牛磺酸生物合成的研究集中在陆生脊椎动物(哺乳动物和禽类)上，并以哺乳动物的研究居多，有关鱼类牛磺酸合成的研究资料则较少。牛磺酸可由半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸等含硫氨基酸经一系列酶促反应合成，是含硫氨基酸的代谢产物，因此含硫氨基酸的代谢伴随着牛磺酸的生物合成^[1]。脊椎动物肝脏、肾脏、脑、肺脏和骨骼肌等组织器官均具牛磺酸合成能力，但各组织器官牛磺酸合成能力不同，其中肝脏牛磺酸合成能力较强，为牛磺酸合成的最主要器官^[10]。如图1所示，目前已确定的脊椎动物牛磺酸合成途径有3种：半胱亚磺酸(CSA)途径(途径Ⅰ)、半胱胺途径(途径Ⅱ)和磺基丙氨酸(CA)途径(途径Ⅲ)。这3种途径均以关键酶催化底物的不同来界定。动物体内的半胱氨酸可以分别经途径Ⅰ和途径Ⅱ合成牛磺酸，但半胱氨酸流向这2条途径的比例还不清楚，有研究认为流向途径Ⅰ的半胱氨酸更多^[11]。一部分途径Ⅰ的中间产物半胱亚磺酸可氧化为磺基丙氨酸，并经途径Ⅲ合成牛磺酸。大鼠、禽类能将体内的无机硫酸盐转化为3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸，并通过途径Ⅲ来合成牛磺酸，但这不是动物合成牛磺酸的主要途径，当途径Ⅰ和途径Ⅱ受阻时，途径Ⅲ或许行使其功能而发挥重要作用^[12]。大量研究表明途径Ⅰ是哺乳动物牛磺酸合成的主要途径^[13]，其过程如下：首先胱硫醚合成酶和胱硫醚酶将蛋氨酸转化为半胱氨酸，半胱氨酸双加氧酶(CDO)将半胱氨酸氧化为CSA，然后半胱亚磺酸脱羧酶(CSAD)催化CSA脱羧生成亚牛磺酸，最后亚牛磺酸被氧化为牛磺酸。

图1

Fig. 1

图1 脊椎动物牛磺酸的合成途径 Fig.1 Synthesis pathway of taurine in vertebrates[14]

