【大蒜素的生物学功能及作用效果探析4800字（论文）】

大蒜素的生物学功能及作用效果分析TOC\o"1-2"\h\u197611大蒜素的定义及其理化性质 。大蒜素具有不稳定性，即使在常温环境中也容易分解,其分解产物的生物活性较其自身低[4]。2大蒜素的生物学功能2.1抑菌杀菌大蒜素具有广谱抗菌性[5-6]，对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有抗菌活性，如金黄色葡萄杆菌和沙门氏菌等[7-8]。此外，大蒜素还具有抗真菌性，如白色念珠菌；抗寄生虫以及抗病毒的活性[9]。大蒜素会导致菌体细胞壁和细胞膜不可逆的超微结构变化，破坏细胞的完整性，导致细胞内容物外流最终实现杀菌活性[10-11]。研究表明，大蒜素具有高度脂溶性，很容易穿过细胞膜系统[12]。大蒜素渗透到细胞和细胞器内，与含巯基的蛋白质（包括各种酶）和氨基酸反应[13]。DNA促旋酶是原核生物必不可少的酶之一，是临床上抗生素的重要靶标。大蒜素在体外通过抑制DNA促旋酶活性抑制细菌DNA的复制[14]。β-半乳糖苷酶是细菌、酵母、真核细胞生理代谢过程中的关键酶，使用大蒜素处理后，β-半乳糖苷酶的活性降低[10]。大蒜素可以通过促进白念球菌菌丝生长负向调控基因PDE2的表达，抑制白念球菌菌丝生长正向调控基因HWP1、ALS1、EFG1的表达，进而抑制白念球菌菌丝的生长，降低白念球菌的毒性[15]。除此之外大蒜素还可以抑制菌体蛋白质的合成[16]，抑制真菌孢子[17]和被膜的形成[18]。大蒜素可抑制蛋白质功能是因为大蒜素与蛋白中的巯基发生反应形成二硫键，进而导致蛋白解折叠，破坏了蛋白质正常的结构[19]。值得注意的是，一些不含巯基的酶也被大蒜素抑制，而一些含巯基的酶则不能，这说明大蒜素与蛋白质反应的决定因素不是巯基而是蛋白质内的微环境[20]。大蒜素与蛋白质的反应如图1所示。虽然大蒜素的抑菌机制尚未充分阐明，但是大蒜素通过攻击菌体细胞生存不可或缺的原始材料和抑制基础代谢，使得细菌不能通过突变或代谢适应来克服大蒜素带来的损伤[21]。图1大蒜素对蛋白质合成的影响[22]Fig.1Effectofallicinonproteinsynthesis如图1A所示，正常条件下蛋白质的合成。翻译后蛋白质折叠成其最终结构。B易于攻击的半胱氨酸残基（红色表示）通过二硫键交换反应与大蒜素反应。在空间上受阻的半胱氨酸残基（以蓝色表示）不会与大蒜素反应。C空间上受阻的半胱氨酸残基在蛋白质合成早期会成为大蒜素攻击的潜在靶标。结果会导致蛋白质翻译失败、功能降低甚至没有功能。2.2抗氧化虽然大蒜素在化学水平上是氧化剂，但在生理水平上，低剂量的大蒜素在生理水平上可充当抗氧化剂使用[22]。大蒜素可减少活性氧(ROS)含量[23-24]，从而可以减少ROS大量堆积对细胞DNA和蛋白质的损伤[25]，保护了线粒体膜的通透性和膜电位，进而保护细胞免于凋亡[26]。ROS是丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)的有效激活剂[27]。而大蒜素可以通过抑制p38-MAPK通路的激活来减轻ROS诱导的氧化应激和细胞线粒体凋亡[28]。叉头框转录因子O1(FOXO1)是抗氧化应激，代谢调节以及细胞增殖和凋亡等生物过程的关键转录因子[29]。在抵抗铅氧化应激诱导小鼠骨质流失的研究中，发现大蒜素组抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(CAT)的活性增强，而丙二醛(MDA)和ROS的含量则降低；同时提高FOXO1的活性[30]，进而促进位于不同亚细胞区室的抗氧化剂蛋白的表达，例如线粒体中的锰超氧化物歧化酶(SOD2)[31]，最终提高了小鼠的抗氧化应激功能。转录因子Nrf2(NF‐E2‐relatedfactor2)是一种细胞内的转录因子，可调节许多抗氧化酶和解毒因子基因的表达[32]。大蒜素可以通过提高转录因子Nrf2表达来诱导血红素氧合酶-1(HO-1)和谷氨酸-半胱氨酸连接酶修饰物(GCLM)亚单位等抗氧化酶的表达，从而保护细胞免受氧化应激，此外大蒜素可以通过显著抑制一氧化氮合酶(iNOS)和NADPH氧化酶4(NOX-4)的表达来保护细胞免受氧化应激损伤[33]。