3鱼虾的消化生理Word格式文档下载.docx

1、图3-3 大西洋鳕的胃与幽门盲囊图引自圭尔夫大学Victoria Blondin 大多数鱼类孵出时带有一条直的简单的无胃消化道。经过幼体时期,胃肠道发育成更复杂的结构。尽管其它鱼类有长而复杂的消化道,仍有一些鱼类只有一条短而相对简单的消化道。有些鱼类,大部分就是草食性鱼类,在成年阶段也没有胃。大多数无胃鱼类属于食细菌、腐屑动物与草食性鱼类。然而,也有肉食性鱼类无胃的例子,如俄勒冈叶唇鱼（Ptychocheilus oregoensis）（Jobling,1995）。鱼类摄取食物的方式差异很大。一些如大白鲨（噬人鲨Carcharodon carcharias）用牙齿咬住与撕破它们的食物。鲑鳟鱼用

2、水将食物吸入到前肠,如养殖的细鳞鲳（Piaractus mesopotamicus）一样,用与人类相似的牙齿咀嚼与磨碎植物。许多品种如白鲢（Hypophthalmichthys molitrix）、奥利亚罗非鱼（Oreochromis aurea）、尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）就是滤食动物,通过过滤大量的水而收集浮游生物、用腮耙获取食物（Sims,2008）。鱼胃在结构上也呈现多样化,从直线型到U型与T型（Suyehiro,1941）。有些无胃鱼在前肠中有一助磨碎食物的胃状结构。同样,肠道也由短而直的发展为长而复杂。长肠会有不同的立体组织结构,如不同盘旋或旋转的螺旋

3、或球状体。在有些短肠道的鱼类中,如软骨鱼类,肠道表面经螺旋瓣结构延长。有些种类有从一到几百的幽门结构。肠道末端的较近片段的结构通常都会不同,可能会变得更复杂（Suychiro,1941）。末端结构功能性的形态与生化物质表明在此片段中被水解与吸收的不仅有水与矿物质,而且还有蛋白质、脂肪与碳水化合物,与在哺乳动物中的情况形成对比。大分子物质的吸收也发生在此段,这好像在抗原反应与免疫功能方面非常重要（Mclean与Ash,1986,1987a,b;Sire与Vernier,1992;Amthauer等,2000a,b）。有些种类（如大西洋鳕）的肠道末端部分有一段能将可食的纤维进行发酵。然而,大多数鱼

4、类肠道的吸收速度非常快,降低了为鱼类提供养分而进行发酵的重要性（Kuzmina,2008）。不同鱼类间,消化道辅助器官如肝、胰腺在组织解剖学上也呈现出很大的差异。胰腺组织存在最大的差异性。在一些鱼类如鲟鱼中胰腺就是一明显的器官,但就是在大多数品种中弥散分布于肠系膜与血管组织之间,如鲑鳟鱼类或许在肝脏中,太阳鱼也如此。研究鱼类弥散状胰脏结构与功能非常难,无论哪一个品种都没有被很好地研究过。然而,似乎有点清楚,胰腺腺泡细胞被成群地发现,依靠肠信号产生、存储消化酶并将其分泌、聚集到胰管中（Kurokawa与Suzuki,1996;Morrison等,2004）。各管间的细胞中,水与碳酸氢盐会增加。尽

5、管在其她种类中大量小管直接开向幽门盲囊或肠,部分鱼类的这些小管仍汇聚通向肠、胆管（或许两者都有）的胰管中（Einarsson与Davies,1997）。大多数鱼类肝脏被定义为一种单一器官,一些由两块或更多的肝叶组成。与其她脊椎动物相比,鱼类肝脏没有被明确定义为具有腺泡单元的肝叶（Rust,2002）。它们有一复杂并带有血管、毛细血管、窦状隙网络。胆管将胆汁输进胆囊里,在有肝胰腺的鱼体中,胰管将胰液排向肠道。肝细胞构成肝脏的主要部分,储存肝糖元与脂肪。不同鱼类的肝脏的脂肪水平存在很大的差异。一些鱼,如鳕鱼,脂肪几乎完全储存在肝脏里,并根据饲料组成与摄食量大量沉积（Rosenlund等,2004）