动物牛磺酸的合成能力主要由牛磺酸合成关键酶的活力决定。途径Ⅲ的关键酶是半胱胺双加氧酶(ADO)。途径Ⅰ和途径Ⅱ的关键酶是CSAD，即CSAD既能催化CSA生成牛磺酸又能催化CA生成牛磺酸。谷氨酸脱羧酶(GAD)也能催化CSA和CA生成牛磺酸。因GAD主要存在于脑组织中，早期研究CSAD特性时误将脑中的GAD认为是另外一种CSAD。在哺乳动物，GAD对CSA和CA的亲和力都很低，而对谷氨酸的亲和力较高，而且谷氨酸只能被GAD催化而不能被CSAD催化，此外，脑内谷氨酸含量又比CSA和CA高很多，因此脑内GAD催化合成牛磺酸的作用极其有限^[15]。如表1所示，不同种类的鱼牛磺酸合成关键酶活力差异较大，其牛磺酸合成能力普遍低于哺乳动物，鱼类牛磺酸合成的主要途径与鱼的种类有关；鱼类牛磺酸合成关键酶具有种间差异和组织特异性，说明鱼类牛磺酸合成关键酶可能存在同工酶。以CSAD为例，真鲷(Pagrus major)肝脏CSAD催化CA的能力高于CSA，而大太阳鱼(Lepomismm macrochirus)肝脏CSAD催化CSA的能力高于CA。哺乳动物的情况同鱼类相似，牛脑CSAD对CSA的亲和力高于对CA^[16]。大鼠肝脏CSAD对CSA的亲和力高于脑CSAD对CSA的亲和力。以CSA为底物时，测得大鼠肝脏CSAD的Km值为0.045~0.050 mmol/L，大鼠脑CSAD的Km值为0.05~0.10 mmol/L^[17]。表1中同种鱼同种酶的活力差异也较大，可能与不同研究者采取的粗酶提取方法、酶催化产物检测方法等不同有关。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 鱼类肝脏牛磺酸的合成能力 Table 1 Taurine synthesis capacity of fish liver nmol/(min·mg prot) 种类 Species 途径Ⅰ Pathway Ⅰ CSAD活力(底物：CSA) CSAD activity (substrate: CSA) 途径Ⅱ PathwayⅡ ADO活力 ADO activity 途径Ⅲ Pathway Ⅲ CSAD活力(底物：CA) CSAD activity (substrate:CA) 大太阳鱼 Lepomismm macrochirus 15.82 (25~40)[3] 3.06 (25~40)[14] 1.63 (35~70)[19] 香鱼 Plecoglossus altivelis 1.85 (68~90)[14] 0.07 (73~91)[19] 虹鳟 Oncorhynchus mykiss 2.33 (135~156)[3] 0.09(141~167)[14] 0.05 (121~167)[19] 0.554 (40.6)[18] 0.666 (306.7)[18] 真鲷 Pagrus major 0.24 (200~1 000)[3] 2.04 (200~1 000)[14] 1.58 (1 000~1 500)[19] 0.245 (1 071)[18] 牙鲆 Paralichthys olivaceus 0.17 (300~1 000)[3] 0.78 (300~1 000)[14] 0.25 (600~3 000)[19] 0.26 (0.82)[18] 0.203 (30.1))[18] 0.274 (60.3)[18] 0.388 (126.1)[18] 鲤鱼 Cyprinus carpio 0.30 (35)[3] 0.86 (72~162)[14] 0.06 (102~164)[19] 0.011 (372)[18] 黑鱾 Girella melanichthys 2.55 (194.5)[18] 圆斑星鲽 Verasper variegatus 0.068 (13)[18] 0.237 (64)[18] 木叶鲽 Pleuronichthys cornutus 0.05 (100)[3] 少鳞 Sillago japonica 0.037(23.2)[18] 金枪鱼 Thunnus obesus 0.001(138.4)[18] 飞鱼 Katsuwonus pelamis 0.001(3 109)[18] 罗非鱼 Oreochromis niloticus 0.558 (86.0)[18] 五条 Seriola quinqueradiata 0.05 (2 500)[3] 0.002 (98.6)[18] 0.011 (3 900)[18] 无鳔鲉 Helicolenus hilgendorfi 0.00 (200)[3] 小鼠 Mouse 4.245 (27.9)[18] 大鼠 Rat 7.863 (244.1)[18] 括号内数值为体重，单位为g。 Values in brackets represented body weight, and the units were g.

表1 鱼类肝脏牛磺酸的合成能力Table 1 Taurine synthesis capacity of fish liver nmol/(min·mg prot)

