功能性氨基酸改善妊娠和哺乳母猪及新生仔猪的生长与健康状况的研究进展

唐志如 宋代军 董国忠 孙志洪 李周权

(西南大学动物科技学院,重庆 400716)

母猪营养生理状况直接影响胎儿及新生仔猪的生长和健康。基因改良后的现代母猪具有更高的繁殖力,其后代拥有更高的生长潜力。然而,目前妊娠母猪的限饲方案限制了胎儿生长所需营养素的摄取,尤其是妊娠中期和后期的限饲。哺乳期间降低母猪采食量的饲养方式减少了乳中营养物质的供给,进而导致大量母体组织中营养物质的动员[1]。母体分解代谢状况会限制胎儿及新生仔猪的生长,增加发病率及死亡率,其潜在的机理与胎儿及新生仔猪功能性氨基酸摄取量减少有关。功能性氨基酸不仅为动物正常生长及维持代谢所必需,而且是合成许多生物活性物质的必需前体物质[2]。具有特殊功能的氨基酸包括精氨酸、支链氨基酸、谷氨酸、色氨酸和脯氨酸。这些功能性氨基酸有利于处于分解代谢状态的妊娠母猪胎儿的生长、新生仔猪的健康及哺乳期母猪生产性能的发挥。

1 功能性氨基酸概述

由于支链的变化,氨基酸的生物学特性和功能也具有多样性。妊娠期羊水[3]、1周龄新生仔猪血浆[4]及处于分解代谢状态下的所有动物血浆[5]中氨基酸浓度是变化的。母猪乳(哺乳第28天浓度为3.5 mmol/L)[6]、血浆 (0.5 ～1 mmol/L)[7]、骨胳肌(5～20 mmol/L)[8]、妊娠早期羊水(2～3 mmol/L)[9]及尿囊液(3 ～25 mmol/L)[3]中谷氨酸含量特别丰富。精氨酸及瓜氨酸(精氨酸前体)含量在妊娠早期猪及羊的尿囊液中特别丰富,分别为4 ～6 mmol/L和5 ～10 mmol/L[3,9]。

一直以来,必需氨基酸在动物营养中的作用倍受关注[10]。近年来,由于非必需氨基酸及必需氨基酸在代谢调控及生理上独特的多样化功能,人们对它们产生了更大的兴趣。那些碳骨架不能为动物所合成或者能合成但不能满足动物需要,必需通过饲粮供给才能满足其维持、生长和繁殖需要的氨基酸被定义为必需氨基酸[2]。必需氨基酸在正常情况下动物体内能充足合成,但在利用率相对于合成率增加的情况下,必需通过饲粮供给才能满足需要[2]。非必需氨基酸是指那些动物体内能足够合成以满足需要的氨基酸[2]。动物在成千上万年进化过程中保存了合成为生存及繁殖所必需的氨基酸能力。

自然界中有300种以上的氨基酸,但只有20种参与动物细胞蛋白质的构成(表1)。近年来,有研究表明,一些氨基酸能调节细胞内蛋白质合成与降解,参与许多为生命及繁殖所必需生物活性物质(一氧化氮、多胺、谷胱甘肽、核酸、激素和神经递质)的合成。

表1 动物营养性必需氨基酸与非必需氨基酸Table 1 Nutritionally essential and nonessential amino acids in animals