2.3抗炎丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)和核因子κB(nuclearfactorkappa-B，NF-κB)参与细胞的各种生理和病理过程的调控，包括凋亡、炎性损伤和应激[34]，核苷酸结合寡聚结构域样受体蛋白3(NODlikereceptorprotein3，NLRP3)是激活炎症的关键媒介[35]。大蒜素可以通过抑制炎性诱导因子如丙烯酰胺和氧化应激等对MAPK/NF-κB/NLRP3信号通路的激活，来减少炎性因子IL-1β，IL-18，IL-6、TNF-α的释放，进而减轻炎症反应，此外大蒜素还可以通过抑制关键酶的磷酸化来抑制MAPK和NF-κB信号通路[36-37]。已知转录因子Nrf2被激活会抑制氧化应激和炎症反应[38]。研究表明大蒜素可以激活核因子Nrf2，进而降低炎症反应[39]。大蒜素除了通过影响通路来抑制炎症因子的表达外，还可以通过控制细胞自噬蛋白的表达，防止细胞过度自噬，以及抑制中性粒细胞粘附于内皮细胞来抑制和改善炎症[39,40]。由此可见，大蒜素除具有杀菌抑菌、抗氧化的功能，还具有抗炎作用。3大蒜素在反刍动物上的作用效果3.1提高反刍动物生产性能提高动物生产性能是畜牧生产科研的重要目标之一。金萍等[41]在荷斯坦奶牛的基础日粮中添加30、80、120mg/kg的大蒜素，三个试验组产奶量均增加，乳脂率分别提高0.089%、0.151%、0.05%。大蒜素添加量为80mg/kg最佳，过多时会造成乳气味劣化。刘敏等[42]在荷斯坦奶牛的精料中添加的大蒜素干粉，结果表明试验组乳蛋白和非脂固形物显著提高。胡永杰[43]在秦川牛的日粮中添加大蒜素，与对照组相比大蒜素组日增重提高13.6%，饲料转化率提高1%，利润提高14.7%。井明艳等[44]在绵羊的日粮中分别添加25%的大蒜素1.6、1.2、0.8g/(只·d)，结果表明大蒜素的投放量在1.3～1.5g/(只·d)增重明显。赵健康等[45]在湖羊的精料中添加大蒜素2g/(只·d)，显著提高了湖羊的日增重，增重利润较对照组提高了21.2元，经济效益提高了14.7%，同时腹泻率较对照组降低了26.7%。以上研究表明添加适量的大蒜素或含有大蒜素的副产品可以提高反刍动物的生产性能。3.2提高动物营养物质消化率消化代谢是反映反刍动物营养物质消化情况的重要指标。Ma等[46]在杜泊×细尾寒羊杂交F1母羊的日粮中添加2g/(d·头)大蒜素，结果证明了大蒜素可有效地提高了母羊的有机物、氮、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)的表观消化消化率。秦龙等[47]在绵羊的基础日中添加300mg/kg的大蒜素，结果表明，大蒜素可以提高瘤胃内营养物质的表观降解率和可消化氮含量。Zhong等[48]在感染了胃肠线虫的羔羊基础日粮中添加50g/kg的大蒜粉，结果显示大蒜粉组的羔羊干物质和粗蛋白消化率较对照组有所提高，同时大蒜粉还降低羔羊的粪便中线虫虫卵的数量。以上研究表明在反刍动物的饲料中添加适量的大蒜素可以提高饲料的消化率。大蒜素提高饲料消化率主要有两个因素：(1)由于大蒜素气味可以提高消化液的分泌，增强肠胃蠕动。(2)大蒜素可以促进多种消化酶的分泌[49,50]。刘敏等[51]在羊的精料中添加25%的大蒜素干粉1.8g/(只·d)，结果表明，添加大蒜素干粉可使羊血清中球蛋白显著升高35%，虽对白蛋白、尿素氮和总蛋白无显著影响，但总蛋白呈现出上升。贺建忠等[52]在卡拉库尔羊的精料中添加150mg/kg的大蒜素，从结果上看，大蒜素虽然对血清白蛋白，总蛋白没有显著影响，但总体水平较对照组有升高。血清中的蛋白含量与机体粗蛋白的消化吸收有着密切关系，大蒜素可能是通过提高粗蛋白的消化率间接提高血清中蛋白含量。3.3改善瘤胃发酵瘤胃发酵产生的挥发性脂肪酸和微生物蛋白是反刍动物能量代谢和机体营养的主要来源，其中微生物蛋白占小肠吸收总蛋白量的50%～80%，挥发性脂肪酸为机体提供的能量占总能的70%～80%，瘤胃pH值对于瘤胃稳态至关重要[53]。。