渗透压 动物机体渗透压调节及其机制

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在畜禽养殖过程中，动物往往会因内外环境的变化而产生各种应激，干扰动物体内水和盐的代谢，导致渗透压的变化，影响动物的生产性能。动物机体必须通过相应的调节机制来适应环境的变化，从而维持生命的正常运转。渗透调节是生物体细胞通过调节水的跨膜流动来维持细胞结构和功能的能力。本文综述了高渗胁迫对机体的伤害和渗透调节，并探讨了渗透胁迫可能的营养调节策略，旨在为动物机体渗透压调节的研究和应用提供理论依据。

1动物生产中的渗透胁迫

水是生命之源，其含量约占机体的60%。构成生命体的细胞生活在水环境中，细胞内的液体称为胞内液，约占总含水量的2/3。细胞外，体内的液体称为细胞外液，约占总含水量的1/3。主要由组织液和血液组成，少量脑脊液和淋巴。大多数细胞处于等渗液体环境，但在哺乳动物肾骨髓细胞中，由于尿液的浓缩和稀释，细胞外液渗透压波动较大，甚至达到1 400 mOsm/kg。饲料中含有大量的离子和营养物质，混合在胃肠道的消化液中。小肠作为营养物质吸收的主要场所，含有大量的水分、离子等生物大分子等营养物质，因此小肠细胞在吸收时也处于高渗状态。当细胞外液渗透压升高时，细胞会因水分的跨膜运动而塌陷，导致机体脱水，对器官或组织造成损伤。如果发生在大脑和神经组织，会造成不可逆的致命伤害。在畜牧生产过程中，水盐代谢更容易受到外界环境的干扰，产生渗透胁迫。Lara等人发现，热应激家禽大量分泌汗液，导致水分流失，呼吸频率增加导致呼吸性碱中毒，血液中钙离子浓度下降，降低了鸡蛋品质和生产性能。以腹泻为典型症状的断奶应激会导致大量脱水和渗透平衡受损，严重影响动物的生长性能。当机体被病菌感染时，细胞的通透性会发生变化，离子和水可以自由进出细胞，病菌的代谢产物也会进入细胞，导致机体免疫力下降，严重时甚至会使动物生病。

2 .高渗对动物细胞的损伤

在高渗环境下，动物细胞内部的渗透压低于细胞外液的渗透压，导致失水，细胞脱水，细胞体积缩小。同时，细胞内离子浓度和张力增加，生物大分子在细胞内积聚，导致DNA损伤和细胞骨架改变。在体外培养的mIMCD3细胞中，发现当培养基渗透压从正常的300 mOsm/kg急剧增加到500~600 mOsm/kg时，细胞内的DNA受到严重破坏，DNA片段断裂，转录和翻译受到抑制，细胞停止生长。高渗环境下，G1细胞不能启动DNA复制，S细胞停止分裂，G2细胞不分离。当渗透压恢复正常时，细胞可以修复受损的DNA，使细胞快速复制，但仍有许多断裂的DNA片段。已经发现，当DNA断裂时，核蛋白Mre11可以迅速与断裂的DNA片段结合，从而启动DNA修复。同时，组蛋白H2AX在DNA断裂位点被磷酸化。但在高渗条件下，Mre11被迫从细胞核转移到细胞质，使得Mre11无法与染色体结合，导致受损DNA无法修复。当渗透胁迫超过一定水平时，塌陷的细胞体积无法恢复，细胞无法适应这样的高渗环境，机体就会抑制p53对受损细胞的修复，导致细胞程序性死亡，即凋亡。

3动物体内渗透压的调节

渗透调节是生物体细胞通过调节水的跨膜流动来维持细胞结构和功能的能力。哺乳动物通过一系列机制调节水和盐的代谢，使体液处于相对稳定的状态。

3.1全身调节

应激反应是机体受到内外环境刺激时的非特异性全身反应。动物体在受到渗透应激时，能同时激活交感肾上腺髓质系统和下丘脑-垂体-肾上腺皮质激素系统，既能提高机体对外界刺激的基本耐受力，又能提高机体的应变能力。渗透压的变化与水进入和排出细胞有关。因此，维持渗透压平衡需要保持细胞外液的体积不变。渗透压和细胞外液体积主要受神经内分泌机制调节。当细胞外液渗透压升高时，渗透压受体就会被激发，当神经冲动到达垂体后叶的神经末梢时，就会引起抗利尿激素(ADH)的释放。ADH作用于肾脏的远曲小管和集合管，促进肾脏对水的重吸收。渗透压感受器的兴奋可以刺激口渴中枢，从而增加水的摄入。渗透压升高也会刺激肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)。醛固酮作用于肾脏的远曲小管，调节钠离子的重吸收。RAAS兴奋时，肾小管对Na+的重吸收增加，可保留一定量的水分以稳定渗透压。反之，醛固酮分泌减少，远曲小管对Na+的重吸收减少甚至停止，过量的Na+会排入尿液。钠盐的排出伴随着一定量水的排出，从而维持渗透压的稳定。

3.2细胞的自我调节

渗透压是水流经膜的驱动力，渗透压的变化会导致水流入或流出细胞，从而改变细胞体积。因此，保持渗透压的平衡对细胞体积非常重要。在高渗胁迫下，细胞可以受到无机离子和有机渗透剂的调节，从而维持生命的正常运转。

