硒在反刍动物营养中的研究进展

■秦廷洋 李 蓉 李夕萱 杨晓明 齐智利

（1.华中农业大学动物科技学院，湖北武汉 430070；2.恩施市金欣农业发展有限公司，湖北恩施 445000）

过去，由于摄入少量的硒会导致动物中毒甚至死亡，因此，硒一直被认为是一种有毒物质。后来人们研究发现：缺少硒会导致心肌、肝脏、骨骼肌坏死，硒对于动物有重要作用[1]。随着人们研究的深入，逐渐发现硒与动物免疫、生长、繁殖、抗氧化以及激素调节等生物学功能密切相关，硒在动物体内通过合成硒蛋白发挥生物学功能，目前已经发现了30多种硒蛋白[2]，硒在动物体内作为抗氧化、促生长等功能物质维持着动物正常的生长、发育。近几年，人们研究发现，在日粮中添加适量的硒不仅可以促进动物生长，还对动物肉品质有一定的影响，有机硒的效果显著优于无机硒，并且其功能与维生素E有互补作用，联合使用维生素E可以取得较优的养殖效果，此外，除使用有机硒，纳米硒与硒多糖都可能对动物有较好的促进作用。在反刍动物中，人们发现：硒对瘤胃微生物发酵功能有显著影响，对反刍动物的免疫、生长以及肉品质等方面也有显著的影响。因此，近几年硒已经成为反刍动物营养研究的重要内容[3]。

1 反刍动物体内硒的沉积规律和分布情况

硒作为必需微量元素，对动物体有重要的生理功能，但是硒占机体比重较低。不同细胞发挥着不同的生物学功能，物质结构是实现功能的基础，因此，硒在动物体中不同组织和器官中的分布也不同，一般来说，硒大部分沉积于肾脏、胰脏、肝腺和毛发中，少部分硒沉积于肌肉、骨骼和血液中，在脂肪组织中也有，但是含量极少[4]。硒在不同细胞中，分布情况也存在差异，比如：在肾细胞中，硒主要分布在细胞核附近，而在肝细胞中，硒则是比较均匀分布在细胞中[5]。各组织、器官中硒的沉积量也会随动物硒摄入量的改变而发生相应的改变（如表1）。

表1 绵羊各器官中硒含量变化[6]

2 硒在反刍动物体内的周转过程

2.1 硒在反刍动物体内的吸收

小肠是吸收食物中硒的主要场所，目前具体的吸收机制尚不清楚，一般认为，动物可以利用不同形式的硒，但是它们在小肠中的吸收机制各不同，小肠以主动吸收的方式摄取食物中的有机硒，以被动转运的方式吸收无机硒[7-8]。亚硒酸盐在动物体内以简单扩散的方式吸收；有机硒的吸收方式类似于氨基酸的转运，其中硒代蛋氨酸可以通过蛋氨酸途径被吸收；硒酸盐可以借助钠泵和氢离子交换机制被吸收[9]。

特别的是，反刍动物中的瘤胃微生物可以通过置换反应，将含硫氨基酸中的硫置换为硒，合成硒蛋白，用于维持微生物生长繁殖[10]。同时部分亚硒酸盐在反刍动物肠道内生成不溶性化合物，无法被动物利用，这可能就是反刍动物在生产中更容易出现缺硒症状的原因[1]。

2.2 硒在反刍动物体内的代谢

无机硒经过小肠吸收进入血液后，被血红细胞摄取，与谷胱甘肽和谷胱甘肽还原酶参与一系列还原反应，无机硒还原生产硒化氢，硒化氢在酶的作用下生成硒半胱氨酸，硒半胱氨酸经过复杂的机制参与蛋白质的合成[11]。

硒代蛋氨酸和硒半胱氨酸是有机硒在机体内存在的两种形式。硒代蛋氨酸作为蛋氨酸的类似物除了可以转化为硒化物，进而沿着硒化氢途径合成硒蛋白外，还可以在机体内沿着蛋氨酸的途径随机替代蛋氨酸进入蛋白质合成中。无机硒代谢通路中，仅有少数硒合成体蛋白，而硒代蛋氨酸相对于无机硒在动物体内周转速率更慢，提高了硒的吸收率，同时，硒代蛋氨酸可以替代蛋氨酸进行代谢，这可能是有机硒更有利于动物硒沉积的原因[12-14]。

2.3 硒在反刍动物体内的排出

动物体中，硒经过代谢后生成硒的甲基化合物排出体外，其中大部分以三甲基硒的形式通过尿液排出，动物体经肾脏排泄的硒约占总硒的55%～60%，另外有少量硒通过粪便、毛发和汗液排泄到体外。当动物体内硒含量过高时，硒会在动物体内生成具有挥发性的硒的甲基化合物，通过呼吸道以气体的形式排出体外，同时，增加生成硒的甲基化合物是目前认为比较有效的解除硒中毒的途径[15]。

