动物营养学-自由基对动物机体的氧化损伤与抗氧化剂的修复作用研究.ppt

主主 要要 内内 容容1.自由基生物学概论2.营养物质与自由基的关系3.抗氧化剂对氧化损伤的修复作用4.氧化应激对畜牧业的危害与干预5.展望“高投入、高产出、高效益高投入、高产出、高效益”传统养殖传统养殖集约化养殖集约化养殖机体免疫力下降机体免疫力下降 易感疫病易感疫病繁殖性能下降繁殖性能下降饲养周期缩短饲养周期缩短出栏率提高出栏率提高数量增幅快数量增幅快应激应激背背 景景自由基生物学理论自由基生物学理论解释解释自由基的研究主要集中医学和食品科学领域：自由基与疾病、衰老、抗氧化食品、保健食品1、自由基的概念 是指任何包含一个或多个未成对电子并能独立存在的原子或基团。自由基生物学概论自由基生物学概论与生物体有关的自由基类型自由基生物学概论自由基生物学概论2、自由基的产生（1）产生的主要途径：酶促反应：黄嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶、醛氧化酶、谷胱苷肽还原酶、二氢乳酸脱氢酶等非酶促反应：通过以自由基作为引发剂启动引发的连锁反应自由基生物学概论自由基生物学概论2、自由基的产生（2）其他途径辐射分解和光化学作用：如经紫外光、X射线或射线照射 金属催化反应：如过氧化氢同铁离子反应生成羟基自由炎症等病变过程中，嗜中性粒细胞或巨噬细胞会产生ROS外源性物质进入体内也会产生大量自由基：如肾上腺素、四氯化碳、乙醇等会诱导机体产生-CCl3和羟自由基日粮中一些营养素的缺乏3 3、自由基的清除、自由基的清除（1）抗氧化剂-酶类：超氧化物歧化酶(SOD)过氧化氢酶(CAT)谷胱苷肽过氧化物酶(GSH-Px)（2）抗氧化剂-非酶类：维生素E、维生素C、维生素A、硒、含硫氨基酸、还原型GSH、不饱和脂肪酸等自由基生物学概论自由基生物学概论自由基生物学概论自由基生物学概论4、自由基的作用（1）促进作用：参与脂肪加氧酶产物的生成胶原蛋白的合成增强肝脏的解毒作用凝血酶的合成参与调节细胞增殖与分化维持正常的氧化代谢过程等4、自由基的作用（2）氧化损伤对DNA的损伤对蛋白质的损伤对细胞膜的损伤自由基生物学概论自由基生物学概论NO自由基自由基辐射高氧高温应激碱基损伤活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8，嘧啶的C5与C6双键。氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合基而改变其结构。OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。对对DNA的损伤的损伤DNA链断裂链断裂OH对DNA的攻击，主要针对DNA分子中的核糖部分，可能的位置在DNA分子中核糖的3和4碳位上，造成DNA链的断裂。自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，激活核酸酶，导致DNA链的断裂。对对DNA的损伤的损伤自由基对自由基对DNADNA分子各种损伤的示意图分子各种损伤的示意图 DNA-蛋白质蛋白质交联交联单链断裂单链断裂碱基替换碱基替换碱基丢失碱基丢失双链断裂双链断裂氢链断裂氢链断裂DNA-DNA交交联联嘧啶二聚体嘧啶二聚体链间断裂链间断裂对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在-位置上将一个氢原子除去，形成C中心自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。后者分解成NH3及-酮酸，或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。芳香氨基酸很少出现-除氢，而多出现羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应。其损伤特点为部位特异性。因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。脂质过氧化的自由基中间产物作用，如烷氧自由基(LO)和过氧自由基(LOO)，可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。