂————————→SOH+NADP+H20

　　通過這一反應使許多有毒的化學物質發生羥化反應從而降低了毒性，增加了極性，易于隨膽汁、尿液排出體外。

　　（完）

　　節選自：盧德勛先生演講稿《系統動物營養學創新和發展面臨的新形勢和新任務》

　　盧德勛 研究員

　　我國著名的動物營養學家，系統動物營養學的創立者，一直致力于系統動物營養學的倡立、傳播和發展。曾擔任中國畜牧獸醫學會動物營養學分會長、名譽會長。內蒙古農牧業科學院動物營養研究所所長、名譽所長，內蒙古農業大學兼職教授、博士生導師以及國家多項重大項目評審專家。現擔任《動物營養學報》主編、國家重大基礎研究973項目（豬、牛）專家。

      由中國畜牧獸醫學會動物營養學分會系統動物營養學專業委員會主辦，內蒙古神州動物營養發展戰略研究所和畜牧人網站&金河動保網共同承辦的“首屆反芻動物營養技術創新和營養師高級研修班”將于2017年8月9-11日在內蒙古呼和浩特市錦和酒店舉行。會議詳情：點擊進入