■杨乾龙 王 静 南韦肖 王晓旭 李光玉 王凯英

（中国农业科学院特产研究所，特种 经济动物分子生物学国家重点实验室，吉林 长春 130112）

半胱氨酸(Cysteine，Cys)是一种含硫氨基酸，分子式为C3H7NO2S，最初发现于动物毛发和结缔组织的角蛋白中。半胱氨酸在蛋白质合成、解毒过程、渗透调节、神经系统功能和抗氧化过程中发挥至关重要的作用，可用作饲料添加剂、增味剂、药物、营养食品和化妆品等，并且同其他含硫氨基酸功能一致，有助于结构蛋白的合成，保持角蛋白的稳定性和刚性。半胱氨酸在体内代谢产生硫化氢、牛磺酸和谷胱甘肽等产物。研究表明，哺乳动物肝脏能够调节体内半胱氨酸的水平，维持正常代谢的需求，即使含硫氨基酸摄入不足或过量，肝脏中的半胱氨酸水平也会保持在相对稳定的范围内。半胱氨酸具有合成、代谢范围广和生物学功能强的特点。文章主要综述了半胱氨酸的来源、代谢以及生物学作用，为半胱氨酸在畜禽生产实践中的研究和应用提供参考。

1 半胱氨酸的来源

半胱氨酸具有广泛的生物学作用。主要通过3种途径满足动物自身生长发育对半胱氨酸的需要，分别是饲粮摄入途径、内源蛋白质的周转途径和前体物质的转化途径。

1.1 饲粮摄入途径

动物可以直接从饲粮中获得半胱氨酸，以满足自身的需要。但在无外源氨基酸额外补充时，饲粮蛋白质中半胱氨酸含量相对较低，不超过氨基酸总量的5.0%，且在植物蛋白中，谷类蛋白的半胱氨酸含量为3.0%～5.0%，豆类蛋白的半胱氨酸含量为2.0%～3.5%，动物蛋白的半胱氨酸含量高于植物蛋白。如果动物体内缺乏半胱氨酸，可以通过调整饲粮原料组成或额外添加半胱氨酸单体来满足需求。

1.2 内源蛋白质的周转途径

氨基酸是蛋白质的基本组成单位。氨基酸和蛋白质会根据机体需求互相转化。动物除了饲粮摄入半胱氨酸外，内源蛋白质分解同样能产生半胱氨酸。研究发现体内蛋白质周转代谢能将组织中的半胱氨酸释放到氨基酸代谢池中，体内蛋白质周转产生半胱氨酸的通量低于48 μmol/（kg·h）。蛋白质周转代谢在内脏器官中最快且沉积量最少，代谢产生的氨基酸与食物蛋白质经过消化而被吸收的氨基酸一同参与到机体代谢过程中。

1.3 前体物质的转化途径

胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸三者之间关系密切，均含有硫元素而被统称为含硫氨基酸。胱氨酸和半胱氨酸能够相互转化，在脱氢酶的作用下两个半胱氨酸的巯基缩合形成二硫键，合成一个胱氨酸。在还原酶的作用下，二硫键断裂，一分子胱氨酸形成两分子的半胱氨酸。

蛋氨酸被认为是半胱氨酸的代谢前体，哺乳动物肝脏组织中的蛋氨酸能用于合成半胱氨酸，并以谷胱甘肽的形式储存。L-蛋氨酸和三磷酸腺苷（ATP）缩合形成S-腺苷蛋氨酸（SAM），它是体内主要的生物甲基供体。SAM脱甲基形成S-腺苷-L-同型半胱氨酸，然后再转化为同型半胱氨酸。同型半胱氨酸可以被重新甲基化形成蛋氨酸，也可以在胱硫醚β-合成酶（CBS）作用下与丝氨酸缩合形成胱硫醚，最后在胱硫醚γ-裂解酶（CSE）的作用下将胱硫醚分解成半胱氨酸。研究表明，大鼠饲喂半胱氨酸会导致组织中CBS含量降低，这为半胱氨酸节约蛋氨酸需要量提供了生化基础。半胱氨酸的合成过程中，硫原子来自蛋氨酸，碳和氮骨架来自丝氨酸。这种对蛋氨酸中硫的依赖性意味着只有当蛋氨酸摄入量足以满足总的含硫氨基酸需求时，半胱氨酸才是非必需氨基酸。硫化作用发生在同时含有CBS和CSE的组织中。如果机体组织器官内缺乏CBS和CSE，或者机体组织代谢异常，不能保证足够的转硫效率，则需要外源半胱氨酸的摄入，此时半胱氨酸则成为必需氨基酸。研究发现蛋氨酸合成半胱氨酸过程中的代谢产物同型半胱氨酸与多种疾病的发生相关。从代谢角度通过补充半胱氨酸，减少蛋氨酸的摄入，从而降低同型半胱氨酸的产生；或者通过调节相关酶（CBS和CSE）的活性，加速同型半胱氨酸的转化。可成为寻找治疗相关疾病的新思路。

