动物氨基酸代谢调控研究进展

贺丹艳 王新磊 杨 琳

氨基酸是蛋白质的最终吸收形式，作为许多酶及激素的母体或原料，在动物体内发挥着调节生理生化功能、促进生长，提高生产性能等作用。动物饲料配方设计也逐渐从能量蛋白模式转向根据动物可利用氨基酸来配制饲粮。本文探讨了氨基酸与动物营养的关系，并结合氨基酸代谢途径，分析调控机理，了解氨基酸利用率不同的根本原因，并提出调控措施，有助于在实际动物生产中应用理想蛋白的概念，确定出更合理的氨基酸需要量。

1 氨基酸在动物体内的代谢概况

氨基酸随血液运至全身各组织中进行代谢。体内氨基酸的代谢概况如图1所示。

近几年研究表明，小肠吸收的食物氨基酸并不能全部进入门脉循环供肠外组织利用。在机体新陈代谢中，它们会不同程度地被PDV(portal-drained viscera)组织(胃、小肠、结肠、胰和脾等实体组织集合的总称)截留，而截留的大部分必需氨基酸被肠道组织吸收和利用。一些氨基酸是肠道黏膜的主要能源，并参与肠黏膜分泌蛋白的合成及通过脱氨基和转氨基作用转变成其它氨基酸，从而对进入门静脉的氨基酸模式进行有选择的修饰。

2 几种主要限制性氨基酸的代谢

2.1 蛋氨酸

2.1.1 蛋氨酸的营养特点

蛋氨酸具有旋光性，分为L型和D型。在动物体内，L型易被肠壁吸收，D型要经D-蛋氨酸氧化酶转化成L型后才能参与蛋白质的合成。由于D型能够在动物体内转化成L型，所以饲料中可以使用DL混合型的蛋氨酸。蛋氨酸是必需氨基酸中唯一的含硫氨基酸，它的重要生理功能是经肠道吸收，在体内用于蛋白质的合成，因此，它与动物生长密切相关。另外，在体内合成胱氨酸是其发挥生理作用的途径之一。蛋氨酸参与体内甲基的转移和肾上腺素、胆碱、肌酸的合成，参与肝脏内磷脂代谢，还能提高动物免疫力和抗霉菌毒素作用。

2.1.2 蛋氨酸在动物体内的代谢

蛋氨酸在动物体内的代谢主要有：①合成新的蛋白质；②作为甲基供体（代谢路径见图2）；③脱氨基后生成糖，多余的蛋氨酸经脱氨基后变成α-氧代丁基酸，在脑和肝脏中遇酶而转变为丙酸，后又经琥珀酸变成肝糖。

另外，有研究指出，肠道组织是食物来源蛋氨酸代谢的主要场所。尽管Chen等发现，蛋氨酸在肠黏膜中氧化量极低，但已有直接证据表明，小肠内蛋氨酸可分别通过转硫和甲基转移作用，合成半胱氨酸和高半胱氨酸。肠道组织中存在催化蛋氨酸生成半胱氨酸的酶。

2.1.3 蛋氨酸代谢调控

2.1.3.1 胆碱和甜菜碱

在动物体内蛋氨酸的合成是靠胆碱提供甲基，而胆碱本身不起甲基供体作用。胆碱必须在线粒体内氧化成甜菜碱才能发挥甲基供体的作用，而甜菜碱则再不能还原为胆碱。甜菜碱可将甲基转移给高半胱氨酸合成蛋氨酸，在这一循环过程中，蛋氨酸只是简单地向前面的其它反应转移由甜菜碱提供的甲基。所以甜菜碱不能回来代替蛋氨酸合成蛋白质，但是如果胆碱或甜菜碱供应不足，转甲基循环受到抑制，原因是没有足够的甲基转移给高半胱氨酸用于蛋氨酸的合成。因此，甲基将只能由日粮中不能再生的蛋氨酸提供，从而使蛋白质的合成削弱，蛋氨酸利用率下降。

2.1.3.2 胱氨酸

动物体内蛋氨酸能够通过硫转移合成胱氨酸，该转化不可逆，生成1分子胱氨酸需要两分子蛋氨酸。动物对蛋氨酸的需要只能由蛋氨酸满足，对胱氨酸的需要可由蛋氨酸满足，饲粮中含有足够的胱氨酸则可降低蛋氨酸的消耗。