6、。在大西洋鳕的肝脏中脂肪能超过70%（Karlsen等,2006）,而大西洋鲑通常在10%以下（Pratoomyot等,2010）。欧洲海鲈肝脏也有高脂肪沉积能力,而海鲈沉积的脂肪水平与大麻哈鱼差不多（Peres等,1999）。与哺乳动物相反,但与禽类相似,鱼类好像经门静脉与肝脏将脂肪从肠道运至全身。鱼类中没有发现有运输脂类、大分子物质以及复合物的乳糜管。摄食高碳水化合物饲料的鱼类通常在肝脏中沉积大量的肝糖类物质,此类肝脏的功能可能会受到影响（Hilton与Dixon,1982）。这种高糖沉积的机理还不太清楚（Enes等,2009）。分泌物粘液从口到肛门的整个消化道中,由特定细胞分泌粘液。水、

7、离子与粘蛋白（如具强亲水力的高糖蛋白）就是粘液的主要成分,同时也含有碳酸氢盐,可能也含有抗体。肠道间粘膜粘液分泌细胞的密度不同,在口中的密度低、在肠中高（Kuperman与Kuzmina,1994;Sklan等,2004）。粘液中的物质保护肠道表面免受由粗燥的饲料成分造成的机械损伤以及免于由内源性的酸、碱与消化酶所致的化学损伤。粘液对保护机体抵抗不利于动物健康的微生物与药物也非常重要（Shephard,1994）。粘液细胞的数量与粘液量可能会受摄食习惯与饲料组成的影响。随着饲料中植物性原料含量的增加,粘液细胞的数量会增加（Olsen等,2007）。胃液胃中分泌的最主要的物质就是胃蛋白酶原与盐酸

8、,均由胃壁中的细胞分泌。在多数鱼类中,胃蛋白酶原与酸由同种类型细胞（即胃腺细胞）分泌。然而,在某些种类中,如某些软骨鱼类,在胃腺细胞间发现了类似特定分泌胃蛋白酶原或盐酸的胃粘膜细胞（Holmgren与与Olssen,2009）。已经观测到美洲黄盖鲽中类质子泵的粘膜粘液细胞,表明这些细胞也分泌盐酸（Gawlicka等,2001）。饲料的摄取刺激了胃蛋白酶原与酸的分泌。然而,作为某种对胃蛋白酶原分泌有强烈刺激作用物,似乎至少部分存在一定的规律,微弱影响酸分泌,反之亦然（Holmgren与Olsson,2009）。受种类、摄食率、饲料组成与间隔时间的影响,胃pH在1至6之间变化（Perez-Jime

9、nez等,2009）。胃中食糜的pH就是胃壁分泌酸与对饲料及饮用水成分的缓冲能力的结果。缓冲物中有蛋白、碳水化合物以及矿物质（Thompson与Weber,1979;Lawlor等,2005）。一项对虹鳟摄食后食糜pH的研究说明了餐前胃中食糜pH仅在3以下,摄食后立即提高到5至6（Bucking与Wood,2006）。pH一直稳定到餐后6小时,在之后24小时内逐渐下降到4。Deguara等（2003）在条纹鲈中观察到了相似的pH变化。像在其它种类中,鱼胃的pH似乎完全被调节,调节因素最可能包括促胃液素、乙酰胆碱、胃饥饿素与食欲肽等刺激因子,以及如生长激素、一氧化氮、多巴胺等抑制因子（Schub

10、ert,2009）。在人类与其她非反刍陆生动物中一种有效的刺激酸分泌的物质组胺,就是否在鱼类中存在并不清楚。鱼中还没有观测到组胺。在鱼或其她动物种类中,调节pH的机理还没有完全清楚（Schubert,2009）。胃蛋白酶原在胃中被盐酸激活成胃蛋白酶。研究发现鱼类不止分泌一种形态的胃蛋白酶原,不同形态表现不同激活率且最适pH、特定活性以及与它们有效水解肽链的相关的特异性（Wu等,2009）。多数鱼的胃蛋白酶在pH 1至5之间不止一个最适pH,甚至某些种类在更高的pH都有活性。胃蛋白酶就是带有特异性的肽链内切酶（如水解肽链末端氨基酸的一种酶）。大西洋鳕鱼似乎根据饲料蛋白水平调节胃粘膜蛋白酶原的分泌

