【大蒜素的生物學功能及作用效果探析4800字（論文）】

大蒜素的生物學功能及作用效果分析TOC\o"1-2"\h\u197611大蒜素的定義及其理化性質(zhì) 。大蒜素具有不穩(wěn)定性，即使在常溫環(huán)境中也容易分解,其分解產(chǎn)物的生物活性較其自身低[4]。2大蒜素的生物學功能2.1抑菌殺菌大蒜素具有廣譜抗菌性[5-6]，對多種革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有抗菌活性，如金黃色葡萄桿菌和沙門氏菌等[7-8]。此外，大蒜素還具有抗真菌性，如白色念珠菌；抗寄生蟲以及抗病毒的活性[9]。大蒜素會導(dǎo)致菌體細胞壁和細胞膜不可逆的超微結(jié)構(gòu)變化，破壞細胞的完整性，導(dǎo)致細胞內(nèi)容物外流最終實現(xiàn)殺菌活性[10-11]。研究表明，大蒜素具有高度脂溶性，很容易穿過細胞膜系統(tǒng)[12]。大蒜素滲透到細胞和細胞器內(nèi)，與含巰基的蛋白質(zhì)（包括各種酶）和氨基酸反應(yīng)[13]。DNA促旋酶是原核生物必不可少的酶之一，是臨床上抗生素的重要靶標。大蒜素在體外通過抑制DNA促旋酶活性抑制細菌DNA的復(fù)制[14]。β-半乳糖苷酶是細菌、酵母、真核細胞生理代謝過程中的關(guān)鍵酶，使用大蒜素處理后，β-半乳糖苷酶的活性降低[10]。大蒜素可以通過促進白念球菌菌絲生長負向調(diào)控基因PDE2的表達，抑制白念球菌菌絲生長正向調(diào)控基因HWP1、ALS1、EFG1的表達，進而抑制白念球菌菌絲的生長，降低白念球菌的毒性[15]。除此之外大蒜素還可以抑制菌體蛋白質(zhì)的合成[16]，抑制真菌孢子[17]和被膜的形成[18]。大蒜素可抑制蛋白質(zhì)功能是因為大蒜素與蛋白中的巰基發(fā)生反應(yīng)形成二硫鍵，進而導(dǎo)致蛋白解折疊，破壞了蛋白質(zhì)正常的結(jié)構(gòu)[19]。值得注意的是，一些不含巰基的酶也被大蒜素抑制，而一些含巰基的酶則不能，這說明大蒜素與蛋白質(zhì)反應(yīng)的決定因素不是巰基而是蛋白質(zhì)內(nèi)的微環(huán)境[20]。大蒜素與蛋白質(zhì)的反應(yīng)如圖1所示。雖然大蒜素的抑菌機制尚未充分闡明，但是大蒜素通過攻擊菌體細胞生存不可或缺的原始材料和抑制基礎(chǔ)代謝，使得細菌不能通過突變或代謝適應(yīng)來克服大蒜素帶來的損傷[21]。圖1大蒜素對蛋白質(zhì)合成的影響[22]Fig.1Effectofallicinonproteinsynthesis如圖1A所示，正常條件下蛋白質(zhì)的合成。翻譯后蛋白質(zhì)折疊成其最終結(jié)構(gòu)。B易于攻擊的半胱氨酸殘基（紅色表示）通過二硫鍵交換反應(yīng)與大蒜素反應(yīng)。在空間上受阻的半胱氨酸殘基（以藍色表示）不會與大蒜素反應(yīng)。C空間上受阻的半胱氨酸殘基在蛋白質(zhì)合成早期會成為大蒜素攻擊的潛在靶標。結(jié)果會導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯失敗、功能降低甚至沒有功能。2.2抗氧化雖然大蒜素在化學水平上是氧化劑，但在生理水平上，低劑量的大蒜素在生理水平上可充當抗氧化劑使用[22]。大蒜素可減少活性氧(ROS)含量[23-24]，從而可以減少ROS大量堆積對細胞DNA和蛋白質(zhì)的損傷[25]，保護了線粒體膜的通透性和膜電位，進而保護細胞免于凋亡[26]。ROS是絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)的有效激活劑[27]。而大蒜素可以通過抑制p38-MAPK通路的激活來減輕ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和細胞線粒體凋亡[28]。叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O1(FOXO1)是抗氧化應(yīng)激，代謝調(diào)節(jié)以及細胞增殖和凋亡等生物過程的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[29]。在抵抗鉛氧化應(yīng)激誘導(dǎo)小鼠骨質(zhì)流失的研究中，發(fā)現(xiàn)大蒜素組抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、過氧化氫酶(CAT)的活性增強，而丙二醛(MDA)和ROS的含量則降低；同時提高FOXO1的活性[30]，進而促進位于不同亞細胞區(qū)室的抗氧化劑蛋白的表達，例如線粒體中的錳超氧化物歧化酶(SOD2)[31]，最終提高了小鼠的抗氧化應(yīng)激功能。轉(zhuǎn)錄因子Nrf2(NF‐E2‐relatedfactor2)是一種細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)許多抗氧化酶和解毒因子基因的表達[32]。大蒜素可以通過提高轉(zhuǎn)錄因子Nrf2表達來誘導(dǎo)血紅素氧合酶-1(HO-1)和谷氨酸-半胱氨酸連接酶修飾物(GCLM)亞單位等抗氧化酶的表達，從而保護細胞免受氧化應(yīng)激，此外大蒜素可以通過顯著抑制一氧化氮合酶(iNOS)和NADPH氧化酶4(NOX-4)的表達來保護細胞免受氧化應(yīng)激損傷[33]。2.3抗炎絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)和核因子κB(nuclearfactorkappa-B，NF-κB)參與細胞的各種生理和病理過程的調(diào)控，包括凋亡、炎性損傷和應(yīng)激[34]，核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NODlikereceptorprotein3，NLRP3)是激活炎癥的關(guān)鍵媒介[35]。大蒜素可以通過抑制炎性誘導(dǎo)因子如丙烯酰胺和氧化應(yīng)激等對MAPK/NF-κB/NLRP3信號通路的激活，來減少炎性因子IL-1β，IL-18，IL-6、TNF-α的釋放，進而減輕炎癥反應(yīng)，此外大蒜素還可以通過抑制關(guān)鍵酶的磷酸化來抑制MAPK和NF-κB信號通路[36-37]。已知轉(zhuǎn)錄因子Nrf2被激活會抑制氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[38]。研究表明大蒜素可以激活核因子Nrf2，進而降低炎癥反應(yīng)[39]。大蒜素除了通過影響通路來抑制炎癥因子的表達外，還可以通過控制細胞自噬蛋白的表達，防止細胞過度自噬，以及抑制中性粒細胞粘附于內(nèi)皮細胞來抑制和改善炎癥[39,40]。由此可見，大蒜素除具有殺菌抑菌、抗氧化的功能，還具有抗炎作用。3大蒜素在反芻動物上的作用效果3.1提高反芻動物生產(chǎn)性能提高動物生產(chǎn)性能是畜牧生產(chǎn)科研的重要目標之一。金萍等[41]在荷斯坦奶牛的基礎(chǔ)日糧中添加30、80、120mg/kg的大蒜素，三個試驗組產(chǎn)奶量均增加，乳脂率分別提高0.089%、0.151%、0.05%。大蒜素添加量為80mg/kg最佳，過多時會造成乳氣味劣化。劉敏等[42]在荷斯坦奶牛的精料中添加的大蒜素干粉，結(jié)果表明試驗組乳蛋白和非脂固形物顯著提高。胡永杰[43]在秦川牛的日糧中添加大蒜素，與對照組相比大蒜素組日增重提高13.6%，飼料轉(zhuǎn)化率提高1%，利潤提高14.7%。井明艷等[44]在綿羊的日糧中分別添加25%的大蒜素1.6、1.2、0.8g/(只·d)，結(jié)果表明大蒜素的投放量在1.3～1.5g/(只·d)增重明顯。