2 半胱氨酸的代谢

血液中游离的半胱氨酸能被用于合成动物本身所需要的蛋白质，或者合成谷胱甘肽作为储备半胱氨酸的代谢池。谷胱甘肽几乎在所有的组织中都能合成，肝脏在其中发挥最为重要的作用，它能将吸收的半胱氨酸转化为谷胱甘肽，然后释放到循环系统中。根据不同组织细胞的需求，半胱氨酸也可以通过不同的代谢途径产生谷胱甘肽、次牛磺酸、牛磺酸、硫酸盐和硫化氢等，但是组织中的半胱氨酸水平必须足够高才能支持这些代谢过程（见图1）。

图1 半胱氨酸的来源及代谢

2.1 谷胱甘肽代谢途径

谷胱甘肽系统除需要半胱氨酸外，还需要谷氨酸和甘氨酸。首先，半胱氨酸和谷氨酸在谷氨酸半胱氨酸连接酶（GCL）作用下偶联形成谷氨酸—半胱氨酸二肽，然后在谷胱甘肽合成酶的作用下谷氨酸—半胱氨酸二肽和甘氨酸合成谷胱甘肽。其中GCL是催化谷胱甘肽合成的限速步骤，它受谷胱甘肽的反馈抑制。研究发现，大鼠肝脏对于谷胱甘肽净合成量增加的同时，GCL活性降低。谷胱甘肽是半胱氨酸的储存库，在低浓度半胱氨酸时，谷胱甘肽可以根据身体需要水解成半胱氨酸而发挥作用。细胞外半胱氨酸耗尽时，会导致细胞内谷胱甘肽完全消耗。谷胱甘肽具有抗氧化作用，通过添加适量半胱氨酸减少动物生产中的氧化应激，提高生产性能。

2.2 牛磺酸代谢途径

研究表明肝脏能够将半胱氨酸代谢为牛磺酸。首先半胱氨酸双加氧酶（CDO）将半胱氨酸巯基催化氧化生成半胱氨酸亚磺酸盐（CSA），再经过半胱氨酸亚硫酸脱羧酶（CSD）形成次牛磺酸，随后被氧化为牛磺酸。研究表明，CDO介导的半胱氨酸代谢是不可逆过程，且CDO 活性变化能调节细胞内半胱氨酸的水平，可以改变牛磺酸的生成速率。CDO在肝脏中高水平表达，而在肾脏、脑和肺等组织中表达较低，从而也说明了肝脏是半胱氨酸代谢的主要场所。

2.3 硫化氢代谢途径

硫化氢是近年来受到关注的气体信号分子，内源性硫化氢是一种抗炎、抗氧化和神经保护剂。饲粮补充半胱氨酸可以增加糖尿病大鼠体内硫化氢的水平，且在疾病治疗中发挥重要的作用。脱硫产生硫化氢途径如下：①在CBS作用下半胱氨酸能够代谢产生硫化氢；②在CSE的作用下半胱氨酸也能够代谢产生硫化氢；③半胱氨酸在CDO的作用下形成CSA，再经过天门冬氨酸转氨酶代谢为亚硫酸盐，最终形成硫化氢。研究发现，半胱氨酸可通过硫化氢促进大鼠结肠平滑肌收缩。半胱氨酸作为硫化氢的供体，为半胱氨酸在疾病治疗中提供新的思路。

3 半胱氨酸在动物生产中的作用

3.1 对生长性能的影响

大量研究表明（见表1），饲粮中添加适量的半胱氨酸能促进动物的生长。一方面可能是动物本身需要适量的半胱氨酸来合成生长过程中所需要的蛋白质，当饲粮中补充缺乏的半胱氨酸时能够提高动物的生长性能；另一方面可能是在动物生长的过程中遇到各种应激，半胱氨酸代谢产物谷胱甘肽能够减少动物应激，有利于动物的生长。

表1 半胱氨酸对动物的影响

但是添加高水平半胱氨酸对动物存在毒性作用，体内保持相对较低的半胱氨酸浓度至关重要。研究表明，正常日粮的7.5倍半胱氨酸会导致雏鸡死亡率达到50%，而在大鼠和猪上添加过量的半胱氨酸，表现出更高的耐受能力。这可能和动物的消化系统和吸收能力有关。半胱氨酸的毒性作用可能是半胱氨酸分子中游离的巯基部分通过自氧化导致体内产生H2O2。在饲粮中添加10 g/kg 的KHCO3或补充0.05%H2O2的饮用水可以改善摄食高剂量半胱氨酸引起的生长抑制和死亡率升高，这表明可能是酸碱平衡紊乱和氧化应激导致雏鸡的死亡。过量的半胱氨酸可以通过CDO处理，并且产生的半胱氨酸亚磺酸盐是硫酸盐、次牛磺酸和牛磺酸的代谢前体。这种方式既解决了半胱氨酸过量产生的负担，又更加有益于动物的生长。