2 功能性氨基酸的生物学作用

2.1 功能性氨基酸对细胞内蛋白质周转的作用

2.1.1 亮氨酸

细胞内蛋白质不断地合成与分解称为蛋白质周转,其被用来测定细胞内蛋白质平衡及细胞或组织氨基酸净损失。20年前,亮氨酸被发现能刺激在分解代谢状态下培养的骨骼肌蛋白质合成,同时抑制其蛋白质的降解[11]。体内研究进一步确定,通过口服亮氨酸或饲粮中添加亮氨酸来提高血浆中亮氨酸水平的方法能加速处于生理状态下的新生仔猪蛋白质的合成[12-13]。通过分子技术更深入的研究发现,亮氨酸是通过刺激哺乳动物雷帕霉素(rapamycin)靶信号(mTOR)加速肌肉蛋白质合成的。mTOR磷酸化对亮氨酸水平升高的反应导致p70S6激酶(p70S6K)和真核起始因子4E结合蛋白1(4E-BP1)的磷酸化,而4E-BP1能促进多肽合成起始复合体[14]。亮氨酸抑制肌肉蛋白质降解的机理是亮氨酸氨基转移产生 α-酮异己酸[11]。另有研究表明,肝脏灌注亮氨酸减缓肝脏蛋白质降解,原因可能是通过mTOR介导,抑制自由噬菌体的生长,其主要机理是蛋白质进入溶酶体引起水解[14]。亮氨酸也能激活肠上皮细胞mTOR信号途径[15]。

2.1.2 谷氨酸

在各种分解代谢情况下(受伤、化脓和哺乳),肌肉内谷氨酸水平显著下降,这与骨骼肌中蛋白质负平衡有关[16],这提示氨基酸与蛋白质周转可能存在关联。骨骼肌中注射谷氨酸盐可加速蛋白质合成并抑制蛋白质分解[17]。近年来体内研究进一步证明,仔猪肌肉内谷氨酸浓度和肌肉蛋白质合成存在正相关关系[18-19]。谷氨酸还能刺激小肠黏膜蛋白质合成并抑制蛋白质水解[20]。谷氨酸在心肌细胞[21]和Jurkat细胞[22]中生理功能的作用机理还不清楚,但也可能与mTOR信号物质有关。mTOR信号途径的激活可能是在饲粮中添加L-谷氨酸可抑制早期断奶仔猪小肠萎缩征的部分原因[23]。由于亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸是动物组织(特别是骨骼肌)中合成谷氨酸的物质[1],而谷氨酸又具有部分介导动物支链氨基酸分解代谢的作用。所以,这种作用使得乳腺产生的谷氨酸比从血液循环中获得的谷氨酸要多[24],且胎盘能合成并释放大量的谷氨酸进入胎儿血液循环[25],这对增加哺乳期乳腺及胎盘中谷氨酸的含量具有重要意义。

2.1.3 精氨酸

有研究表明,精氨酸能加速处于分解状况下(感染、营养失调)猪小肠蛋白质的合成[26]。然而,培养基中精氨酸的添加对哺乳动物的肝细胞mTOR的磷酸化没有影响[14]。这些发现可由以下事实得以解释:由于肝细胞中具有高活性的精氨酸酶加速其分解,因此,肝细胞中精氨酸浓度极低(小于50 μmol/L)[27]。然而,新生仔猪肠道上皮细胞中精氨酸酶活力较低,这样,细胞外精氨酸(肠鲁米诺精氨酸)浓度上升可有效地增加细胞内精氨酸浓度[28]。另有报道,精氨酸能激活mTOR和其他肠上皮细胞内起介导信号作用的激酶[15],从而刺激蛋白质合成,促进损伤的肠上皮的修复。这为精氨酸利于新生仔猪肠道的完整性和肠道功能的发挥提供了一个研究机理[29]。近年来的研究还发现,通过饲粮供给精氨酸[30]或内源性精氨酸的合成代谢活化作用[31],可提高哺乳仔猪血浆中精氨酸水平,进而提高骨骼肌和全身肌肉蛋白质合成。这些合成代谢的影响与增加肌肉蛋白质合成相关[32]。肌肉蛋白质合成程度高于蛋白质降解的事实提示精氨酸可能还具有调控新生仔猪肌肉蛋白质降解的作用[32]。