2.1.3.3 矿物元素

硒与动物体内含硫氨基酸代谢有关。在动物体内由蛋氨酸转变为半胱氨酸过程中，硒起着关键性作用。当硒过量时其可取代体内含硫氨基酸中的硫，抑制其活性，发生代谢障碍，引起硒中毒。

2.1.3.4 维生素B12和叶酸

叶酸在体内被四氢叶酸还原酶还原为四氢叶酸，四氢叶酸获得甲基形成N5－甲基四氢叶酸，后者与维生素B12共同促进同型半胱氨酸转变为甲硫氨酸。

2.2 赖氨酸

2.2.1 赖氨酸的营养特点

在水禽玉米－豆粕型生长饲粮中，赖氨酸是第二限制性氨基酸，被称之为“生长性氨基酸”。赖氨酸具有L－型和D－型两种同分异构体，D型在动物体内不能通过氧化酶和转氨酶转变为L型。L－赖氨酸的有效成分含量一般为77%～79%。赖氨酸在单胃动物体内完全不能被自行合成，不参加转氨基作用。D－氨基酸和L－氨基酸的ε－氨基被乙酰化以后，才可受D－氨基酸氧化酶或L－氨基酸氧化酶的作用而脱氨基，脱氨基后的酮酸不再起氨基化作用，即脱氨基反应不可逆，因而，在动物营养上常常表现不足。赖氨酸是动物体内必需氨基酸之一，其最重要的生理功能是参与体蛋白的合成，因此与动物生长密切相关。赖氨酸在体内的功能有：参与体蛋白如骨骼肌、酶和多肽激素的合成；是生酮氨基酸之一，当缺乏可利用的碳水化合物时，可参与生成酮体和葡萄糖的代谢（在禁食情况下，是重要的能量来源之一）；维持体内酸碱平衡；作为合成肉毒碱的前体物，参与脂肪代谢；另外，赖氨酸还可以提高机体抵抗应激的能力。

2.2.2 赖氨酸在动物体内的代谢

2.2.2.1 作为肉碱合成前体物，参与脂肪代谢

大量研究表明，赖氨酸经肠道吸收后有极少部分在甲基转移酶的作用下转化为N－三甲基赖氨酸，N－三甲基赖氨酸在一系列酶的作用下最终生成肉碱。肉碱参与胞内脂肪酸的转运过程，将长链脂肪酸转运至线粒体内后进行β－氧化，为蛋白质的合成提供能量和碳架。

2.2.2.2 分解产生中间产物，参与生成酮体和葡萄糖的代谢（见图3）

图3 赖氨酸在体内的分解途径

反应生成的乙酰CoA在肝细胞线粒体中可以作为酮体的原料，当酮体随着血液流到肝外组织（包括心肌、骨骼肌及大脑等）时，这些组织中有活性很强的利用酮体的酶，能够氧化酮体供能。另外，乙酰CoA也可进入柠檬酸循环。

2.2.2.3 在肠道组织的代谢

Stoll等用U－13C同位素标记研究发现，仔猪高达35%日粮来源的赖氨酸、32%的亮氨酸、61%的苏氨酸和35%苯丙氨酸在第一次通过PDV组织时被肠道代谢。另外，尽管PDV组织摄入的赖氨酸有10%来源于动脉血，但这部分赖氨酸并没有被氧化，表明消化道组织优先利用日粮来源的赖氨酸。

2.2.3 赖氨酸代谢调控

Gahl等研究显示，从动物整体水平来看，对蛋白质合成速率产生影响的因素都将影响赖氨酸的分解代谢。

2.2.3.1 牛生长激素

Norlin等发现，牛生长激素使成年雌性小鼠体内的赖氨酸代谢水平从(293±15)mmol/(d·100 g体重)降到了(163±15)mmol/(d·100 g 体重)(P＜0.05)，同时使肝脏赖氨酸分解代谢酵母氨酸途径中的第一个酶α－酮戊二酸还原酶（LKR）的活力降到了65%，赖氨酸的氧化酶的活力（LOX）也降到了65%。

2.2.3.2 饲粮蛋白质水平

Blemings等用三种不同酪蛋白水平（5%、20%、60%）的饲粮喂小鼠，9 d后测定肝脏赖氨酸吸收能力、赖氨酸氧化能力以及酵母氨酸脱氢酶和LKR的活力，结果表明，随着蛋白质水平的升高，赖氨酸吸收能力、赖氨酸氧化能力（LOX）以及酵母氨酸脱氢酶和LKR的活力都显著升高；另外，赖氨酸吸收能力和LOX的变化差别不大，因此，LOX可以看做赖氨酸吸收能力的近似值；LKR和酵母氨酸脱氢酶的活力是赖氨酸吸收和氧化能力的5～10倍，这表明赖氨酸转运至线粒体基质限制赖氨酸氧化速率。