趙健康等[45]在湖羊的精料中添加大蒜素2g/(只·d)，顯著提高了湖羊的日增重，增重利潤較對照組提高了21.2元，經(jīng)濟效益提高了14.7%，同時腹瀉率較對照組降低了26.7%。以上研究表明添加適量的大蒜素或含有大蒜素的副產(chǎn)品可以提高反芻動物的生產(chǎn)性能。3.2提高動物營養(yǎng)物質(zhì)消化率消化代謝是反映反芻動物營養(yǎng)物質(zhì)消化情況的重要指標。Ma等[46]在杜泊×細尾寒羊雜交F1母羊的日糧中添加2g/(d·頭)大蒜素，結(jié)果證明了大蒜素可有效地提高了母羊的有機物、氮、中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)的表觀消化消化率。秦龍等[47]在綿羊的基礎(chǔ)日中添加300mg/kg的大蒜素，結(jié)果表明，大蒜素可以提高瘤胃內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的表觀降解率和可消化氮含量。Zhong等[48]在感染了胃腸線蟲的羔羊基礎(chǔ)日糧中添加50g/kg的大蒜粉，結(jié)果顯示大蒜粉組的羔羊干物質(zhì)和粗蛋白消化率較對照組有所提高，同時大蒜粉還降低羔羊的糞便中線蟲蟲卵的數(shù)量。以上研究表明在反芻動物的飼料中添加適量的大蒜素可以提高飼料的消化率。大蒜素提高飼料消化率主要有兩個因素：(1)由于大蒜素氣味可以提高消化液的分泌，增強腸胃蠕動。(2)大蒜素可以促進多種消化酶的分泌[49,50]。劉敏等[51]在羊的精料中添加25%的大蒜素干粉1.8g/(只·d)，結(jié)果表明，添加大蒜素干粉可使羊血清中球蛋白顯著升高35%，雖對白蛋白、尿素氮和總蛋白無顯著影響，但總蛋白呈現(xiàn)出上升。賀建忠等[52]在卡拉庫爾羊的精料中添加150mg/kg的大蒜素，從結(jié)果上看，大蒜素雖然對血清白蛋白，總蛋白沒有顯著影響，但總體水平較對照組有升高。血清中的蛋白含量與機體粗蛋白的消化吸收有著密切關(guān)系，大蒜素可能是通過提高粗蛋白的消化率間接提高血清中蛋白含量。3.3改善瘤胃發(fā)酵瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸和微生物蛋白是反芻動物能量代謝和機體營養(yǎng)的主要來源，其中微生物蛋白占小腸吸收總蛋白量的50%～80%，揮發(fā)性脂肪酸為機體提供的能量占總能的70%～80%，瘤胃pH值對于瘤胃穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[53]。。瘤胃中的氨態(tài)氮的濃度是反映瘤胃微生物分解含氮物質(zhì)產(chǎn)氨的速度以及對氨的攝取利用率的重要指標[47]。因此我們可以通過瘤胃pH值、VFA的含量、氨態(tài)氮的濃度和微生物蛋白的含量來判斷瘤胃發(fā)酵的狀態(tài)。在反芻動物體外實驗中，Busquet等[54]在短期發(fā)酵試驗中分別添加濃度為3、30、300、3000mg/L的大蒜素。與對照組相比，添加不同濃度的大蒜素對TVFA均無顯著影響，當添加濃度為3000mg/L時，丙酸濃度顯著增加，支鏈脂肪酸濃度降低，pH值顯著升高。當大蒜素的添加量為300mg/L時，pH顯著生高，其他指標物顯著變化。而當大蒜素的添加量為3mg/L和30mgL時所有指標均無顯著差異。Cardozo等[55]在研究天然植物提取物對瘤胃蛋白質(zhì)降解和發(fā)酵特性影響的實驗中添加含有0.7%大蒜素的大蒜提取物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TVFA濃度未受影響，而氨濃度顯著降低。Busquet等[56]研究表明，添加300mg/kg和3000mg/kg大蒜油，降低乙酸的濃度，增加了丙酸和丁酸的濃度，降低了TVFA的濃度。