11、（Krogdahl等,2009）,并在停饲期间沉积于粘膜内（Einarsson与Davies,1996）。仍然没有示例表明鱼胃液中含有脂肪酶与淀粉酶。巴西鲶与巨脂鲤胃匀浆组织中脂肪酶与淀粉酶的特定活性的研究,揭示了这些鱼的胃就是酶的一种来源（Lundstedt等,2004）。然而,从停饲鱼的组织样本提取物中检测到了酶的活性,在胃容物中没有检测到。高活性一种可能的解释就是胃壁上或胃壁里面有胰腺组织。鱼类就是否有一种消化甲壳动物外壳的内源性机能并不清楚。许多鱼类的胃中已经测到几丁质分解酶的活性（Divakaran等,1999）。这种酶好像与鱼分解甲壳类食物相关,但就是没有分解甲壳类外壳的机械构造。

12、Altschul等（1997）对河豚某一染色体的研究表明了检测到与编码几丁质酶序列高度相似的基因序列。然而,并不知道这些蛋白质的基因编码就是否会被分泌到消化道里面。消化道中几丁质酶的活性可能起源于食物与/或微生物。普遍存在于鱼类肠道中的多种微生物具有产生几丁质的能力（Sugita与Ito,2006）。胆汁胆汁最重要的成分就是胆汁酸,磷脂与碳酸氢盐。胆汁也含有胆固醇、脂肪酸、血红素代谢的胆汁素与其她无机盐。由胆固醇或肝细胞产生的胆汁酸以及磷脂就是由细胞持续分泌到胆管里,流入胆囊中。依靠肠中进入的食糜引发胆囊排空胆汁进入近中肠端。胆囊收缩素好像就是鱼体胆囊中一种重要的浓缩物媒质（Aldman等,1

13、992;Aldman与Holmgren,1995）。然而,对鱼类的胆汁输出机理的认识还非常有限。在摄食期间,胆汁沉积并浓缩于变大、变暗的胆囊中。在肠中胆汁酸稳定脂肪滴并形成由食糜解脂产生脂类分布的微团。胆汁酸也就是肠中主要脂肪酶或者其她消化酶的稳定及粘膜完整性基本的辅助因素（Ogata等,2003）。牛黄胆酸、牛磺石胆酸与胆汁酸好像就是鱼类胆汁酸的主要形态,而甘氨胆酸也已有报道（Haslewood,1967;Une等,1991;Bogevik等,2009）。因此,由饲料提供或由半胱氨酸产生的牛磺酸就是营养物高效消化所必需的。因为胆汁起着胆管排泄或肠道中许多未知生理功能组分（包括胆固醇、胆红素、

14、类固醇类激素、结合或非结合形式的亲脂外源性物质、多价阳离子如铁与铜、VB12）作用的主要途径,所以它也可以作为一种分泌物被分类。人类的胆汁同样携带免疫球蛋白。不知道鱼类就是否如此（Hofmann,1994）。一项用蜡酯替代鱼油饲喂大西洋鲑（Salmo salar）的研究表明了蜡酯增加了胆汁量以及胆汁酸与磷脂的浓度（Bogevik等,2009）。然而,好像存在一种限制性补偿机制。在饲料豆粕含量对虹鳟肠道中胆汁酸盐浓度的影响研究中也发现了补偿生长限制。这项研究表明了饲喂40天时胆汁酸盐浓度呈现快速下降（Romarheim等,2008）。胰液胰腺分泌物携带水与碳酸氢盐,增加肠道的稳定与缓冲能力。消化