2.2.3.3 血糖浓度

Tucson等研究发现，患慢性低血糖症的绵羊胎儿血浆赖氨酸浓度是正常胎儿的1.9倍；另外，由于患慢性低血糖症的绵羊胎儿赖氨酸通过胎盘回流入胎儿组织的速率比较快，其赖氨酸降解率相对来说也比较大。赖氨酸脱羧作用产生CO2的速率也是对照组的2.4倍，表明患慢性低血糖症的绵羊胎儿其赖氨酸氧化代谢率比较大。

2.3 精氨酸

2.3.1 精氨酸的营养特点

精氨酸是一种碱性氨基酸，有D型和L型两种异构体，在动物体内主要是L－精氨酸，D型不能通过氧化酶和转氨酶转变为L型。精氨酸除参与组织细胞蛋白质合成外，还在尿素、肌酸、肌酐、一氧化氮、谷氨酰胺、嘧啶的合成以及激素释放中发挥重要作用。精氨酸是促进小肠修复的营养辅助物质，既可以通过氧化脱亚氨酸途径生成NO，又能够通过精氨酸酶途径生成鸟氨酸和多胺，而多胺能够促使胶原质的积聚，促进血管的发育。尤其是某些病理情况下精氨酸的需要量明显增加，以补充精氨酸对机体的血液动力学、免疫系统、内分泌系统发挥作用的消耗。

2.3.2 精氨酸在动物体内的代谢(见图4)

图4 家禽体内精氨酸代谢途径

家畜可通过体内的若干生化途径，如鸟氨酸循环途径来合成精氨酸，而禽类不能或只能在特定条件下很少量地合成精氨酸，其体内精氨酸的吸收、代谢途径及发挥效用的机制与家畜既有共同之处，也有自身特点。家禽因缺乏某些关键的酶，如氨甲酰磷酸合成酶而不能合成精氨酸，因此只能由日粮来满足。虽然有报道称在提供瓜氨酸的情况下，家禽可在肾和巨噬细胞内合成精氨酸，但通过这种途径合成精氨酸的效率很低。精氨酸主要由小肠中段吸收，但在家禽小肠前段、后段、胃，甚至特定条件下嗉囊也可以吸收精氨酸。

2.3.3 精氨酸代谢调控

2.3.3.1 一氧化氮合酶（NOS）

NOS是NO合成的关键酶，亦是生物学效应的唯一重要限速因子，任何影响NOS的因素都将影响精氨酸向NO的转变。有报道称干扰素－γ（IFN－γ）和脂多糖（LPS）是唯一被证明了的可诱导iNOS(诱生型NOS)基因转录的物质，并且只发生在小鼠巨噬细胞。但是也有相关研究发现，iNOS在正常组织中也表达，不过可能发挥生理功能而不仅仅是病理学上的作用。eNOS(内皮细胞型NOS)的转录水平在剪切、拉紧、运动和缺氧的情况下会上升。

2.3.3.2 精氨酸酶

精氨酸酶的活力是与精氨酸酶蛋白成正比的，精氨酸酶由精氨酸酶基因转录而来。模型研究表明，内皮细胞精氨酸酶的过量表达会减少NO的合成，同时会促进聚胺的合成、细胞的增殖以及脯氨酸的合成。NO合成的中间产物NOHA(羟基精氨酸)是精氨酸酶的内源性抑制剂。有研究显示，尿酸可以通过降低精氨酸的Km(结合常数)激活精氨酸酶，并且抑制NO的产生，但这种抑制可以通过精氨酸酶抑制剂解除。

2.3.3.3 赖氨酸

精氨酸（Arg）和赖氨酸（Lys）都是碱性氨基酸，在消化、吸收上存在着相互“拥挤”，发生拮抗。大量研究表明，饲粮高Lys水平影响采食量，抑制Arg的吸收与合成，加强Arg的降解。

2.4 苏氨酸

2.4.1 苏氨酸的营养特点

苏氨酸具有4种同分异构体，即L－苏氨酸、D－苏氨酸、L－别－苏氨酸、D－别－苏氨酸，其中 D－苏氨酸难以被动物吸收和利用。天然存在的苏氨酸是指L－苏氨酸。它在禽类生产中发挥极其重要的作用，如促进生长、提高免疫机能、平衡日粮氨基酸，使氨基酸比例更接近于理想蛋白质，从而降低家禽对饲料中蛋白含量的要求。缺乏苏氨酸，可导致家禽采食量降低、生长受阻、饲料利用率下降、免疫机能抑制等症状。

