張 月 靳 燁 郭月英 要 鐸

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

動物機(jī)體貯存能量主要通過脂肪沉積實現(xiàn)，體內(nèi)脂肪沉積的增加或減少都會影響肉品質(zhì)，如嫩度和多汁性[1]。脂肪酸是機(jī)體重要的能源和功能性物質(zhì)，其組成及含量能夠改善肉類風(fēng)味，提高肉類食用價值。其中，飽和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)能延長貨架期，多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)是香味重要的前體物質(zhì)，且在加熱過程中能夠生成酯、酮和醇等風(fēng)味物質(zhì)[2]。長鏈脂肪酸(long chain fatty acid，LCFA)進(jìn)行β-氧化生成腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)，能夠促進(jìn)畜禽體內(nèi)脂肪消耗，降低脂肪含量，提高瘦肉率，改善肉品質(zhì)[3]。肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1，CPT1)作為脂肪酸氧化過程中的一種限速酶，參與調(diào)節(jié)脂肪酸氧化過程。目前，哺乳動物的CPT1主要有3種特異亞型，分別是肝臟型肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1A)、肌肉型肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1B)和腦型肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1C)。研究表明，CPT1B在綿羊各個組織中的表達(dá)量存在明顯差異，并且這種差異會影響各組織間的線粒體氧化能力，進(jìn)而影響機(jī)體脂肪含量[4-5]。此外，高脂狀態(tài)下敲除小鼠CPT1C后，CPT1A和CPT1B表達(dá)出現(xiàn)上調(diào)，同時小鼠血液中游離脂肪酸的濃度升高，肝臟和骨骼肌肌內(nèi)脂肪酸氧化能力減弱，甘油三酯積聚，更容易導(dǎo)致小鼠患肥胖癥和糖尿病[6]。因此，CPT1作為肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中調(diào)控脂質(zhì)代謝的相關(guān)物質(zhì)，參與調(diào)節(jié)脂肪酸氧化[7]，改善機(jī)體脂肪沉積，影響畜禽肉品質(zhì)，值得進(jìn)一步研究。

1 CPT1的生物特性

1.1 CPT1的結(jié)構(gòu)

CPT1是線粒體外膜內(nèi)表面跨膜蛋白，反應(yīng)底物為肉堿和脂酰輔酶A，產(chǎn)物為輔酶A和脂酰肉堿。CPT1有1個短的N端和1個長的C端結(jié)構(gòu)域，其被2個跨膜結(jié)構(gòu)和1個短連接環(huán)隔開。N端的疏水跨膜區(qū)域是定位丙二酰輔酶A(malonyl-Coa，M-CoA)敏感性和線粒體外膜的結(jié)構(gòu)，C端是肉堿結(jié)合催化結(jié)構(gòu)域[8]。CPT1A蛋白N末端在Nα(M-CoA敏感)和Nβ(M-CoA不敏感)構(gòu)象之間移動，同時CPT1A可以形成寡聚復(fù)合物，可能與它對M-CoA的敏感性有關(guān)(圖1-A)，而CPT1C的N末端始終處于Nα構(gòu)象(圖1-B)；CPT1C的C端結(jié)構(gòu)域比其他亞型長約30個殘基，編碼含有798個氨基酸的蛋白[9-11]。研究表明，大鼠CPT1A基因位于1號染色體上，含有2 319個堿基，編碼含有773個氨基酸殘基的蛋白，而CPT1B基因位于22號染色體上，含有2 316個堿基，編碼含有772個氨基酸殘基的蛋白[12]。目前，大鼠的CPT1A、CPT1B的cDNAs都已經(jīng)被克隆并測序。