15、酶被认为就是胰液中最重要的成分。大多数鱼外分泌的胰腺细胞弥散性质使研究特别难,目前需要加强认识去了解它在不同投喂情况下的功能、分泌量与限制因素。鱼类的胰脏好像可以产生许多与哺乳动物与禽类相似的消化酶,一些就是酶原的形式。她们包含胰蛋白酶肽链内切酶、胰凝乳蛋白酶与胰肽酶I与II;羧肽酶A与B的肽链外切酶;脂肪酶的活性形式;磷脂酶、-淀粉酶;DNA与RNA酶等的酶原（Kurtovic等,2009）。在鱼类脂肪酶方面仅有少部分信息可用。尽管一些物种有脂肪酶,然而好像多数的鱼类有助消化的脂肪酶,就是独立的脂肪酶（Kurtovic等,2009）。胰外分泌腺细胞储存消化酶于微粒中,并依靠肠信号随着胰液将她

16、们分泌（Einarsson等,1996）。从胰腺中分泌的消化酶就是以多种亚型存在,在分子量、分子结构、最适pH、有效性与稳定性方面呈现差异,种内与种间也如此（Krogdahl等,2005;Asgeirsson与Cekan,2006;Ogiwara与Takahashi,2007）。表3-1总结了消化酶一些基本的生化特性。鱼消化酶的分子特征就是经研究过的,新的核苷与氨基酸序列随着频率增加而产生（Froystad等,2006;Psochiou等,2007;Manchado等,2008）。胰腺酶被随机混合于食糜中。然而,这些酶也好像与肠细胞膜的刷状缘有关联,在这些细胞中的营养素传输上发挥作用（见Kuz

17、mina（2008）的综述）。酶的分泌量与活性,特别就是淀粉酶,存在种间差异性（Krogdahl等,2005）。通常,草食性种类瞧上去比杂食性种类会产生更高水平的淀粉酶。在肉食性鱼类如鳗鲡（Anguilla anguilla）中观测到最低的活性,低于鲤鱼（Cyprinus carpio）中所测淀粉酶活性的1/100（Hidalgo等,1999）。对大西洋鲑、大西洋鳕与虹鳟肠容物中淀粉水解能力进行比较,大西洋鲑最低（Froystad等,2006）,鳕鱼为中等水平。鲑鱼淀粉酶的低活性被建议性地归因于该分子底物结合位点结构上的不足。蛋白酶在分子结构、最适pH以及热稳定性的种间差异性已被报道过（Gla

18、ss等,1989）。表3-1 消化道的消化酶a,b来源酶作用底物专一性或产物胃胃蛋白酶（胃蛋白酶原）蛋白质与多肽与芳香氨基酸相连的肽键外分泌胰蛋白酶（胰蛋白酶原）与精氨酸相连的肽键胰腺胰凝乳蛋白酶（胰凝乳蛋白酶原）胰肽酶I（胰肽酶I原）弹性蛋白,其她蛋白质与脂肪族与中性氨基酸相连的肽键胰肽酶II（胰肽酶II原）羧肽酶A（羧肽酶A原）有芳香族或支链脂肪侧链的羧基末端氨基酸羧肽酶B（羧肽酶B原）有碱性侧链的羧基末端氨基酸辅脂酶（辅脂酶原）脂肪滴结合胆汁酸盐甘油三酯水的界面,生成脂肪酶作用点胰脂酶甘油三酯単酰甘油与脂肪酸胆固醇酯水解酶胆固醇酯胆固醇与脂肪酸胰-淀粉酶淀粉-1,4 -键,产生-极限糊精

19、,麦芽三糖与麦芽糖核糖核酸酶RNA核苷脱氧核糖核酸酶DNA磷脂酶A（磷脂酶A原）磷脂脂肪酸,溶血磷脂肠肽酶胰蛋白酶原胰蛋白酶氨肽酶多肽肽的N-末端氨基酸肠粘膜二肽酶二肽2个氨基酸葡糖淀粉酶麦芽糖,麦芽三糖葡萄糖蔗糖酶蔗糖果糖与葡萄糖核酸酶及相关酶核酸戊糖及嘌呤与嘧啶碱基粘膜细胞的细胞质各种肽酶二,三及四肽氨基酸a 摘自Ganong（2009）。b 相关酶原在括号中展示。通常,鱼类好像能根据饲料含量与相关营养物来调节胰腺消化酶的分泌（Buddington等,1997）。在虹鳟与黄尾鰤（Seriola quinqueradiata）上已证明了脂肪酶活性随着脂肪含量的增加而提高（Morais等,20