肝脏是动物最重要的牛磺酸合成器官，鱼类肝脏牛磺酸合成的主要途径可用鱼类肝脏牛磺酸合成关键酶的活力来推测。如表1所示，大太阳鱼肝脏CSAD和ADO活力均较高，推测大太阳鱼肝脏可能同时通过上述3条途径来合成牛磺酸；虹鳟肝脏中以CSA为底物的CSAD活力是以CA为底物的CSAD活力的46.6倍，是ADO活力的25.9倍，推测虹鳟肝脏主要通过途径Ⅰ合成牛磺酸。真鲷肝脏以CA为底物的CSAD酶活力和ADO酶活力均较高，推测真鲷肝脏主要通过途径Ⅱ和途径Ⅲ来合成牛磺酸 。表1中酶活力都是在底物充足的情况下测得的，鱼类生长发育过程中可能会根据其体内底物浓度选择不同的牛磺酸合成途径。哺乳动物不同器官有不同的牛磺酸合成途径，大鼠肾脏和心脏能检出半胱胺，而脑中不能检出半胱胺，说明大鼠脑不能通过途径Ⅱ合成牛磺酸，而途径Ⅰ或许是大鼠脑合成牛磺酸的主导途径或唯一途径^[20]。鱼类不同组织器官合成牛磺酸的途径是否存在差异尚不清楚。值得注意的是，虽然牙鲆(Paralichthys olivaceus)和鲤(Cyprinus carpio)体内含有较多的牛磺酸，但其3条途径中的牛磺酸合成酶活力均较低，推测这类鱼体内牛磺酸或许来自于含丰富牛磺酸的食物，或者由其他途径合成^[19]。Park等^[21]发现，饲料中缺乏牛磺酸时牙鲆的生长受到抑制，即使添加半胱氨酸其生长性能也未见改善，这表明牙鲆不能合成足够的牛磺酸来满足其生长发育的需要，其体内牛磺酸由食物提供。给鲤饲喂酪蛋白饲料(不含牛磺酸)或饲喂给牛磺酸含量(0.06%)很低的饲料时，鲤仍能够正常生长，这表明鲤自身能够通过其他途径合成足够牛磺酸来满足其生长发育的需要^[22]。

动物牛磺酸的合成能力受多种因素的影响，如动物种类、饲料成分、生长阶段和性别等。现已明确，猫不具牛磺酸合成能力，大鼠牛磺酸合成能力则较强，并且其这种能力随发育进程而逐渐增强^[23]。随着大鼠饲料中酪蛋白含量的增加，其CSAD活力逐渐降低^[24]。鱼类牛磺酸合成能力也受上述因素的影响。如表1所示，大太阳鱼牛磺酸的合成能力比牙鲆高出数倍，牙鲆各生长阶段(300~1000 g)CSAD活力差异不大，而体重64 g的圆斑星鲽的CSAD活力是体重13 g个体CSAD活力的3.5倍^[18]。

动物体内牛磺酸的合成与代谢处于相对稳定的状态。牛磺酸稳态的调节则是依靠肾脏来实现的，当牛磺酸不足时肾脏通过重吸收来降低牛磺酸的排泄量，以满足机体的需要。当体内的牛磺酸净含量超过一定的水平时，牛磺酸会随尿液排出体外^[25]。进入组织器官的牛磺酸或行使各类生理功能或被机体代谢。细菌牛磺酸的代谢能力较强，能够直接将牛磺酸分解，作为其生长所需碳、氮和硫的来源^[26]。相比较而言，动物牛磺酸的代谢能力较差，动物体内牛磺酸主要与其他物质反应生成具有生理功能的化合物。牛磺酸在动物体内的代谢可分为以下5个途径。

磷脂酶C能破坏肌浆网的膜结构从而使Ca²⁺转运能力和跨膜ATP酶活力下降，但在加入牛磺酸后可以减轻这种破坏程度，这表明牛磺酸可以作为生物膜的稳定剂。其机制可能是牛磺酸主要结构与生物膜磷脂的结构很相似，牛磺酸嵌入到磷脂中参与生物膜构象的修饰和生物膜离子对的形成，如牛磺酸的氨基和磺酸基可以与生物膜磷脂的氨基、磷酸或季铵基团结合而产生静电作用引起自由能的改变和阳离子(主要是Ca²⁺)结合位点的增加^{[47, 48]}。

当细胞Ca²⁺内向电流(Ica)减弱时，牛磺酸促进Ca²⁺内流；当Ca²⁺内向电流高于正常值时，牛磺酸抑制Ca²⁺内流，防止Ca²⁺超负荷^[46]。心脏Ca²⁺超负荷会导致心肌细胞内牛磺酸含量的下降，牛磺酸内流增加可以减少心肌酶漏出，抑制ATP酶活力的降低，增加心肌ATP含量来抑制细胞Ca²⁺超负荷，从而实现对心肌细胞的保护。牛磺酸通过细胞膜上的Ca²⁺转运系统(即调节Ca²⁺在胞内外及细胞器间的转运)来维持细胞Ca²⁺的稳态，但其作用机制尚未研究清楚。另外，牛磺酸还能通过调节靶组织(如肌钙蛋白、钙调蛋白和ATP酶)对Ca²⁺的利用及敏感性来维持细胞Ca²⁺的稳态^[1]。