N：N末端 N terminatio；CPT1A：肝臟型肉堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶1 liver type carnitine palmitoyl transferase 1；C：C末端 C terminatio；Nα Malonyl-CoA sensitive：Nα構(gòu)象 丙二酰輔酶A敏感；Nβ Malonyl-CoA insensitive：Nβ構(gòu)象 丙二酰輔酶A不敏感；Mitochondrial Intermmebrane Space：線粒體膜內(nèi)空間；Malonyl-CoA：丙二酰輔酶；CPT1C：腦型肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1 brain type carnitine palmitoyl transferase 1。

1.2 CPT1的主要功能

脂酰輔酶A合成酶在脂肪酸氧化過程中作用于游離LCFA，活化為長鏈脂酰輔酶A，進(jìn)行β-氧化。由于長鏈脂酰輔酶A缺乏穿越線粒體內(nèi)膜的通透性，因此這一過程需要由長鏈脂酰輔酶A的脂?；cCPT1的羥基結(jié)合形成脂酰肉堿，經(jīng)脂酰肉堿/肉堿轉(zhuǎn)位酶(carnitine-fatty acylcarnitine translocase，CACT)穿過內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，最終在內(nèi)膜內(nèi)表面同工酶肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶2(carnitine palmitoyl transferase 2，CPT2)催化下，使脂酰基從肉堿的羥基上脫離，成為脂酰輔酶A和肉堿。完成β-氧化后，基質(zhì)中的CACT轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)外膜間隙，參加下一次轉(zhuǎn)運(yùn)[13](圖2)。CPT1是脂肪酸β-氧化過程中的關(guān)鍵酶，能夠調(diào)節(jié)機(jī)體脂質(zhì)代謝，改善機(jī)體脂肪含量。

Long chain fatty acid：長鏈脂肪酸；LACS：長鏈?；o酶A long chain acyl coenzyme A；Acyl-CoA：脂酰輔酶A acyl coenzyme A；Carnitine：肉堿；CPT1：肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1 carnitine palmitoyl transferase 1；Acylcarnitine：?；鈮A；CACT：脂酰肉堿/肉堿轉(zhuǎn)位酶 carnitine-fatty acylcarnitine translocase；CPT2：肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶2 carnitine palmitoyl transferase 2；β-oxidation：β-氧化；Cytoplasm：細(xì)胞質(zhì)；Outer mitochondrial membrane：線粒體外膜；Inner mitochondrial membrane：線粒體內(nèi)膜；Mitochondrial matrix：線粒體基質(zhì)。

2 影響CPT1活性的因素

CPT1是脂肪酸氧化的調(diào)控因子，目前，影響CPT1活性的主要因素有M-CoA、細(xì)胞骨架蛋白磷酸化、微小RNA(microRNAs，miRNAs)、激素、運(yùn)動等[14-15]。

2.1 M-CoA

M-CoA是CPT1主要的內(nèi)源性抑制劑，是長鏈脂肪酸進(jìn)行β-氧化的抑制因子，主要通過M-CoA含量急性調(diào)控CPT1活性，同時CPT1對M-CoA的敏感性也能改變CPT1活性[16]。Mc Garry等[17]最早發(fā)現(xiàn)，M-CoA對脂肪酸氧化有調(diào)節(jié)作用。細(xì)胞內(nèi)M-CoA含量與LCFA氧化程度有關(guān)，在脂肪組織、肝臟及缺乏脂肪酸從頭合成能力的心臟或骨骼肌中，其含量與脂肪酸氧化率成反比[18]。饑餓狀態(tài)下，M-CoA對CPT1抑制減弱，CPT1活性增強(qiáng)，長鏈脂肪酸氧化增強(qiáng)，脂肪合成減少；進(jìn)食后，CPT1被抑制活性較低，長鏈脂肪酸直接進(jìn)行酯化反應(yīng)進(jìn)行能量儲存，因此，CPT1對心臟和骨骼肌中的能量平衡有重要作用[19]。