20、04;Ducasse Cabanot等,2007;Murashita等,2007）。用哲水蚤（Calanus finmarchicus）蜡酯替代鱼油可提高肠道内容物的脂肪分解酶活性（Bogevik等,2009）。然而,当饲料蜡酯最高含量25%时,脂肪消化率下降。同样,饲料蛋白与氨基酸刺激胰腺分泌胰蛋白酶（Cahu等,2004）。当底物水平达到其限制水平时,蛋白酶的分泌好像受到底物的影响。反应机理可能与食糜中自身蛋白酶的含量有关。虹鳟饲料中提高蛋白酶抑制剂添加量,使肠中胰蛋白酶浓度呈曲线增加,尽管胰蛋白酶活性下降（Berg-Lea等,1989）。然而,当饲料中含量大约为5 g/kg时,胰蛋白酶合

21、成能力已超过限度。饲料蛋白水平对品系差异的影响已在美洲黄盖鲽上研究过（Gawlicka等,2001）。对胰腺分泌的调控机理还不就是太清楚。胰促酶参与胰腺分泌的内分泌调控（Koven等,2002）,但别的肽激素与神经信号在调控中也起作用（Volkoff,2006;Koji等,2008;Holmgren与Olsson,2009）。HCO3-（碳酸氢盐）分泌与肠道pH有胃鱼类进入前肠的酸性食糜好像很快被胆汁与胰液中的HCO3-中与呈中性。上皮细胞的分泌物也会增加对食糜的pH调节（Cooper等,2010）。关于肠道pH的差异与饲料组成影响的报道有限。已发现欧洲比目鱼肠中细胞pH下降促进HCO3-分泌

22、（Wilson与Grosell,2003;Cooper等,2010）。肠道缓冲能力好像也根据氨基酸与脂肪酸的持续释放被充分调控。例如随着虹鳟肠道末端延长趋势,肠道中的pH测定值都在7以上（Bucking与Wood,2006）。在多数末端片段中微生物的活性高于较近端部分,pH可能会被认为更低,如大西洋鳕鱼中就就是这样（Seppola等,2005）。上皮细胞HCO3-的分泌好像在阻止海水鱼饮用水捕食鱼的过程中所获Ca2+的过多吸收方面起着重要作用。Ca2+的碳酸盐沉积物如CaCO3,就是不能被吸收的。此过程在肠道水分吸收中好像就是一重要因素（Whittamore等,2010）。消化酶结合膜有吸收性

23、细胞的刷状缘组成了肽酶结合膜,可完成在进入细胞前将小肽水解。肽酶对肽链的末端氨基起作用。它们为数众多,带有不同的特异性。不同鱼类的肽酶在最适pH、热稳定性与肠道中的分布方面呈现了不同特性（Kuzmina,2008）。饲料蛋白含量影响草食性、杂食性与肉食性鱼类刷状缘氨基肽酶活性（Buddington等,1997）,不同鱼的种属间有适度差异（Cahu与Infante,1995）。刷状缘双糖酶水解带有24个单位的低分子糖类,然后生成各自游离形式的单糖。发现了肠道（组织）匀浆水解麦芽糖的能力最高。葡萄糖由麦芽糖以较蔗糖与海藻糖快几倍的速度产生（Buddington与Hilton,1987;Krogda

24、hl等,1999;Kuzmina,2008）。鱼类肠道粘膜（组织）匀浆也显示有水解乳糖的能力。这种活性的酶似乎存在于细胞质,因为当刷状缘膜被离心时活性保留于匀浆中（Krogdahl等个人交流）。相比肉食性鱼类,草食性与杂食性鱼类在肠道刷状缘上有几层折叠的更高双糖酶活（Kuzmina,2008）。现在的研究表明生活在冷水中的鱼类双糖酶比温水鱼类有更高的专一性（Maffia等,1993）。在多数鱼类的前肠段检测到最高活性,朝着肛门方向逐渐下降。刷状缘双糖酶的活性就是否受饲料碳水化合物含量的影响似乎根据鱼的饲养环境而定。一项关于虹鳟与大西洋鲑饲料淀粉含量影响的比较性研究表明了两种鱼双糖酶活力均随淀粉