2.4.2 苏氨酸在水禽体内的代谢

2.4.2.1 合成黏蛋白

苏氨酸是肠道组织利用率最高的必需氨基酸，日粮中60%～80%的苏氨酸在第一次代谢过程中就应用于PDV组织中，但分解代谢并不是苏氨酸的主要代谢途径。苏氨酸在肠道中主要用于合成黏膜蛋白质，尤其是合成黏蛋白，黏蛋白是黏膜层的组成部分，在肠道免疫应答过程中有着重要作用。

2.4.2.2 分解代谢

苏氨酸是畜禽所需的必需氨基酸，在畜禽体内的分解代谢过程中，苏氨酸是唯一不经过脱氨基作用和转氨基作用的氨基酸，它是通过苏氨酸脱水酶、苏氨酸脱氢酶和苏氨酸醛缩酶催化转变为其他物质。苏氨酸代谢的具体途径见图5。

据Davis等研究表明，肝脏和肌肉中苏氨酸脱水酶活力较高，胰腺中苏氨酸脱氢酶活力最高；除肾脏和小肠外的其他部位，苏氨酸醛缩酶活性高于苏氨酸脱水酶。在正常饲喂下，有87%的苏氨酸通过苏氨酸脱氢酶降解，在限制饲养或饥饿条件下，苏氨酸脱水酶在催化降解中起主要作用。苏氨酸通过转变为甘氨酸和丝氨酸，进而参加一碳单位的代谢，参与嘌呤和嘧啶的生物合成以及S-腺苷甲硫氨酸的生物合成，并可作为各种化合物甲基化的供体。

2.4.3 苏氨酸代谢调控

2.4.3.1 氨基酸

苏氨酸需要量在很大程度上与赖氨酸的需要量相关。当日粮中的赖氨酸或蛋氨酸过量时，苏氨酸的需求量增大。随着摄入赖氨酸的增多，血液和尿液中苏氨酸含量降低，苏氨酸脱水酶活性增强，肝脏降解苏氨酸的能力提高。

丝氨酸过量使血浆和肝脏中游离苏氨酸浓度下降，使肝脏苏氨酸脱水酶和苏氨酸醛缩酶活性升高，添加0.2%苏氨酸可以消除3%丝氨酸所引起的氨基酸不平衡。

饲粮中的苏氨酸至少有30%转化成甘氨酸，占体内整个甘氨酸合成的10%～50%。由此可见，苏氨酸需要量高、沉积率低的重要原因之一是饲粮中甘氨酸供给不足或通过其它途径合成的甘氨酸太少。

图5 苏氨酸代谢途径

2.4.3.2 维生素

因为维生素B6和NAD(辅酶I)是苏氨酸降解酶的辅酶，所以吡哆醇、烟酸和苏氨酸关系较为密切。日粮中添加B6，引起苏氨酸脱水酶活性上升；B6缺乏导致血液和肝脏中苏氨酸浓度下降。

2.4.3.3 激素

Yamashita等研究表明，胰岛素能有效地降低苏氨酸脱水酶的活性，而苏氨酸脱水酶活性升高能抑制胰岛素对糖皮质激素的作用。Sanahuja等报道，对苏氨酸缺乏引起的采食量下降，皮质醇可增加采食量至接近于正常水平，胰岛素则使采食量显著增加。皮质醇和胰岛素都使肝脏和血浆苏氨酸浓度下降，降低肝脏的总氨基氮含量。

3 小结

动物营养方面研究的内容还很多，氨基酸是其中很重要的一方面。氨基酸需要量的研究、理想氨基酸模型的建立，对动物生产具有很重要的意义和指导作用。综合上述的研究进展，目前应重点考虑以下几方面：①系统评定各种动物各阶段的氨基酸需要量，尤其是水禽等研究比较滞后的种类，确定动物各生长阶段的氨基酸理想模式，制订和修改相关饲养标准，以满足现代动物品种生产潜能充分发挥的需要。②研究各氨基酸在动物体内的代谢路径及调控机理，尤其是分子调控方面，除了一般路径外，还应分析各氨基酸在动物体内的特殊代谢路径。③研究不同氨基酸之间的互作关系及其对氨基酸需要量的影响。

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