M-CoA主要由丙二酰輔酶A脫羧酶(malonyl-CoA decarboxylase，MCD)和乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)調(diào)控，MCD上調(diào)或ACC下調(diào)都會降低M-CoA含量，導(dǎo)致CPT1活性上升，脂肪酸氧化作用增強(qiáng)，影響脂質(zhì)和色素氧化。研究表明，脂肪酸過氧化會增加機(jī)體自由基和肉質(zhì)脂質(zhì)氧化性，破壞生物膜和酶活性，降低肉的色澤[20]。

動物機(jī)體中ACC通常以2種亞型(ACC1和ACC2)表達(dá)，ACC1主要在脂肪組織中表達(dá)，ACC2主要在骨骼肌中表達(dá)，在哺乳動物體中，ACC1和ACC2高度保守，2種亞型之間主要有2點(diǎn)不同，首先ACC1是細(xì)胞質(zhì)蛋白，而ACC2是線粒體蛋白；其次ACC2的前200個氨基酸殘基不存在于ACC1中，這段序列對線粒體脂肪酸氧化有獨(dú)特的作用，即能夠與線粒體外膜結(jié)合，從而競爭性抑制其與M-CoA結(jié)合，抑制CPT1活性[21-22]。Abu-Elheiga等[23]敲除小鼠ACC2，發(fā)現(xiàn)小鼠的心臟和骨骼肌中M-CoA含量顯著降低，體內(nèi)脂肪含量也較少，即使增加食物攝取量，小鼠體內(nèi)脂肪含量仍較低，其可能的原因是ACC2與CPT1之間的通道受到了阻礙[24]。ACC2活性受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)磷酸化調(diào)控，CPT1在外周組織中最主要的活性調(diào)節(jié)的方式為AMPK-M-CoA信號途徑，對脂肪酸合成和氧化途徑進(jìn)行開關(guān)，調(diào)節(jié)生物體的能量狀態(tài)和代謝需求[25]。AMPK的活性主要由腺苷一磷酸(adenosine monophosphate，AMP)與ATP的比值調(diào)控，機(jī)體在低能量狀態(tài)時，消耗ATP，激活A(yù)MPK，ACC失活，M-CoA含量下降，促進(jìn)脂肪分解。Ok等[26]研究表明，AMPK磷酸化能夠促進(jìn)CPT1蛋白表達(dá)，減少脂肪含量。

除了M-CoA含量影響CPT1活性外，CPT1對M-CoA的敏感性變化也會影響CPT1活性。在胰島素水平不足或甲狀腺激素過多時，CPT1變得更活躍，M-CoA和長鏈脂酰CoA競爭與CPT1結(jié)合，M-CoA抑制CPT1作用減弱，脂肪酸氧化加強(qiáng)。CPT1對M-CoA敏感性的作用機(jī)理與線粒體膜脂質(zhì)環(huán)境的改變有關(guān)，當(dāng)除去禁食大鼠線粒體外膜的脂肪時，M-CoA對CPT1抑制作用增強(qiáng)，但將心磷脂加入到大鼠分離得到的線粒體內(nèi)能恢復(fù)M-CoA對CPT1的抑制，因此心磷脂可能是CPT1發(fā)揮作用所需的特異膜環(huán)境[27]。