3 硒蛋白的合成及作用

3.1 硒蛋白的种类

硒蛋白是指机体在合成蛋白质的过程中，有硒半胱氨酸（Sec）作为编码氨基酸插入到肽链中的蛋白质。目前在哺乳动物中已经发现了多种硒蛋白，依据它们的功能可以划分为：碘甲腺原氨酸脱碘酶(ID)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、硒蛋白P、硫氧还蛋白还原酶（Trx）、硒蛋白W等[16]。

3.2 硒蛋白的合成

硒半胱氨酸（Sec）是后来发现的生物体合成蛋白质的第21种氨基酸，与它对应的密码子和蛋白质翻译的终止密码子一样为AUG[17]。硒半胱氨酸（Sec）作为氨基酸参与蛋白质合成的机制较复杂，且真核生物与原核生物不同。

硒蛋白在原核生物中合成时，需要四个翻译因子和两种顺式作用元件。两种顺式作用元件为：引导Sec进入特定位点的Sec-AUG密码子，位于AUG 3’端下游邻近的一个特殊的mRNA茎环样的结构（SECIS）；四个翻译因子为：SelA、SelB、SelC与SelD，它们的功能是：SelA通过合成SELA Sec合成酶，调控硒半胱氨酸tRNA的合成；SelB合成SELB翻译因子，SELB翻译因子特异性的结合与硒半胱氨酸-tRNA[Sec]，并且识别SECIS帮助Sec插入肽链；SelC合成与Sec结合的特异性载体；SelD调控SELD硒磷酸化合物合成酶的合成。硒磷酸化物合成酶催化硒化物生成硒磷酸化物，在Ser-tRNA合成酶作用下，tRNA[Sec]生成 SertRNA[Sec]，在硒半胱氨酸合成酶作用下，Ser-tRNA[Sec]以硒磷酸化物为硒供体，形成硒半胱氨酸-tRNA[Sec]，最后，与特异的SELB翻译因子结合并识别SECIS，协助Sec插入肽链[18]。

与原核生物不同，真核生物硒蛋白合成更为复杂，但也存在相似之处。在哺乳动物Sec-AUG密码子仍可作为终止密码子，因此，哺乳动物mRNA相同位置的UGA可兼具截然不同的功能；真核生物中的SECIS的结构、序列不相同，存在于mRNA 3’非转译区[19]。人们发现一种SBP蛋白能特异性与SECIS元件结合，它的功能类似于SELB[20]。

3.3 硒蛋白的作用

谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)：GPX是机体内重要的抗氧化酶，其作用是保护生物细胞膜系统以及机体内大分子物质免受氧化损伤，GPX主要包括四个成员。

脱碘酶（ID）：主要功能是调控甲状腺激素的代谢，主要包括三个成员。

表2 谷胱甘肽过氧化物酶分布及作用[16]

表3 脱碘酶家族分布及作用[16]

硒蛋白P（SelP）：主要由肝脏分泌的一种细胞外糖蛋白，其蛋白质肽链中含有10～12个Sec残基，硒蛋白P在机体各种组织中广泛表达，在维持神经组织和大脑的正常功能方面有重要作用。

硒蛋白W（SelW）：硒蛋白W主要在肌肉组织中表达，其功能可能与肌肉正常活动相关[21]。

硫氧还蛋白还原酶（TrxR）：硫氧还蛋白还原酶主要有TrxR1、TrxR2、TrxR3三个成员。TrxR在硫氧还蛋白协助下，可以还原胰岛素，避免甲状腺受到H2O2氧化，同时还对IDⅠ的活性有抑制作用等生物学作用[22]。

4 在反刍动物中硒与硒蛋白的生物学作用

4.1 对瘤胃发酵的影响

硒同样也是瘤胃微生物的必需微量元素，补充适量的硒可以促进瘤胃微生物的生长繁殖，增加瘤胃微生物的数量，减少瘤胃微生物的氧化损伤，提高瘤胃微生物的生物活性，从而影响瘤胃发酵功能与饲料的消化率。

4.2 免疫调节功能

对特异性免疫的影响：实现细胞免疫应答功能的细胞主要有辅助性T淋巴细胞、抑制性T淋巴细胞、细胞毒性T细胞、杀伤细胞(K细胞)和自然杀伤细胞(NK细胞)。当机体处于缺硒状态时，机体的淋巴细胞减少，自然杀伤细胞也会减少，细胞免疫能力下降；而适量的硒，可以加快机体淋巴细胞的分化、增殖，增强淋巴细胞杀伤能力和淋巴因子的分泌。硒能增强淋巴细胞产生抗体的能力，适量补充硒还能提高血液中免疫球蛋白的数量，同时，对维持免疫球蛋白的正常水平也有重要作用[15]。