同時還抑制了甲烷的生成。在反芻動物體內(nèi)試驗中賈玉山等[57]用大蒜素0.2、0.4、0.6g/(d·頭)飼喂肉牛，結(jié)果顯示大蒜素添加量為0.2、0.4g/(d·頭)肉牛瘤胃總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)分別提高3.17mmol/L、5.03mmol/L，與對照組相比差異顯著，當大蒜素的添加量為0.6g/(d·頭)時與對照組相比差異不顯著，大蒜素可以提高瘤胃丙酸的濃度，使乙酸與丙酸比值均顯著降低，這有利于肉牛增重。秦龍等[47]在綿羊的基礎(chǔ)日中添加300mg/kg的大蒜素，大蒜素提高了綿羊瘤胃內(nèi)氨態(tài)氮、細菌蛋白和VFA濃度,促進了瘤胃發(fā)酵,還降低甲烷產(chǎn)量。Zhong等[48]在感染了胃腸線蟲的羔羊基礎(chǔ)日糧中添加50g/kg的大蒜粉，結(jié)果顯示添加大蒜粉增加了瘤胃液中TVFA濃度，降低了乙酸與丙酸的比例。VFA濃度的升高會導(dǎo)致pH降低，嚴重時還會引發(fā)瘤胃酸中毒。以上研究得出大蒜素會導(dǎo)致瘤胃VFA濃度增加的結(jié)論，但劉敏等[58]在綿羊的精料中添加25%的大蒜素干粉1.8g/（d·只)，測定結(jié)果表明大蒜干粉提高了瘤胃pH值。楊坤等[59]在綿羊的基礎(chǔ)日糧中添加30mg/kg的大蒜素，也得出大蒜素會提高瘤胃pH的結(jié)論。這兩種結(jié)論在理論上存在沖突，有待在現(xiàn)實生產(chǎn)中進一步研究探討。另外，楊坤等[59]的試驗還證明大蒜素組在氨態(tài)氮和菌體蛋白的含量上較對照組有所提高。大蒜素具有抑制和殺死甲烷菌的生物活性，從而使更多的碳源用于微生物蛋白的合成，而不是產(chǎn)生甲烷。這可能是菌體蛋白增多的原因。綜上試驗我們可以看出，瘤胃發(fā)酵效果與大蒜素的添加量有關(guān)，在體內(nèi)與體外的試驗中大蒜素的最適量也表現(xiàn)出不同。因此，大蒜素對瘤胃發(fā)酵的影響仍需進一步深入探究。3.4降低甲烷產(chǎn)量甲烷是大氣重要的溫室氣體。據(jù)科學家估計，2030甲烷對溫室效應(yīng)的貢獻將達到50%，成為首要的溫室氣體[60]。反芻動物每年甲烷排放量約為1.6千兆噸二氧化碳當量至2.7千兆噸二氧化碳當量，占全球總排放量的3%～5%[61]。瘤胃中甲烷的產(chǎn)生代表著飼料能量的大量損失，損失達到2％～12％，具體取決于飼料的類型[62]。因此降低甲烷排放對環(huán)境的保護和提高反芻動物飼糧轉(zhuǎn)化率等方面有重要意義。體外研究發(fā)現(xiàn)，在分別添加300mg/L大蒜素、二烯丙基二硫化物(DAD)、烯丙硫醇(ALM)作為甲烷抑制劑的實驗中，甲烷排放量分別降低了73.6%、68.5%、19.5%，其中大蒜素作為甲烷抑制劑的效果最佳[57]。薛艷峰等[63]以4期牧草為底物在體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗，結(jié)果表明大蒜素的添加濃度為1.5%和2.0%時甲烷產(chǎn)量顯著降低。Patra等[64]在體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗中添加0.25g/L、0.50g/L、1.0g/L的大蒜油甲烷產(chǎn)量隨計量增加而線性下降。當添加量為1.0g/L時甲烷降低了87%，同時各組計量都使瘤胃中古細菌和原蟲含量降低。在體研究同樣發(fā)現(xiàn)，大蒜素添加量為2.0g/(只·d)時可以顯著降低杜泊羊×小尾寒羊雜交F1代6.38%的甲烷排放量[65]。Ma等[47]在杜泊×細尾寒羊雜交F1母羊的日糧中添加2g/(d·頭)大蒜素結(jié)果表明大蒜素有效地降低了母羊的甲烷日排放量0.75L/