瘤胃中的氨态氮的浓度是反映瘤胃微生物分解含氮物质产氨的速度以及对氨的摄取利用率的重要指标[47]。因此我们可以通过瘤胃pH值、VFA的含量、氨态氮的浓度和微生物蛋白的含量来判断瘤胃发酵的状态。在反刍动物体外实验中，Busquet等[54]在短期发酵试验中分别添加浓度为3、30、300、3000mg/L的大蒜素。与对照组相比，添加不同浓度的大蒜素对TVFA均无显著影响，当添加浓度为3000mg/L时，丙酸浓度显著增加，支链脂肪酸浓度降低，pH值显著升高。当大蒜素的添加量为300mg/L时，pH显著生高，其他指标物显著变化。而当大蒜素的添加量为3mg/L和30mgL时所有指标均无显著差异。Cardozo等[55]在研究天然植物提取物对瘤胃蛋白质降解和发酵特性影响的实验中添加含有0.7%大蒜素的大蒜提取物，结果发现TVFA浓度未受影响，而氨浓度显著降低。Busquet等[56]研究表明，添加300mg/kg和3000mg/kg大蒜油，降低乙酸的浓度，增加了丙酸和丁酸的浓度，降低了TVFA的浓度。同时还抑制了甲烷的生成。在反刍动物体内试验中贾玉山等[57]用大蒜素0.2、0.4、0.6g/(d·头)饲喂肉牛，结果显示大蒜素添加量为0.2、0.4g/(d·头)肉牛瘤胃总挥发性脂肪酸(TVFA)分别提高3.17mmol/L、5.03mmol/L，与对照组相比差异显著，当大蒜素的添加量为0.6g/(d·头)时与对照组相比差异不显著，大蒜素可以提高瘤胃丙酸的浓度，使乙酸与丙酸比值均显著降低，这有利于肉牛增重。秦龙等[47]在绵羊的基础日中添加300mg/kg的大蒜素，大蒜素提高了绵羊瘤胃内氨态氮、细菌蛋白和VFA浓度,促进了瘤胃发酵,还降低甲烷产量。Zhong等[48]在感染了胃肠线虫的羔羊基础日粮中添加50g/kg的大蒜粉，结果显示添加大蒜粉增加了瘤胃液中TVFA浓度，降低了乙酸与丙酸的比例。VFA浓度的升高会导致pH降低，严重时还会引发瘤胃酸中毒。以上研究得出大蒜素会导致瘤胃VFA浓度增加的结论，但刘敏等[58]在绵羊的精料中添加25%的大蒜素干粉1.8g/（d·只)，测定结果表明大蒜干粉提高了瘤胃pH值。杨坤等[59]在绵羊的基础日粮中添加30mg/kg的大蒜素，也得出大蒜素会提高瘤胃pH的结论。这两种结论在理论上存在冲突，有待在现实生产中进一步研究探讨。另外，杨坤等[59]的试验还证明大蒜素组在氨态氮和菌体蛋白的含量上较对照组有所提高。大蒜素具有抑制和杀死甲烷菌的生物活性，从而使更多的碳源用于微生物蛋白的合成，而不是产生甲烷。这可能是菌体蛋白增多的原因。综上试验我们可以看出，瘤胃发酵效果与大蒜素的添加量有关，在体内与体外的试验中大蒜素的最适量也表现出不同。因此，大蒜素对瘤胃发酵的影响仍需进一步深入探究。3.4降低甲烷产量甲烷是大气重要的温室气体。据科学家估计，2030甲烷对温室效应的贡献将达到50%，成为首要的温室气体[60]。反刍动物每年甲烷排放量约为1.6千兆吨二氧化碳当量至2.7千兆吨二氧化碳当量，占全球总排放量的3%～5%[61]。瘤胃中甲烷的产生代表着饲料能量的大量损失，损失达到2％～12％，具体取决于饲料的类型[62]。因此降低甲烷排放对环境的保护和提高反刍动物饲粮转化率等方面有重要意义。体外研究发现，在分别添加300mg/L大蒜素、二烯丙基二硫化物(DAD)、烯丙硫醇(ALM)作为甲烷抑制剂的实验中，甲烷排放量分别降低了73.6%、68.5%、19.5%，其中大蒜素作为甲烷抑制剂的效果最佳[57]。薛艳峰等[63]以4期牧草为底物在体外模拟瘤胃发酵试验，结果表明大蒜素的添加浓度为1.5%和2.0%时甲烷产量显著降低。Patra等[64]在体外模拟瘤胃发酵试验中添加0.25g/L、0.50g/L、1.0g/L的大蒜油甲烷产量随计量增加而线性下降。当添加量为1.0g/L时甲烷降低了87%，同时各组计量都使瘤胃中古细菌和原虫含量降低。在体研究同样发现，大蒜素添加量为2.0g/(只·d)时可以显著降低杜泊羊×小尾寒羊杂交F1代6.38%的甲烷排放量[65]。Ma等[47]在杜泊×细尾寒羊杂交F1母羊的日粮中添加2g/(d·头)大蒜素结果表明大蒜素有效地降低了母羊的甲烷日排放量0.75L/