对非特异性免疫的影响：非特异性免疫是指动物体随着生长、发育而获得的免疫能力，其免疫效果对广泛病原体有效，因而称之为非特异性免疫。适量补充硒能增强机体吞噬细胞的趋化功能，提高吞噬和杀灭病原体的能力[23]。

此外，miRNA miR-181a以CD69和T细胞受体（T cell receptor，TCR）为作用靶点，T细胞中高表达miR-181a负向调控T细胞发育。当硒缺乏时雏鸡血清中免疫因子含量明显降低，表现出相应的临床病理学变化；且THP-1细胞上TLR被LPS刺激后，通过Myd88途径上调炎症介质的表达，伴随miR-146a表达上调。同时，硒通过形成硒蛋白参与多种生物学效应调节机体免疫功能。因此推测，miRNA在硒蛋白参与的机体免疫中发挥重要作用[24]。

4.3 抗氧化功能

谷胱甘肽过氧化物酶是硒蛋白的一种，是生物体内重要抗氧化酶系统，清除细胞内过多的过氧化物，保护机体免受活性氧自由基的损害。Kumata S等[25]研究发现：适量的硒可以提高谷胱甘肽过氧化物酶的活性，显著降低体内丙二醛的含量，减少机体内自由基含量。

维生素E也是重要的抗氧化物质，联合使用硒和维生素E可以大大提高动物体的抗氧化能力，并且两种物质在改善肉品质、提高动物体免疫能力等方面具有互补效果。

4.4 促生长功能

作为必需微量元素，补充适量的硒是动物健康生长不可缺少的环节，同时，硒在对动物体抗应激、抗氧化、免疫能力方面的促进作用也有利于动物健康生长。脱碘酶是硒蛋白的一种，脱碘酶能催化四碘甲腺原氨酸（T4）转化为三碘甲腺原氨酸（T3），T3能增强胰岛素分泌，增强蛋白质周转和合成，调控生长激素的生产与基因表达进而促进生长[26]。最后，对于反刍动物而言，硒也是瘤胃微生物生长繁殖的必需微量元素，硒可以提高瘤胃微生物的活性，提高饲料消化率，武霞霞[27]实验表明：使用奶牛瘤胃液体进行体外培养，补充适量硒可以增强瘤胃发酵功能，提高饲料消化率。

4.5 对繁殖性能的影响

雄性动物精子细胞中含有硒蛋白的成分，主要存在于精子细胞尾部中段，在精液中存在着谷胱甘肽过氧化物酶，保护精子在生殖道中不受氧化损伤，是保证精子活力、完成受精过程的重要物质[28]。Marin-Guzman等[29]在研究硒对公猪生殖能力的影响的实验中发现，日粮中添加硒的公猪比没有添加硒的公猪精子活力提高了27.5%，健康精子数量提高27.2%，受精率提高了25.1%。当机体内硒不足时，精子原生质膜容易受损，并且释放谷草转氨酶，精子活力降低，甚至导致精子死亡，受精率降低。硒容易进入雌性动物生殖器官中有，在卵细胞和母乳中都有硒的存在，是雌性动物进行正常繁殖的重要物质。雌性动物缺少硒时，会影响雌性动物一系列的繁殖性能，表现为：发情不规律，性欲降低，子宫活力不足，母畜排卵数量变少，精子在受精过程中的活动也会受到限制，对母畜后期的妊娠、胎儿存活率以及幼畜生长都有不良影响。

4.6 对激素调节的影响

硒在激素调节中的作用主要体现在脱碘酶对甲状腺激素的作用。甲状腺激素中大部分是甲状腺激素T4，而甲状腺激素T3含量相对较少，进入血液的98%是甲状腺T4，只有2%是甲状腺激素T3，但是甲状腺激素T3才是挥发相应功能的主要物质，其活性是甲状腺激素T4的5～8倍，同时甲状腺激素T3介入戊糖磷酸循环途径，与动物生长激素和胰岛素的合成代谢相关。脱碘酶能催化T4脱碘转化为活性更强的T3。当动物体内硒不足时，脱碘酶活性显著下降，血液中T3含量随之降低，导致动物生长受阻[30]。

5 反刍动物的缺硒与硒中毒

5.1 反刍动物缺硒的影响

硒是反刍动物必需的微量元素，是维持机体正常代谢的重要物质，根据反刍动物的种类以及硒的不同形式，对硒的需要量也各不相同。急性的缺硒症状主要出现在犊牛和羔羊中，表现为心肌衰竭甚至死亡；亚急性缺硒症状主要表现为白肌病；慢性缺硒对动物繁殖性能、生长性能、抵抗力等有不良影响[6]。