牛磺酸的理化特性使其成为理想的渗透压调节物质。当细胞处于高渗环境时，TauT将牛磺酸转入细胞，牛磺酸内流增加，当细胞处于低渗环境时，细胞膨胀且膜通透性增加，牛磺酸外排作用增强^[1]。对于鱼类，牛磺酸是最主要的渗透压调节物质之一，在鱼类渗透压调节中有非常重要的作用^[55]。硬骨鱼心脏50%以上的游离氨基酸为牛磺酸，当细胞渗透压变化时，牛磺酸提供40%~50%的渗透压变化^[56]。例如，当川鲽(Platichthys flesus)血浆渗透压下降17%时牛磺酸可提供其中40%的渗透压变化，而K⁺只能提供16%^[57]。饲喂缺乏牛磺酸饲料的五条 血浆牛磺酸浓度和血清渗透压显著降低^[58]。

牛磺酸及其衍生物能通过清除机体活性氧及其他氧化性有害物或通过增强机体抗氧化系统的抗氧化能力来保护动物免遭氧化伤害。研究表明，牛磺酸能够显著提高大鼠脑和肾脏超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活力，降低丙二醛的含量^[59]。

牛磺酸可以在器官和细胞水平影响动物的免疫功能。猫缺乏牛磺酸时脾脏发生病变，白细胞数量减少，白细胞沉降特性也发生变化^[60]。饲料中添加牛磺酸能够显著提高鲤鱼血清和肝胰脏溶菌酶活力^[61]。牛磺酸代谢中间产物也能调节动物免疫反应，如RNHCl在炎性反应中具有重要作用，它可以通过下调白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、一氧化氮合酶2(NOS2)、前列腺素E2(PGE2)等促炎因子的产生来发挥消炎作用^[31]。

牛磺酸是中枢神经系统发育和再生的必需营养物质，有利于神经细胞的增殖和存活以及神经轴突的延长。其原理：1)牛磺酸可以通过增加Ca²⁺通量来调节蛋白质磷酸化从而影响靶器官的功能。2)牛磺酸和锌可能在中枢神经系统诸如海马体等结构的发育中起重要作用^[62]。牛磺酸还可以调节中枢神经递质的释放和活性，如牛磺酸可以调节神经γ-氨基丁酸(GABA)的释放，降低丘脑中5-羟色胺(5-TH)的含量，促进或抑制大脑不同区域去甲肾上腺素的释放^[1]。

不同种类鱼牛磺酸的合成能力不同，同种鱼处于不同生长阶段其牛磺酸的合成能力也会发生变化，因此不同种类和处于不同生长阶段的鱼牛磺酸的需要量不同，试验也证明不同生长阶段鱼牛磺酸需要量不同。例如，饲料中添加牛磺酸在试验的前3周促进了五条 的生长，但是在后3周则没有这种作用^[63]。鱼类牛磺酸的需要量见表2。

动物缺乏牛磺酸时会引起一些牛磺酸缺乏症。大鼠、猫和狐狸牛磺酸不足时出现扩张型心肌病和视网膜变性^{[72, 73]}。此外，猫缺乏牛磺酸时还会出现流产、胎儿被吸收、产死胎或新生胎儿体重偏低等繁殖性能下降的症状^[74]。有报道真鲷缺乏牛磺酸会发生绿肝综合征，其机理如下：牛磺酸缺乏引起红细胞渗透脆性增加，导致红细胞破裂，逸出血红蛋白，血红蛋白的降解使胆色素大量生成，不能从肝脏排泄到胆囊，最终导致胆色素淤积^[58]。

