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[讲义课件] 卢德勋:营养生理平衡和营养调控整合理论的研究

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发表于 2017-7-17 15:52:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
                        系统动物营养学理论和技术创新战略课题之一:

深入开展营养生理平衡和营养调控整合理论的研究




  如上所述,机体内部存在的渗透平衡、氧化状况平衡、酸碱平衡又称营养生理平衡。该三项营养生理平衡是笔者提出的系统动物营养学理论的三大核心理念中营养素平衡理念的延伸和扩展。它们是营养代谢得以正常运作和代谢产物合理管控及利用的根本保障,与机体自我营养调控功能正常发挥有着十分密切的关系,也是设计并实施营养工程技术重要的理论依据。

  (1)渗透平衡

  动物体内的体液2/3分布于细胞内,故称细胞内液(ICF),其余1/3分布于细胞外,故称细胞外液(ECF)。细胞外液中约3/4分布于细胞间隙内,称为组织间液(interstitial fluid,ISF)或组织液;其余约1/4则在血管中不断地循环流动,即为血浆,此外还有少量的淋巴液和脑脊液。动物体内各部分体液彼此隔开,因而它们的成分有较大差别,但各部分体液又相互沟通。已知,动物机体的所有细胞必须通过围绕在其周围的 ECF获得营养物质和鳐并将代谢废物排到 ECF,释放细胞分泌的化学信使和消化酶。在 ECF和 ICF之间通过血浆膜转运各种物质是细胞生存的必要条件。而动物只有精准调节细胞外液的组成成分保持稳态,才能维持生命必需的相互交换得以正常进行。细胞外液内这些溶质浓度决定渗透压大小,而细胞外液内这些溶质浓度、单个溶质浓度和体液的总容积是3个必须加以调控的重要方面。调控这3个方面仅靠一个器官是无法实现的,必须有数个器官子系统协同调控才能完成。与体液整体调控有关的3个调控点是:渗透平衡、体液总容积稳态和酸-碱平衡。在哺乳动物体内有两个因素调控维持体液平衡,即ECF容积和ECF摩尔渗透压浓度。尽管这两方面调控相互之间密切相关,均与体内相对的NaCl和H2O负荷。而且这两方面密切相关的调控却显著不同:ECF摩尔渗透压浓度大小调控关系着防止细胞体积膨胀或缩小,在这个过程中维持水和盐类平衡甚为重要。ECF容积必须加以密切调控,以有助于血压的维持。这一过程的调控对于维持水和盐类平衡同样重要,相比之下对于长期性调控,盐类平衡更为重要。在体液中一些最重要的离子必须严密地加以调节,这些离子包括阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+;阴离子Cl—,CO32-和HCO3—和PO3—。水分子可以通过被动扩散通过细胞膜;而电解质的离子需要借助易化扩散(facilitated diffusion)和活性转运(active transport)来通过细胞膜。易化扩散需要以蛋白质为基础的通道( protein-based channels)来转运溶质。活性转运需要能量、转运蛋白(carrier proteins),或者泵来克服离子浓度梯度转运离子。

  所有的动物细胞都会面临一个问题,即由于 ECF和 ICF内Na+浓度的不同致使细胞体积膨胀。这是因为 ECF内的Na+都会形成内向的电子和化学梯度,从而使Na+渗入细胞内,提升了溶质浓度,进而使渗透压升高,使水分进入细胞内。只有 Na+ / K+ ATP酶泵才可能使这种状况得以纠正。通过这一机制使 Na+比K+ 向细胞外移出去的要多,每泵出去3个Na+就可以有2个K+移入替换,这样一来不仅维持了细胞内部离子平衡,而且也降低了整个细胞的渗透压。

  血浆是唯一能直接调节自己的容积和组成的体液。而血浆容积和组成的改变势必直接影响到与细胞直接接触的组织液的容积和组成变化。调节血浆的机制都会调节整个 ECF。反过来 ECF的改变也会通过改变细胞膜的通透性影响到 ICF。

  通长导致细胞内渗透压平衡出现紊乱有以下几种情况:

  —— 通过呼吸、出汗和蒸腾作用( transpiration)将体内水分蒸发到空气中;

  —— 饮水量不当或摄入的介质种类与机体需求不相符时;

  —— 当机体处于冷冻状态下,使机体内一部分水分在冰的结晶里,将离子浓缩在残余的未结晶的水内时;