对蛋白质的损伤对蛋白质的损伤脂质过氧化脂质过氧化(lipidperoxidation)(lipidperoxidation)细胞膜和细胞器膜中含有大量不饱和脂肪酸侧链，易被自由基氧化，发生脂质过氧化，对生物膜具有强烈对生物膜具有强烈的破坏作用的破坏作用对细胞膜的损伤对细胞膜的损伤判断机体自由基损伤的程度判断机体自由基损伤的程度测定自由基伤害的指标：当脂质、蛋白质及DNA被自由基氧化後，会产生某些特定物质，并释放到血液及尿液中，经由抽血、验尿可以知道细胞受伤害的情形。测定自由基释放量：利用电子自旋共振光谱仪或化学冷光测定，侦测体内的自由基。测定抗氧化剂：a.在血液中加入氧化剂，测定自由基的释放量。b.测定抗氧化剂含量c.抗氧化扫描仪(Biophotonic Scanner)：利用雷射光射入电子，利用雷射光射入电子，可测定皮肤下胡萝卜素，胡萝卜素是人体重要的抗氧化剂之一。营养物质与自由基的关系营养物质与自由基的关系1.营养物质是自由基产生的物质基础氨基酸/蛋白质：一氧化氮合酶的生物合成需要氨基酸、核黄素、嘌呤一氧化氮合酶的生物合成需要氨基酸、核黄素、嘌呤等物质等物质营养物质与自由基的关系营养物质与自由基的关系脂肪酸：摄入过高的PUFA可使机体产生脂质过氧化反应维生素：通过抑制iNOS基因的表达而抑制NO的产生，如维生素A可抑制心血管平滑肌细胞、内皮细胞、心肌细胞和肾细胞中iNOS基因的表达矿物质：Fe2+参与自由基的生成，主要通过催化Fenton反应,参与氧化酶的构成，构成自由基反应链中的电子传递系统而起作用。Fenton反应可产生毒性很强的OH。Se:当Se缺乏时导致Se-GSH-Px活性降低，其降解体内代谢过程产生的内源性的H2O2和ROOH能力减弱，引起PUFA过氧化而直接损害膜结构。铜：催化自由基反应。氟：OH和的产生依赖于氟的浓度；而在高氟时主要产生自由基。O2O22.营养物质是动物体内清除自由基的物质来源氨基酸/蛋白质合成酶类抗氧化剂，如谷胱甘肽的生物合成需要氨基酸、矿物元素和ATP的参与。维生素本身是营养物质也是体内必须的抗氧化剂，如VA、VC、VE、-类类胡萝卜素等直接参与ROS的清除以及提高抗氧化物酶活性矿物质是酶类抗氧化剂的活化中心，如内源硒、铜、锰是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)与超氧化物歧化酶(Cu,Zu-SOD；Mn-SOD)生物合成所必需的微量元素营养物质与自由基的关系营养物质与自由基的关系3.营养物质是自由基所致生物分子损伤修复的物质基础被损伤的生物分子在修复或置换的过程中所需要的物质，如核苷酸、氨基酸、脂肪酸、酶系统与辅助因子以及能量来源均以营养物质为最终物质基础。饲料中某些天然抗氧化剂及部分非营养素的有效成分可能也直接或间接地在生物分子的修复或置换过程中起到物质基础的作用。营养物质与自由基的关系营养物质与自由基的关系4.某些营养物质有利于动物适应氧化应激和防治某些动物疾病日粮提高抗氧化剂（如：维生素C、维生素E）的用量可减小氧化应激所造成的危害适宜的营养水平也可以减少和预防生理性氧化应激所造成的损伤。营养物质与自由基的关系营养物质与自由基的关系Tissue Damageand DiseaseProtection fromDiseaseAntioxidantsFree radicals自由基稳衡理论：正常情况下，动物机体内的自由基是处于不断的产生与清除的动态平衡之中。抗氧化剂对氧化损伤的修复作用抗氧化剂对氧化损伤的修复作用机体对不同来源的自由基有一系列的防御机制，主要包括如预防性机制、修复机制、物理性防御和抗氧化剂预御等几种，抗氧化剂通过抑制或减缓自由基的生成来达到修复机体的氧化损伤有重要的作用 抗氧化物质主要的作用机制：通过提供活性基团，作为供氢体与自由基反应，使之形成相应的离子或分子，灭活自由基，终止自由基的链式反应；提高抗氧化酶活性，降低膜的流动性，从而降低自由基反应，达到抑制脂质过氧化作用。抗氧化剂对氧化损伤的修复作用抗氧化剂对氧化损伤的修复作用酶类抗氧化剂超氧化物歧化酶(SOD)谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)过氧化氢酶(CAT)非酶类抗氧化剂VE硒VC新型天然抗氧化剂茶多酚类黄酮中草药微生物源性抗氧化剂酶类抗氧化剂对各自由基的作用示意图CATGSH-Px超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(SOD)SOD清除 的作用机理为Cu/Zn-SOD二聚体的碳链走向Fe-SOD模拟三维结构图Mn-SOD N端小结构域O2超氧化物歧化酶是一种能催化超氧阴离子发生歧化反应的超氧化物歧化酶是一种能催化超氧阴离子发生歧化反应的金属酶，按金属辅基不同分为三类：金属酶，按金属辅基不同分为三类：谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)它是清除H2O2的另一种酶。