3.2 抗氧化作用

半胱氨酸的抗氧化作用对动物繁殖性能的影响研究较多。人工授精是现代畜牧业发展产生的重要技术，该技术提高生产效率的同时也能降低生产成本，但在此过程中精子容易受到氧化损伤，半胱氨酸作为一种抗氧化剂应用于生产，对于精液保存、胚胎发育均有良好的效果。大量研究表明半胱氨酸能维持多种动物的新鲜精液品质（精子活力、精子质膜完整率、顶体完整率），提高冻精的品质和受精率，显著提高卵母细胞囊胚发育以及桑椹胚形成率。可能是半胱氨酸通过促进精子内谷胱甘肽合成和自身抗氧化性共同发挥保护作用。半胱氨酸对体外繁殖具有有益的影响，既促进了精液的保存和运输能力，又提高了体外繁殖性能，进一步提高动物生产性能、降低生产成本。

半胱氨酸的抗氧化作用可能与其代谢产物谷胱甘肽的形成有关。研究表明，仔猪受到过氧化物氧化应激时血清、肝脏和肠道组织中丙二醛含量显著升高。而外源加入谷胱甘肽可以提高动物机体抗氧化性能，降低克氏原螯虾以及肉羊血清中丙二醛的水平，提高血清中的总抗氧化能力及谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶的活性。主要是谷胱甘肽可以直接和间接通过酶促反应有效清除自由基和其他活性氧（例如羟基、脂质过氧化自由基、过氧化亚硝酸盐和H2O2）。

3.3 解毒作用

半胱氨酸具有解毒作用，常被用作解毒剂。①半胱氨酸是金属离子的螯合剂，给予半胱氨酸可显著减轻口服金属的生化效应和毒性，缓解钴引起的生长抑制，还能够减轻低浓度铅引起的神经病理损害的严重程度。金属硫蛋白富含半胱氨酸，它的巯基能够和有毒金属离子形成螯合物，排出体外，达到解毒的作用。②研究发现，半胱氨酸对丙烯酰胺所致的睾丸毒性具有缓解作用；对多种生物碱中毒具有保护作用；另有研究发现，只有可利用的谷胱甘肽耗尽时，才会产生肝毒性效应。可能是半胱氨酸对毒物性肝损伤的保护作用是通过提高细胞内谷胱甘肽水平来实现，肝脏谷胱甘肽的耗竭能够增加动物对自由基致组织损伤的易感性。但是具体的机制还需要进一步研究。在放牧中，动物可能过多采食含有生物碱的植物而中毒，可补饲适量的半胱氨酸，体内保持一定水平的半胱氨酸用于合成谷胱甘肽，可降低放牧过程中动物中毒的风险。③反刍动物饲养过程中，容易发生亚硝酸盐中毒。研究发现，半胱氨酸对羊急性亚硝酸盐中毒有预防作用。绵羊饲粮中添加半胱氨酸能抑制亚硝酸盐引起的气体交换和代谢率下降的问题，缓解其亚硝酸盐中毒。可能是半胱氨酸抑制了反刍动物瘤胃内亚硝酸盐的产生和机体内高铁血红蛋白的形成。为避免生物碱和亚硝酸盐中毒，进行半胱氨酸在反刍动物中应用的相关研究十分重要。

3.4 对肠道的作用

肠道是动物最为重要的消化器官，能够消化吸收营养物质并为机体提供能量。肠道内具有多种屏障阻挡病毒的侵害，保障肠道健康。半胱氨酸作为杯状细胞黏蛋白和谷胱甘肽合成的前体，对断奶仔畜肠道健康尤为重要。它是一种主要的细胞抗氧化剂，能对肠道氧化损伤和微生物引起的炎症起到保护作用。研究表明肠道能利用饲粮半胱氨酸摄入量的25%，主要用于肠道黏膜上皮蛋白的合成。半胱氨酸缺乏显著抑制仔猪的肠黏膜生长，降低肠上皮细胞的增殖，增加肠道的氧化应激，饲粮中添加N-乙酰半胱氨酸可减轻脂多糖造成的仔猪黏膜损伤并改善小肠的吸收功能，提高抗氧化水平和改善肠道的完整性。半胱氨酸作为一种功能性氨基酸，对肠道发育不完全的仔畜十分重要，因此对半胱氨酸在仔畜上的应用可作为研究的重点。

4 小结

半胱氨酸是一种重要的天然含硫氨基酸，具有促生长、抗氧化和解毒等多种功能，其代谢产物谷胱甘肽和牛磺酸等同样在动物体内发挥重要的生物学作用。但蛋氨酸和半胱氨酸之间存在着十分复杂的关系，动物对半胱氨酸和蛋氨酸的需求和比例，可能因动物的种类、年龄、生产阶段和生活环境不同而产生差异，未来的研究应该集中于动物和人在各外界因素和生理条件下对半胱氨酸的最佳需求量；由于半胱氨酸及代谢产物的功能性，其在疾病治疗中发挥重要作用，如何通过半胱氨酸调节代谢产物来干预对疾病的治疗作用具有重要的意义。