2.2 細(xì)胞骨架蛋白磷酸化

細(xì)胞骨架在調(diào)節(jié)代謝途徑、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)和線粒體動力學(xué)方面都有作用，因此細(xì)胞骨架作為潛在的CPT1活性調(diào)節(jié)因子具有較深的研究價值。CPT1蛋白大部分面朝線粒體外膜細(xì)胞質(zhì)側(cè)，增加了其與細(xì)胞骨架相互作用的可能性[28]。CPT1活性是由細(xì)胞骨架的聚集狀態(tài)調(diào)節(jié)的，細(xì)胞組分由磷酸化激活，經(jīng)滲透作用后從細(xì)胞中釋放，這是影響細(xì)胞骨架聚集狀態(tài)進(jìn)而影響CPT1活性的必要因素。細(xì)胞骨架成分中細(xì)胞角蛋白8和18是最可能的調(diào)控CPT1在肝細(xì)胞中活性的主要候選成分。純化的鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，Ca2+-CM-PKⅡ)能夠解除細(xì)胞角蛋白對線粒體中CPT1的抑制，激活Ca2+-CM-PKⅡ可誘導(dǎo)細(xì)胞角蛋白8和18的磷酸化，破壞中間絲，增加CPT1活性(圖3)。因此Ca2+-CM-PKⅡ的活化、中間絲斷裂和CPT1活化之間有明顯的聯(lián)系，這種機(jī)制可能依賴于Ca2+/CM-PKⅡ的級聯(lián)激活使細(xì)胞角蛋白磷酸化從而CPT1去抑制，導(dǎo)致脂肪酸氧化增加[29-30]。

Ca2+-CM-PKⅡ：Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ；(Auto)kinase：(自身)激酶；Phosphorylation of cytoskeletal components：細(xì)胞骨架成分的磷酸化；CPT1：肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1 carnitine palmitoyl transferase 1。

2.3 轉(zhuǎn)錄水平

CPT1 mRNA表達(dá)水平下降可導(dǎo)致CPT1活性降低，使進(jìn)入到細(xì)胞的脂肪酸及其活化產(chǎn)物脂酰輔酶A沉積在胞漿內(nèi)，難以進(jìn)入線粒體基質(zhì)中進(jìn)行β-氧化產(chǎn)生能量，使細(xì)胞內(nèi)脂肪堆積，影響脂肪沉積，進(jìn)一步改變畜禽脂肪分布[32]。

過氧化物酶體增殖激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor α，PPARα)能通過與目標(biāo)啟動子結(jié)合激活目標(biāo)基因，參與調(diào)節(jié)脂肪分解和氧化[33]。PPARα表達(dá)降低會使PPAR介導(dǎo)的脂肪代謝相關(guān)酶的目的基因CPT1表達(dá)水平降低，減弱脂肪酸氧化能力，影響脂蛋白合成代謝，而PPARα激活能夠誘導(dǎo)肌肉CPT1的表達(dá)，促進(jìn)線粒體棕櫚酸的β-氧化[34]。過氧化物酶體增殖受體γ輔激活酶因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)是PPARα最重要的輔助轉(zhuǎn)錄活化因子，也是線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，能介導(dǎo)多種細(xì)胞能量代謝并激活許多核受體基因表達(dá)。PGC-1α通過激活脂肪酸氧化、糖異生以及線粒體呼吸的關(guān)鍵酶參加脂肪代謝、胰島素抵抗等過程[35]。此外，PGC-1α是AMPK的底物，AMPK能使PGC-1α磷酸化，增強(qiáng)PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性，提高線粒體合成，促進(jìn)細(xì)胞分解代謝。研究表明，敲除小鼠PGC-1α?xí)笴PT1、乙酰輔酶A氧化酶活性降低，而活化PGC-1α能夠提高CPT1的表達(dá)水平，調(diào)節(jié)脂肪酸β-氧化，促進(jìn)長鏈脂肪酸代謝[36]。

2.4 miRNA

miRNAs是真核生物細(xì)胞內(nèi)生的小RNA，miRNAs通過與靶基因的3’非翻譯區(qū)互補(bǔ)配對，引起mRNA降解或抑制轉(zhuǎn)錄后翻譯，對基因表達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，因此miRNAs在基因表達(dá)的抑制性調(diào)控中占有重要地位[37]。肝臟中miR-370和miR-122可調(diào)控脂代謝相關(guān)基因，CPT1A是miR-370的靶基因，miR-370能靶向CPT1A的3’非翻譯區(qū)，抑制CPT1A表達(dá)，使脂肪酸β-氧化速率降低，促使脂肪沉積。此外，miR-370也能夠通過上調(diào)miR-122間接抑制β-氧化，促進(jìn)脂肪生成基因的表達(dá)，誘導(dǎo)脂肪沉積[38]。同時，Gracia等[39]通過培養(yǎng)肝臟細(xì)胞證明CPT1A是miRNA-107-3p的靶基因，白藜蘆醇誘導(dǎo)大鼠肝臟脂肪減少的原因是降低了miRNA-107-3p表達(dá)，增加了CPT1A表達(dá)，促進(jìn)脂肪氧化，減少脂肪沉積。