  —— 机体处于病理状况下(如患糖尿病时ECF渗透压增高由于葡萄糖水平过高和囊性纤维化致使盐的转运受阻)或由于大量饮水导致血钠过低。

  面对渗透压平衡紊乱,生物进化形成两种应对策略:一是变渗动物(osmoconformers):当它们耐受外界盐类浓度的变化而生存时,随着外部的变化其体液浓度也发生变化,这种动物称为渗透适应型动物。其体液与介质经常是等渗透性的。其中多数是变渗性动物,或多或少地能耐受盐类浓度的变化。二是调渗动物(osmoregulators):它们体液的渗透压能经受稳态调节,相对比较稳定,通常体液与外界环境渗透压很不相同。

  调渗动物体内的细胞通常不会出现容积增大或缩小的现象,这是因为在ECF内非穿透性溶质的浓度能精确地被调节。哺乳动物主要是由肾脏来完成这一功能,从而使绝大多数细胞中摩尔渗透压浓度维持在同一水平上(约为300 mOsm)。

  生物机体需要不断地通过摄人食物和水并通过排汗、排尿和排粪与环境交换水和营养物质。如果缺乏调节渗透压的机制或因患病伤害了这一机制,体内就会积累有毒有害物质和水分,从而导致严重后果。渗透压调节和渗透平衡是维持包括营养代谢在内所有代谢活动正常进行根本条件,也是营养代谢稳恒控制的不可或缺的最重要的生命功能之一。在营养研究中我们要注意对动物机体内部不同层次的渗透平衡变化的研究。

  (2)酸碱平衡

  典型的哺乳动物的动脉血的正常 pH值为7.45,静脉血为7.35,平均值是7.4。通常静脉血的 pH值略比动脉血略低一些,这是因为静脉血从组织毛细管收集的CO2生成 H2CO3时产生了H+。当血液 pH值低于7.35时,就出现酸中毒;而当血液 pH值高于7.45时,就产生碱中毒。一旦动脉血 pH值低于6.8或高于8.0,数秒内动物即会死亡。因为在这样的 pH值下,许多细胞功能无法进行。应该指出,上述血液正常 pH值范围不适用于所有动物,特别是变温动物。所以,体液的【H+】必须认真加以调控。【H+】的变异会影响神经、酶和K+活性。在正常情况下,由于动物体内持续不断进行的代谢活动,氢离子产生不断进行。特别是在一些病理状况下,体内产酸量会增大。另外体外来源的【H+】也不容忽视,比如过量大气中 CO2形成的碳酸和易产酸的药物等等。

  动物机体抵御体内【H+】浓度变化有3种途径

  ——通过体液化学缓冲系统:这一调节机制作用快,为第一道防线,数量有限,不持久,不彻底。

  ——借助 pH控制的呼吸器官调节机制:该机制迅速、幅度大,为第二道防线。

  ——借助 pH控制的肾功能性调节机制:该机制作用强、持久、彻底;但缓慢。

  检测动物体内酸一碱平衡的指标有血液【H+】浓度和pH值、标准碳酸氢盐(standard bicarbonate,SB)与实际碳酸氢盐(actual bicarbonate,AB)、缓冲碱( buffer base,BB)、剩余碱( base excess,BE)、二氧化碳分压(PCO2或Paco2)、二氧化碳结合力(CO2-CP)和阴离子间隙(anion gap,AG)等7种。

  (3)氧化状况平衡

  氧对维持机体生命活动十分重要。所谓氧化状况平衡是指促氧化能力与抗氧化能力之间的平衡当氧自由基产生过多或清除不足,氧化状况平衡失衡时就能引起细胞的氧化损伤所谓自由基是指外层轨道上具有不配对电子的原子、原子团或分子,如氢自由基(H.)、氢氧自由基(OH.)、超氧化物自由基(O2-)。氧自由基既是氧化剂,又是还原剂,极易与组织细胞成分中的电子结合,以达到稳定的配对电子状态,并且当自由基与非自由基物质反应时,往往形成新的自由基而发生连锁性、增殖性反应。自由基对细胞成分包括脂质、蛋白质、DNA的损伤表现为:脂质过氧化导致生物膜脂质不断破坏;蛋白质氧化损伤表现为蛋白质的凝集与交联和蛋白质降解与断裂,引起酶活性、生物膜和细胞功能、代谢及结构异常变化;DNA氧化损伤主要表现为链断裂及碱基修饰。

  氧化应激具有以下特点:

  —— 氧化应激属于应激反应的范畴。

  —— 活性氧是氧化应激的应激原,属化学性应激。

  —— 活性氧常和其它应激原交织在一起,形成复合应激原,引起强烈的应激反应。

  —— 氧化应激具有普通应激反应的基本属性即应激反应的双重性,损伤与抗损伤同时存在。也就是说在活性氧引起机体损伤的同时,机体也可产生一系列保护性反应来对抗损伤性效应。氧化应激的双重性还表现在某些条件下表现为损伤性效应,在另一些条件下则呈现保护性效应

  —— 过去认为应激主要通过强烈的、长时间的交感-肾上腺髓质系统,垂体-肾上腺皮质轴兴奋,大量儿茶酚胺、糖皮质激素分泌引起机体耗竭,造成损伤。现在研究表明,在应激性溃疡发病中除上述传统的发病因素外,氧化应激还是直接造成胃粘膜损伤的重要因素之一。

  引起氧化应激的活性氧可以是体内代谢产生的,也可能是由外界环境而摄人体内的。形成氧化应激可以是局部器官的,也可以是全身性的引起氧化应激的原因是多种多样的,诸如物理因素、化学因素和生物因素,而这些原因可通过多种多样的反应途径引起氧化应激。

  为了防止氧化损伤动物在长期进化过程中形成完整的抗氧化防御系统。该系统是由酶性和非酶性成分两部分组成。(如表1所示)。

1 动物体内抗氧化防御系统



主要抗氧化酶
主要作用
超氧化物歧化酶
清除O2-
过氧化氢酶(CAT)
清除O2-
硒谷胱甘肽过氧化物酶
清除H2O2,有机过氧化物
磷脂氢过氧化物谷肽
清除脂类过氧化物
甘肽过氧化物酶
清除有机过氧化物


主要非酶性抗氧化剂

维生素类
[size=11.0000pt]
胱甘肽
清除OH. 、H2O2、O2 ,供氢体
尿酸
O2   OH.
蛋白质抗氧化剂
[size=11.0000pt]
铜蓝蛋白
控制 OH.生成
清蛋白
控制 OH.生成,阻断脂质过氧化
VitE
清除O2、O2- 阻断脂质过氧化链式反应
VitC
清除 O2、OH. 、O2-[size=11.0000pt] 阻断脂质过氧化

  自由基本身是是机体正常的代谢产物,并且是维持多种重要的生理功能的物质基础。它的产生速率、清除途径在正常情况下受到机体严格而精确调控。一旦自由基生成和清除的动态平衡被打破,造成机体自由基不足(生成不足或/和清除过多)或自由基过多(生成过多或/和清除不足)两者都会对机体造成应激损伤,成为疾病发生和发展的重要原因,所以自由基的功能具有双重性,既有正面功能,也具有负面功能,关键要看自由基生成和清除平衡状况如何。如何充分发挥自由基的正面功能,尽可能抑制其负面功能直接关系动物的健康和生产性能的潜力的最佳表现。我们往往对自由基的负面功能谈的较多,给人们印象好像自由基一无是处。自由基的正面功能表现在以下3个方面:

  —— 防御功能。自由基在吞噬细胞杀灭、清除病源微生物的过程中能发挥积极作用,在特定条件下自由基是机体防御体系中的重要一环。

  —— 杀癌作用。机体多种免疫细胞具有杀伤肿瘤细胞的作用,其作用机制直接或间接都与自由基有关。

  —— 解毒作用。在细胞光面内质网膜上的细胞色素 P450的作用下,底物与 NADPH和02相互作用,氧被激活从而把1个原子氧插人底物的分子内,底物被氧化。

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

  通过这一反应使许多有毒的化学物质发生羟化反应从而降低了毒性,增加了极性,易于随胆汁、尿液排出体外。

  (完)

  节选自:卢德勋先生演讲稿《系统动物营养学创新和发展面临的新形势和新任务》

  卢德勋 研究员

  我国著名的动物营养学家,系统动物营养学的创立者,一直致力于系统动物营养学的倡立、传播和发展。曾担任中国畜牧兽医学会动物营养学分会长、名誉会长。内蒙古农牧业科学院动物营养研究所所长、名誉所长,内蒙古农业大学兼职教授、博士生导师以及国家多项重大项目评审专家。现担任《动物营养学报》主编、国家重大基础研究973项目(猪、牛)专家。


反刍背景717.jpg

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