GSH-Px是一种含硒酶，它的作用底物是谷胱甘肽（GSH），它在催化GSH转化为氧化形式的谷胱甘肽（GSSG）用掉一个H2O2。该反应式为：GSSG2 H2OH2O2+GSH过氧化氢酶过氧化氢酶(CAT)过氧化氢酶是清除H2O2的一种酶，催化H2O2分解的机理为 CAT-Fe()+H2O2 化合物化合物-化合物化合物-+H2O2 CAT-Fe()+2H2O+O2总总反反应应式式为为：2H2O2 2H2O+O2V VE E极易受分子氧和自由基氧化，因此可以充当抗氧化剂和自极易受分子氧和自由基氧化，因此可以充当抗氧化剂和自由基清除剂，其氧化历程为：由基清除剂，其氧化历程为：VE硒硒 硒是GSH-Px的辅助因子(GSH-Px含有4个硒原子)，Se-GSH-Px的主要生物学作用就是清除H2O2和ROOH。VEVE和硒对自由基损伤雏鸡抗氧化能力的影响和硒对自由基损伤雏鸡抗氧化能力的影响+VE+硒硒对照组对照组+VE+硒硒对照组对照组GSH-PxMDA试验天数试验天数(a-tocopherol 150 IU/kg feed and selenium 0.1 mg/kg feed)Sodhi.s,2008VE+Se+VE-Se+VE+Se-VE-Se-肝脏162.3310.64Ab180.818.84Aa126.914.83Bc167.377.52Aa心脏168.047.08A172.339.20A135.185.38B176.545.95A注：同一行数据以不同大写字表示P0.01，不同小写字母表示P0.05。不同水平不同水平VEVE和和SeSe对肉鸡肝脏和心脏对肉鸡肝脏和心脏NONO自由基水平的影响自由基水平的影响徐建雄，2007徐建雄，2007不同水平不同水平VEVE和和SeSe对肉鸡肝脏和血清中对肉鸡肝脏和血清中SODSOD酶活力的影响酶活力的影响处理时间处理时间VEVE+SeSe+VEVE-SeSe+VEVE+SeSe-VEVE-SeSe-肝脏（U/mgprot）5天32.494.53b b32.305.57b b32.174.87b b40.284.28a a10天33.660.65BbBb28.854.97BcBc35.81.64ABbABb39.590.76Aa a15天36.410.57a a28.845.01b b32.551.27b b28.814.05b b血清（U/ml）5天180.415.1B B182.635.81B B201.426.3A A165.316.34C C10天182.726.08C C173.978.14D D201.116.69B B202.017.53A A15天202.816.96A A158.639.77C C177.805.84B B121.344.97D D徐建雄，2007不同水平不同水平VEVE和和SeSe对肉鸡肝脏和血清中对肉鸡肝脏和血清中GSH-PxGSH-Px酶活力的影响酶活力的影响处理时间VE+Se+VE-Se+VE+Se-VE-Se-肝脏（U/mgprot）5天8.590.96a8.340.90a8.750.92a8.191.00a10天8.330.29B8.630.31Ab9.280.19Aa8.730.84Aa15天11.170.44A7.870.69BCb8.980.58Ba7.480.99C血清（U/ml）5天149.899.60a170.2217.95a167.9914.46a156.1617.60a10天193.654.89Aa170.3314.32Ab160.3721.56B176.1511.73Aab15天269.734.53A241.0622.47B237.8810.82B223.5113.65B徐建雄，2007不同水平不同水平VEVE和和SeSe对肉鸡肝脏和血清中对肉鸡肝脏和血清中MDAMDA含量的影响含量的影响处理时间处理时间VEVE+SeSe+VEVE-SeSe+VEVE+SeSe-VEVE-SeSe-肝脏（nmol/mgprot）5天1.160.065B1.010.066C1.150.065B1.290.066A10天1.180.063A1.170.066A1.160.083A1.220.126A15天1.160.053C1.460.062Ab1.330.090B1.570.071Aa血清（nmol/ml）5天3.730.28a 