固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element-binding protein，SREBP)是細(xì)胞膽固醇和脂肪酸代謝的的重要調(diào)節(jié)因子，而miRNA-33a和miRNA-33b是編碼SREBP-2和SREBP-1基因的內(nèi)含子，因此miRNA-33能夠調(diào)控膽固醇和脂肪酸代謝。研究表明，敲除高脂飲食小鼠的miRNA-33能夠增加甘油三酯循環(huán)水平，促進(jìn)肝臟中脂質(zhì)合成，同時在小鼠脂肪組織中，脂肪細(xì)胞前增殖增加，脂質(zhì)攝取增強(qiáng)，脂肪分解受損[40]。

2.5 激素

胰島素是降血糖的激素，但其對脂質(zhì)代謝過程也有調(diào)節(jié)作用，胰島素具有抗脂溶和脂質(zhì)儲存的功能。CPT1活性的增強(qiáng)及其基因表達(dá)的改變可能與胰島素的減少有關(guān)，Zhuo等[41]在肝臟細(xì)胞中加入不同水平的胰島素，結(jié)果表明胰島素培養(yǎng)會增加脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，F(xiàn)AS)的活性，降低CPT1的表達(dá)，促進(jìn)了脂肪生成并減少脂肪分解。

甲狀腺激素是胰島素的拮抗劑，在機(jī)體生理狀態(tài)下能夠促進(jìn)脂肪分解，研究認(rèn)為甲狀腺激素也能誘導(dǎo)CPT1A的表達(dá)，由于甲狀腺激素反應(yīng)元件(thyroid-hormone-response elements，TRE)位于CPT1A啟動子中，其能和甲狀腺素相互作用使CPT1A的表達(dá)水平升高；甲狀腺激素會上調(diào)AMPK信號，使AMPK靶向的ACC磷酸化，促進(jìn)CPT1A活化和肝臟脂肪酸氧化[42]。此外，無論是在體內(nèi)還是細(xì)胞培養(yǎng)，甲狀腺素均能促進(jìn)PGC-1αmRNA的表達(dá)，上調(diào)CPT1表達(dá)，促進(jìn)脂肪酸氧化[43]。

2.6 運(yùn)動

運(yùn)動時肌肉反復(fù)收縮和舒張需要大量的ATP，激活A(yù)MPK，引起ACC活性減弱和MCD活性增強(qiáng)，增強(qiáng)CPT1活性，引起脂肪酸氧化增加。脂肪酸轉(zhuǎn)位酶(fatty acid translocase，F(xiàn)AT/CD36)是一種定位于骨骼肌線粒體外膜的與長鏈脂肪酸具有高度親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是脂肪酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的重要載體蛋白，參與長鏈脂酰輔酶A的轉(zhuǎn)運(yùn)[44]。耐力運(yùn)動后，肌肉中FAT/CD36和CPT1活性增加，且FAT/CD36和CPT1與全身脂肪氧化呈正相關(guān)，因此骨骼肌脂肪酸氧化增加可能部分與FAT/CD36和CPT1活性有關(guān)。同時，利用免疫共沉淀法研究耐力訓(xùn)練對FAT/CD36與CPT1結(jié)合性的影響，發(fā)現(xiàn)耐力訓(xùn)練會使與FAT/CD36免疫共沉淀的CPT1增加，且免疫共沉淀量與機(jī)體脂肪氧化率成正比。因此耐力訓(xùn)練可能促進(jìn)FAT/CD36定位，增加CPT1與其的結(jié)合能力，促進(jìn)脂肪氧化[45]。