25、含量的增加而提高（Krogdahl等,2004）。然而,在其她关于不同淀粉含量对鲑科鱼的研究中发现,饲料淀粉含量不能改变双糖酶活性（Buddington与Hilton,1987;结果的不一致也许与淀粉含量、淀粉加工、饲料加工质量、摄食量、与/或如温度、盐度等环境因子间的差异有关。应该要记住鱼类能通过组织中酶浓度的增加或刷状缘面积增大或两者来调节刷状缘酶活。两种可能性应该被考虑到刷状缘酶活力影响研究中。已确定肠刷状缘上没有任何水解脂肪的构造。肠道转运时间许多鱼类肠通过率与转运时间随饲料组成、粒径与饲料结构而异（Guilloteau,1979;Hill,2007）。增加流进小肠后端的可消化糖类、蛋

26、白质与脂类流量会抑制肠蠕动。脂类的抑制最强（Hasler,2006）。这些研究报告与鱼胃排空率的研究结果有关（dos Santos与Jobling,1988）。多数关于鱼类肠道通过率的研究已集中于对粗纤维与填充剂的影响（Storebakken,1985;Storebakken与Austreng,1997;Dias等,1998）。可溶性的消化性碳水化合物如藻胶与果胶与如二氧化硅与一般的沸石类的填充剂一样,好像能致鱼类透过率下降。也许会建议调控肠道透过率来改善营养物的利用与阻止后肠段营养物的通过。然而,可溶性纤维与填充剂往往降低营养物质的消化率,尤其就是饲料中的脂肪。另一方面,不溶性纤维,如纤维素

27、,可以加速通过速率（Dohnalek,2004）。肠的通过速率被认为在鱼种类之间有差异。然而,无可用的可比性研究。虹鳟与海鲈餐后5到35小时粪便标记物出现的研究表明有相似的通过时间（Storebakken,1985;消化过程胃消化一个营养物有效的消化与吸收条件就是在水中可溶。胃中盐酸的协同作用与胃蛋白酶变性、降低大多数蛋白与增加它们的可溶性。此过程也增加了其她营养物如碳水化合物与饲料中的矿物质的水溶性。低pH增加许多矿物质低溶解性并将它们转成氯化物的型式,使它们较在饲料中自然型式具有更高的水溶性。脂类也被释放出来。脂类的水解使其具有聚集成脂肪微粒的趋势。在正常情况下,饲料与胃中的乳化剂,如磷脂

28、与某些蛋白质,将限制脂肪微粒的大小。然而,如果脂肪释放速度太快或者乳化剂供应受限,将形成脂肪沉积。结果会像在某些养殖条件中见到的一样（脂肪溢出）（Baeverfjord等,2006）。条件好像就是多因子的,并受颗粒破碎、盐度急剧变化以及温度的影响。酶在鱼对食物有机体的消化过程中的重要性已成为多位科学家讨论的一项话题（见Kuzmina（2008）综述）。无可争辩,当活体猎物被采食后,其提供一系列胃、胰腺与结合酶的粘膜肠道消化器官也被采食。而且,被食动物的每一细胞都含有能够在酸性pH时降解蛋白、脂肪、碳水化合物、核苷酸与其它细胞成分的溶酶体。当遇到含有酸与酶的宿主胃液产生应激时,它们被激活。此过程已被定义为 “自体溶解”（Kuzmina,2008）。研究人员主要争论观察到的鱼体中整个被食动物的快速降解过程包括被食者细胞消化器被胃液中的H+离子激活。此离子已被评估,以较消化酶快1000倍的速度扩散到被食者体内。根据这种观点,胃消化从三个起点进行:宿主与被食者的