3.590.48a 3.470.61a 3.880.73a 10天3.750.48ab 4.060.50a 3.360.33b 4.000.32a 15天3.530.49B 4.000.56B 4.200.31Ab 4.890.51Aa 徐建雄，2007 由于其本身极容易被氧化，能降低介质中的含氧量，其氧化并降解过程包括两个方面：一种是在有氧的条件下，先氧化（提供一个氢）成单氢抗坏血酸、或称抗坏血酰自由基，进而再氧化成脱氢抗坏血酸。另一种是在无氧条件下，经各种中间阶段而形成呋喃、2-羟基糠醛等物，这里不存在供氢的过程VCVCVC对大鼠抗氧化酶活性的影响对大鼠抗氧化酶活性的影响2.36*(66%)2.18*(20%)VC(12mg/g feed)1.421.81 ControlGSH-Px(U/mg protein)2.41*(39%)2.26*(26%)VC(12mg/g feed)1.73 1.80 ControlCatalase(U/mg protein)1.201.21 VC(12mg/g feed)1.281.10 ControlSOD(U/mg protein)MuscleLiverDietShireenK.F.，2008茶多酚茶多酚茶多酚是一种多酚类物质，含四种单体。它对过氧化氢和超氧阴离子自由基的消除效果优于维生素E和C，对细胞膜等有保护作用，对脂质过氧化自由基的消除作用十分明显。没食子儿茶素没食子儿茶素没食子酸酯没食子酸酯EGCG没食子儿茶素没食子儿茶素 EGC儿茶素儿茶素EC儿茶素没食子酸酯儿茶素没食子酸酯 ECG类黄酮类黄酮类黄酮作为非常强的自由基消除剂可以淬灭单线态氧，清除过氧化物、羟自由基,还可抑制脂质的过氧化作用，这些都与类黄酮的结构有着密切关系。大豆异黄酮对抗氧化酶活性的影响韩立明，2008中草药中草药中草药不但有清除自由基的作用，还有抑制自由基生成和提高抗自由基酶类活性的奇特作用。五味子丙素和五味子乙素等7 种木脂素对自由基有直接作用，能对抗细胞损伤和具有解毒作用。丹参的有效成分丹参酮-A 磺酸钠和丹参素可稳定生物膜，并能提高SOD 及GSH-Px 的活性。中草药添加剂对肉鸡抗氧化性能的影响肉鸡血清中GSP-Px酶活力邹洁建，2008肉鸡血清中SOD酶活力肉鸡血清中MDA含量微生物抗氧化剂微生物抗氧化剂 由单个或多个混合菌株发酵，发酵产物通常含有大量的维生素、微量元素、活性菌株及氨基酸、肽，槲皮酮-3-D吡喃葡萄糖(栎素)、槲皮酮（类黄酮）、肌醇和等生理代谢物质，能够直接清除自由基，消除自由基对机体组织器官正常功能的负面影响，从而提高机体的代谢水平，增强机体细胞免疫和体液免疫水平。史延桥，2008 微生物抗氧化剂的总抗氧化能力225.7186.23217.68050100150200250抗氧化剂 香醋Vc（2mg/ml)总抗氧化能力(U/ml)史延桥，2008 微生物抗氧化剂(AFM)对大鼠抗氧化力的影响朱勇，2007氧化应激对畜牧生产的危害与干预氧化应激对畜牧生产的危害与干预应激：指机体对不利条件或环境所产生的生理反应。氧化应激：指机体活性氧产生过多或抗氧化能力下降，活性氧的清除不足，导致活性氧在体内积聚并引起氧化损伤的病理过程。免疫机能降低，易感疾病生产性能、养分利用率下降繁殖性能下降畜产品品质降低严重的引起死亡氧化应激对畜牧生产的危害与干预氧化应激对畜牧生产的危害与干预袁施彬，2007新鲜鱼油氧化鱼油氧化应激对断奶仔猪生产性能的影响氧化应激对断奶仔猪生产性能的影响氧化应激对断奶仔猪养分表观消化利用率的影响袁施彬，200726.79b41.33a脂肪表观消化率61.64b70.89aDM表观消化率35.08B50.51A氮表观利用率53.69B68.7A氮表观消化率氧化鱼油新鲜鱼油氧化应激对不同季节荷斯坦种公牛精液品质的影响李俊杰，2005氧化应激对禽肉品质的影响雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中NONO水平水平水平水平 孙婷婷，待发表 雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中MDAMDA含量含量含量含量 孙婷婷，待发表高脂日粮和抗氧化剂对大鼠抗氧化性的影响 龚灵芝，待发表NABC肝细胞彗星试验结果N-对照组A-高脂组B-抗氧化剂组C-高脂+抗氧化剂组龚灵芝，待发表高脂和抗氧化剂对大鼠睾丸组织雄激素受体mRNA表达量的影响龚灵芝，待发表抗氧化剂对雄鼠抗氧化剂对雄鼠睾丸和附睾的发育的影响睾丸和附睾的发育的影响0.23840.0057b0.23210.0100b0.26650.0098a0.25930.0085a附睾重量系数（%）0.69580.0212a0.67710.0664a0.77430.0168b0.67760.0217a睾丸重量系数（%）试验第试验第22天天0.27370.0165a0.26000.0351a0.29020.0255a0.28960.0172a附睾重量系数（%）0.72260.0682a0.69140.0108a0.82730.0489b0.75520.0521ab睾丸重量系数（%）试验第试验第17天天(抗氧化剂+LPS)组LPS组抗氧化剂组 对照组孙婷婷，待发表b）精子分析（105/ml）4.650.13b2.230.29c6.950.31a4.980.22ba级精子数75.611.29d66.722.17c86.501.29b82.752.22a精子活动率（%）（105/ml）25.000.82d20.481.31c34.251.28b22.751.68a精子计数试验第试验第22天天（105/ml）8.100.53bc5.651.12a9.070.69c7.130.50ba级精子数75.762.22d56.482.38c96.251.50b87.253.77a精子活动率（%）（105/ml）26.001.41a20.522.08c34.351.71b25.501.92a精子计数试验第试验第17天天(MA+LPS)组LPS组MA组对照组抗氧化剂对雄鼠繁殖性能的影响抗氧化剂对雄鼠繁殖性能的影响孙婷婷，待发表 抗氧化剂对雌鼠血清中雌激素水平的影响雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中雌鼠血清中E2E2的浓度变化的浓度变化的浓度变化的浓度变化 抗氧化剂对大鼠繁殖性能的影响抗氧化剂对大鼠繁殖性能的影响 400.29285.46451.44325.64生育综合指数生育综合指数38.7529.5241.0438.31仔头重（仔头重（g）41297751离乳仔数（只）离乳仔数（只）100100100100正常分娩率（正常分娩率（%）57.1450.0087.5075.00受孕率（受孕率（%）4376交配雌鼠数（只）交配雌鼠数（只）7688雌鼠数（只）雌鼠数（只）(MA+LPS)(MA+LPS)组组LPSLPS组组MAMA组组对照组对照组孙婷婷，待发表母猪断奶和断奶后4天血清中GSH-Px活力的变化的变化抗氧化剂对母猪自由基代谢的影响孙婷婷，待发表抗氧化剂对母猪自由基代谢的影响母猪断奶和断奶后4天血清中MDAMDA 含量的变化的变化孙婷婷，待发表抗氧化剂对母猪雌激素水平的影响母猪断奶和断奶后4天血清中E2E2水平水平水平水平的变化的变化孙婷婷，待发表抗氧化剂对母猪繁殖性能和仔猪生长性能的影响抗氧化剂对母猪繁殖性能和仔猪生长性能的影响 6.060.75B6.060.75B6.561.09B6.561.09B5.801.01B5.801.01B12.214.44A12.214.44A断奶后返情间隔（d）193.2116.55b203.4214.79ab196.2318.32b215.6521.39a仔猪日增重（g）62.188.59b58.756.77ab59.756.46ab54.696.28a断奶窝重（kg）9.670.91b9.761.14b9.411.17b8.560.63a断奶数（头）MA-3组MA-2组MA-1组对照组项目孙婷婷，待发表展展 望望充分认识氧化应激在畜牧生产中的危害重视动物营养与自由基的基础研究动物养殖过程中自由基的产生和稳衡规律（自由基的种类、数量、自身稳衡作用）诱导自由基产生的因素（饲料的、环境的、饲养技术的）自由基对机体损伤的评价（生产性能、器官的、组织的、分子水平的）自由基的种类和水平对机体机能的发挥（生产水平、免疫能力、健康状况、畜产品品质）的影响新型高效抗氧化剂的开发及其作用机理研究上海交通大学农业与生物学院