3 CPT1對肉品質(zhì)的影響

近年來，通過對畜禽生長率和肉產(chǎn)量的遺傳選擇，肉類產(chǎn)量有了很大的提高。但是，隨著生長率升高，肌纖維直徑變大，糖酵解肌纖維比例增加，畜禽宰后肉pH會迅速下降，降低肉的保水性能，容易形成白肌肉(PSE肉)，影響肉品質(zhì)。肌內(nèi)脂肪(intramuscular fat，IMF)是指沉積在肌肉之間的脂肪，適量的IMF能夠構(gòu)成瘦肉的大理石紋，是胴體等級評價標(biāo)準(zhǔn)中的重要指標(biāo)。同時，IMF的含量與風(fēng)味、多汁性、嫩度呈正相關(guān)。由于IMF的主要成分是磷脂，磷脂中富含的亞油酸、α-亞麻酸、花生四烯酸等PUFA，容易被氧化產(chǎn)生揮發(fā)性成分，因此，IMF的含量能夠改善肉的風(fēng)味[46]。

CPT1是線粒體脂肪酸氧化過程中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶，對脂肪的分解供能具有重要的調(diào)控作用。Zhang等[47]研究表明，飼糧共軛亞油酸能夠增加西門塔爾牛IMF沉積，減少皮下脂肪沉積；其原因是共軛亞油酸能夠顯著提高西門塔爾牛背最長肌中脂蛋白脂肪酶(LPL)、脂肪酸合成酶(FAS)和ACC活性，促進(jìn)IMF沉積，提高肉的多汁性，同時也顯著提高皮下脂肪中LPL、激素敏感脂肪酶(HSL)和CPT1活性，減少皮下脂肪沉積。長鏈脂肪酸(SLC27A1)也可通過下調(diào)CPT1介導(dǎo)的脂肪酸氧化來促進(jìn)雞肉IMF沉積，因此脂質(zhì)分解代謝的減少更有利于雞肉IMF沉積，增加雞肉嫩度[48]。CPT1活性變化會改變骨骼肌中脂肪酸氧化速率，從而改變肌肉中脂肪酸組成，其中PUFA含量的高低會影響肉的抗氧化穩(wěn)定性、貨架期以及肉色的亮度，研究表明，當(dāng)肉中C8～C17的中長鏈不飽和脂肪酸和支鏈脂肪酸含量上升時，肉的多汁性和整體適口性均會顯著提高[49]。冷智賢[50]研究表明，甜菜堿通過促進(jìn)肉堿的合成，加強(qiáng)線粒體β-氧化，提高CPT1活性，顯著提高肌苷酸含量，肌苷酸及其分解產(chǎn)物肌苷是動物組織中重要的風(fēng)味物質(zhì)，是衡量肉質(zhì)鮮味的重要指標(biāo)，因此CPT1可能會通過影響肌苷酸含量進(jìn)而影響肉的風(fēng)味。綜上所述，CPT1能夠通過參與脂肪酸氧化過程，調(diào)節(jié)體內(nèi)脂肪含量，進(jìn)而改善肉品質(zhì)。

4 小 結(jié)

CPT1主要參與機(jī)體脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，因此調(diào)控CPT1的生物學(xué)效應(yīng)將會對肌間脂肪沉積、脂肪分布、脂肪酸組成等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響風(fēng)味、嫩度、多汁性等肉品質(zhì)指標(biāo)。相對于通過調(diào)控CPT1改善肉品質(zhì)，目前國內(nèi)外主要是將CPT1作為許多慢性代謝疾病的治療靶點(diǎn)，因此，研究機(jī)體脂質(zhì)代謝過程中的關(guān)鍵酶CPT1及其上游信號通路有可能成為改善肉品質(zhì)的重要靶點(diǎn)。