牛磺酸不仅是鱼类正常生长发育的条件性必需氨基酸，而且对鱼类具有广泛的生理功能。饲料中缺乏牛磺酸会使五条 ^[58]、虹鳟^[69]和军曹鱼^[75]等水生动物的生长受到抑制，有的鱼类还出现绿肝综合征等营养性疾病^{[58, 67]}。在生产中，牛磺酸已被作为一种重要的生理活性物质应用于水产养殖。目前已有较多有关牛磺酸在鱼类饲料中应用的报道，具体如下：1)作为诱食剂。牛磺酸通过作用于鱼类的嗅觉器官，可以增加食物的吸引力。牛磺酸可以作为欧洲鳗鱼(Anguilla anguilla)、北极红点鲑(Salvelinus alpinus)、河鳟(Thymallus thymallus)^[76]和鲤鱼^[77]的诱食剂。2)作为营养强化剂。用牛磺酸强化过的生物饵料(如轮虫和卤虫)饲喂幼鱼可以改善幼鱼的生长发育情况，从而改善幼鱼的存活率^[78]。3)提高鱼类的繁殖性能。Matsunari等^[67]研究表明，饲喂高牛磺酸饲料的五条 亲鱼跟饲喂低牛磺酸饲料的五条 亲鱼相比，雌鱼卵子的直径、上浮率、受精率等重要参数都要高。4)增强鱼类耐缺氧能力。经牛磺酸溶液浸浴后的麦穗鱼(Pseudorasbora parva)和鲫鱼(Carassius auratus)的耐缺氧能力得到增强^{[79, 80]}。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 鱼类牛磺酸的需要量 Table 2 Taurine requirement of fish 种类 Species 生长阶段 Growth stage/g 需要量 Requirement/% 评价指标 Evaluate parameter 资料来源 Data source 日本牙鲆 Paralichthys olivaceus 0.9~15.2 1.4 生长 Park等[21] 0.3~2.4 1.6 生长 Kim等[22] 3.7~14.5 0.56 生长 Kim等[22] 鲈鱼 Dicentrarchus labrax 0.8~3.0 0.45 生长 Martinez等[64] 真鲷 Pagrus major 4.7~23.2 0.47 生长 Matsunari等[65] 582.0~1 107.0 0.56 生长 Takagi等[66] 五条鰤 Seriola quinqueradiata 0.5~10.0 1.3 生长 Matsunari等[63] 0.5~42.1 0.4 生长 Matsunari等[63] 610.0 1.2 繁殖性能 Matsunari等[67] 250.0~579.0 3.4 生长、绿肝综合征 Takagi等[58] 250.0~977.0 5.3 生长、绿肝综合征 Takagi等[58] 大菱鲆 Scophthalmus maximus 6.3 1.15 生长 Qi等[68] 165.9 0.64 生长 Qi等[68] 虹鳟 Oncorhynchus mykiss 18.4~39.1 0.85 生长 Gaylord等[69] 尼罗罗非鱼 Oreochromis niloticus 幼鱼 0.8 生长 Gonalves等[70] 弗罗里达鲳鲹 Trachinotus carolinus 5.0~80.0 0.50~0.75 生长、存活率 Rhodes等[71] 军曹鱼 Rachycentron canadum 9.8~150.0 0.4~0.6 生长、存活率 Rhodes等[71] 海鲷 Dentex dentex 40.0~100.0 0.3~0.4 生长 Rhodes等[71] 美国红鱼 Sciaenops ocellatus 2.5~200.0 1.5~3.0 生长 Rhodes等[71]

表2 鱼类牛磺酸的需要量 Table 2 Taurine requirement of fish

饲料中牛磺酸的添加水平需要根据鱼的种类、生长阶段来定，同时还要考虑饲料蛋白质来源和水平、含硫氨基酸的种类和数量。饲料中牛磺酸转运拮抗剂(如脒基牛磺酸和β-丙氨酸)会降低牛磺酸使用效果。