3.2.1无机离子的调节

无机离子可以快速有效地响应细胞体积的变化，主要通过调节细胞膜上跨膜离子通道的通透性来调节细胞体积。在高渗环境下，细胞脱水导致体积减少，此时细胞会吸收离子增加体积，这称为调节体积增加(RVI)。高渗压可以激活钠/氢交换剂和氯/碳酸交换剂。钠离子进入细胞，氢离子通过钠离子/氢离子交换剂离开细胞。Cl-进入电池，HCO3-通过Cl-/HCO3-交换器离开电池。细胞外，H+和HCO3-在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，然后分解成水和二氧化碳。这两种交换剂的协同作用使细胞外的NaCl同时进入细胞并产生水分，不仅通过降低细胞外离子浓度和产生水分来降低细胞外渗透压，而且增加细胞内离子浓度和渗透压，降低细胞内外渗透压差。高渗条件下，细胞膜上的Na+通道也会被激活，使细胞外Na+进入细胞，Na+的流入往往伴随着Cl-的流入。高渗压还能激活细胞膜上钠钾共转运通道和钠钾三磷酸腺苷酶的活性。钠钾离子通道可以同时将一个钠离子、一个钾离子和两个氯离子转移到细胞中。而通过Na+/ H+交换体、Na+通道、Na+-K+-2Cl-通道进入细胞的Na+被钠钾泵泵出细胞，同时K+被泵入细胞，以维持细胞内高钾、细胞外高钠的离子状态。一些细胞抑制细胞膜上的钾离子通道和氯离子通道，阻止钾离子和氯离子流出细胞。由于这些细胞膜上离子通道的综合作用，KCl流入细胞。

3.2.2有机渗透剂的调整

虽然无机离子可以快速响应外界渗透变化来维持细胞体积，但大量无机离子在细胞中积累，会影响蛋白质的结构和功能，抑制酶的活性，阻碍细胞的正常生长。有机渗透调节剂虽然只占渗透调节物质的10%~20%，但能调节体液渗透压60%~70%。这是因为有机渗透剂浓度的变化不会影响身体的新陈代谢。有机渗透剂主要有三种:多羟基化合物，如甘油、肌醇；甲胺类化合物，如甜菜碱、三甲胺氧化物和甘油磷酸胆碱；氨基酸及其衍生物，如精氨酸、脯氨酸、牛磺酸。有机渗透调节剂的合成基因或转运载体基因的表达受到严格调控。

TonEBP/OREBP是Rel家族的转录因子。正常情况下，TonEBP/OREBP分布在细胞质和细胞核之间。在高渗条件下，细胞可以通过多种方式激活TonEBP/OREBP。TonEBP/ OREBP活化后形成稳定的二聚体结构，进入细胞核，然后通过丝氨酸/苏氨酸磷酸化与DNA结合，开始下游基因的转录。下游基因包括至少一个DNA保守域渗透反应元件(ORE)或t one，主要包括山梨醇合成酶AR、甘油磷脂酰胆碱合成酶NTE、甜菜碱转运蛋白BGT1、肌醇转运蛋白SMIT和牛磺酸转运蛋白TauT。这些合成酶基因(AR，NTE)和转运蛋白基因(BGT1，SMIT，TauT)的表达可以在细胞内积累大量的有机渗透剂，一方面可以增强细胞内的渗透压，缓解高渗胁迫；另一方面，替代无机离子稳定蛋白质的构象和功能，从而减少高渗细胞的损伤。

4渗透胁迫的营养调控策略

在畜牧业生产中，渗透胁迫可以通过营养调控策略来预防或缓解。渗透胁迫主要是由水盐代谢紊乱引起的。因此，维持水盐代谢平衡有助于缓解渗透胁迫，而补充电解质有利于水盐代谢平衡。喝水是缓解渗透压力最简单有效的方法。通过调整日粮的电解质平衡(dEB)，畜禽的生产性能得到了显著提高。实验研究表明，当dEB值在-50 ~ 400 meq/kg之间时，动物的生产性能会随着dEB的增加而提高。研究发现，KCl能减轻渗透胁迫，提高动物的生产能力。碳酸氢钠作为血液和组织中的缓冲物质，可以提高机体的抗应激能力。NH4Cl能抑制血液pH值的升高，调节酸碱平衡，减缓渗透胁迫的危害。电解质的联合使用也有协同作用。在水中加入电解质不仅可以补充电解质，还可以增加动物的饮水量。在生化代谢过程中，维生素主要起辅酶催化作用。脂解是应激时的重要代谢途径，需要多种辅因子参与酶促反应。因此，动物在应激时需要更多的维生素，通过饮食或饮水添加维生素可以缓解应激。在饮食中添加有机渗透剂可以有效调节渗透压，既能缓解渗透胁迫，又不影响蛋白质的结构和功能。研究发现甜菜碱具有保水作用，在日粮中添加甜菜碱可以缓解感染球虫的家禽和腹泻仔猪的渗透应激。

5总结与展望

在胁迫条件下，水盐代谢紊乱，离子平衡被破坏，渗透压发生变化。动物机体可以通过神经内分泌系统进行系统调节，也可以通过细胞进行局部调节。渗透胁迫也可以通过畜牧业中的营养策略来调节。在渗透调节的初期，无机离子起主要作用，而细胞对高渗环境的适应主要受有机渗透剂的调节。有机渗透剂如何维持蛋白质的结构稳定性和功能，可能是有机渗透调节剂和蛋白质的直接作用，与Hofmeister序列特征有关；它也可能通过有机渗透剂-无机离子-蛋白质复合物起作用；从热力学角度来看，有机渗透调节剂可以降低溶液体系的吉布斯自由能，增加体系的熵。但有机渗透剂如何发挥作用，还需要进一步研究和论证，为动物体渗透压调节的研究和应用提供科学的理论依据，从而提高畜禽养殖的生产效率，促进畜牧业的发展。

注:本文由王海超、李思思、冯杰在《中国畜牧学报》第10期发表。如需转载，请注明出处。