5.2 硒中毒

当动物体内硒含量过高时，硒不在表现为抗氧化作用，而是以产生活性氧自由基为主，使机体氧化损伤。不同动物对硒的耐受量不同，以牛为例，当牛日粮中硒含量高于400～800 mg/kg时，表现为急性硒中毒，出现呼吸困难、运动失调，甚至导致死亡；当长期饲喂硒含量3～20 mg/kg的饲料给犊牛时，导致慢性硒中毒，出现生长缓慢、食欲下降、脱发、脱蹄等症状[6]。硒中毒的机制尚不清楚，活性氧自由基理论是现在解释硒中毒的基础，该理论认为：当体内硒含量过高时，过量的硒与体内的代谢产物谷胱甘肽反应，生成活性氧，造成机体氧化损伤[15]。

6 反刍动物中硒的营养调控技术研究进展

1817年，化学家Berzelius首次发现硒元素，并命名为Selene，起初，由于动物食用少量的硒便会出现中毒的症状，硒被认为是毒性物质；Eggert等（1957）发现：缺硒会出现猪肝脏坏死，骨骼肌变性等，确定了硒是动物的必需微量元素；Rotruck（1973）发现硒与谷胱甘肽过氧化氢酶的合成密切相关，随后多种硒蛋白陆续被人们发现。鲁玉花等（1999）[31]模拟山羊瘤胃体外代谢，研究硒对山羊瘤胃发酵的影响中发现，添加硒对瘤胃pH值无显著影响，丁酸与乙酸的比例显著升高，丙酸含量也显著升高，瘤胃中氨氮浓度显著升高，原虫蛋白与菌体蛋白显著升高，三氯醋酸沉淀蛋白含量也显著提高，纤维素消化率显著提高。张拴林等(2012)在研究硒与维生素E对奶牛生长性能和血液生化指标时发现：适量的硒可以提高奶牛泌乳量，硒和维生素E联合使用能有效保护肝脏，改善氮平衡，增加氮的生物利用率，随后，张拴林等又对肉牛进行相似的实验研究发现：在饲料中添加适量的硒与维生素E能显著提高可消化氮与沉积氮的数量，减少氮排放，在血液指标中，血液中谷草转氨酶（GOT）、谷丙转氨酶（GPT）、谷胱甘肽过氧化氢酶（GPx）以及白蛋白（ALB）含量增加，促进T4向T3转化等[32-33]。刘敏（2014）使用不同硒源研究对滩羊表观消化率以及生产性能的影响，发现添加硒对滩羊生长有一定促进作用，酵母硒效果优于无机硒。

奶牛乳腺炎在临产和泌乳期奶牛中发病率较高，严重影响乳腺健康和牛奶生产，而硒可降低奶牛乳腺炎的发病率和严重程度。2013年研究报道：在成年母牛和犊牛的大肠杆菌疫苗免疫试验中证实了硒对获得性免疫的增强作用，血清抗体水平和TRxR-2基因表达水平与饲粮硒水平呈正相关，而IL-8受体、L-选择素和TRxR-1的基因表达水平与饲粮硒水平呈负相关，因此，营养补硒提高了牛用疫苗的效力[34]。硒的其中另外一个重要抗炎机制为其调节单核细胞与内皮细胞的黏附及炎症浸润，硒营养直接影响血管内皮细胞功能和乳腺内皮细胞[35]。近年来，药物刺激乳腺上皮细胞研究其对MAPK途径的报道逐渐增多，研究表明，外源添加亚硒酸钠，显著抑制MAPK通路活化，降低了p38、JNK和ERK的磷酸化并呈剂量依赖性，促炎和炎性细胞因子诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、COX-2和TNF-α等基因呈剂量效应表达下降[36]。

7 小结

经过大量实验证明，硒对动物高效、健康养殖，改善肉品质方面有积极作用。在生产实践中发现，无机硒的毒性作用大，不易控制，易导致动物硒中毒，相对于无机硒，有机硒毒性较小，在动物体内吸收利用率高，是较为安全且高效的补硒物质，有机硒在反刍动物中的使用是研究热点之一。对于反刍动物而言，有机硒的最佳使用量需要进一步深入研究，此外，考虑到瘤胃微生物对有机硒的分解作用，应考虑对有机硒进行过瘤胃处理，如：使用包被硒代蛋氨酸等。在日粮中添加硒时，为了取得更优的养殖效果应考虑与维生素E联合使用，在反刍动物中，硒与维生素E联合使用的添加量有待进一步研究深入。近几年，人们发现硒对人有重要的保健作用，如：防治心脑血管疾病、预防癌症、保护肝脏以及延缓衰老等，因此，研究不同硒源在反刍动物体内的沉积量与沉积规律，开发富硒产品，对提高人们健康水平有重要意义。