2.2 功能性氨基酸对胎儿生长的作用

亮氨酸、谷氨酸和精氨酸对妊娠期胚胎、胎盘和胎儿发育具有重要作用[33-34]。猪和绵羊妊娠前3个月羊水及尿囊液中谷氨酸和精氨酸浓度增加25～80倍,这个阶段对胎盘的生长发育很关键[3]。另外,妊娠的第11天到第15天,羊子宫液这2种氨基酸和亮氨酸的浓度增加10～50倍[35]。这些在特定时期异常丰富的氨基酸通过细胞内蛋白质周转及细胞增殖调控,在胚胎形成、着床,胎盘生长、发育和胎儿生长过程中起到关键作用[36]。在妊娠第30天到分娩期间母猪饲粮中添加1.0%L-精氨酸,活仔数量提高23%,总产仔窝重增加28%[37]。这个报道首次发现了通过营养干预每头母猪产仔数量的增加大于2头。

2.3 功能性氨基酸对激素分泌和代谢的调控作用

许多多肽和低分子量激素是由特定氨基酸合成的(表2)。例如,酪氨酸是合成肾上腺素、去甲肾上腺素和甲状腺素的前体。氨基酸也是内分泌细胞分泌激素的有效调控者[38]。精氨酸能刺激胰岛素、生长激素、泌乳激素、胰高血糖素和胎盘催乳激素的分泌[39]。谷氨酸和亮氨酸能增加胰腺β-细胞胰岛素的分泌[38]。饲粮中添加谷氨酸能通过一种未知的机理减少断奶仔猪糖皮质激素的产生[40]。这些氨基酸可以部分地介导饲粮蛋白质对机体蛋白质、脂肪和葡萄糖代谢及动物生产性能和动物产品品质的影响。

除了影响血浆激素水平外,氨基酸直接参与中间代谢调控和饲粮营养素的利用:1)精氨酸是N-乙酰谷氨酸酯合成酶(一种用谷氨酸和乙酰辅酶A作为底物线粒体酶)变构增活因子[27]。精氨酸和谷氨酸能促进机体的尿素循环。2)丙氨酸抑制丙酮酸激酶,进而调控糖的合成和糖酵解,以保证在采食食物时肝细胞的净糖产生量[2]。3)谷氨酸和天冬氨酸可减少与糖酵解相关物质的线粒体跨膜转化作用,进而调节糖酵解和细胞氧化还原状态[41]。4)精氨酸和苯丙氨酸调节三磷酸鸟苷环水解酶I表达和活性,进而增强四氢生物蝶呤对精氨酸-环烷油合成作用和对芳香氨基酸羟基化作用的有效性[42]。精氨酸-环烷油途径也可以通过许多其他氨基酸(赖氨酸、谷氨酸、巯基丁氨酸)调控来发挥它们的生理作用[43]。5)精氨酸和它的代谢物调节有关线粒体生物合成和底物氧化作用关键蛋白质和酶(腺苷-磷酸激活的蛋白激酶、过氧化物酶体增殖因子活化受体-γ和活化剂-α)的表达,进而减少肥胖动物脂肪含量[44-45]。6)蛋氨酸、甘氨酸和丝氨酸在一碳代谢过程中起到重要作用,利于蛋白质和DNA甲基化,进而调节基因表达和蛋白活性[46]。另外,氨基酸代谢在肝、骨骼肌、小肠和免疫细胞中的调节作用使谷氨酸最大程度转化为肾氨水,因此,氨基酸可调节动物体内的酸碱平衡[16]。

表2 氨基酸在动物体内代谢所产生的重要含氮物质及其功能Table 2 Important nitrogenous products from amino acid metabolism and their functions in animals

续表2

2.4 功能性氨基酸对免疫功能的作用

蛋白质的缺乏可损害动物免疫功能,增加动物对疾病的易感性,降低了许多血浆氨基酸的利用率,特别是谷氨酸、精氨酸、色氨酸和半胱氨酸[47]。谷氨酸、精氨酸和半胱氨酸增强免疫功能的作用现已被确定[48-49]。谷氨酸是淋巴细胞的主要能量物质[50],为淋巴细胞的增殖和免疫功能所必需[49]。谷氨酸还能提高噬菌细胞的噬菌活性,刺激T-淋巴细胞产生细胞因子和B-淋巴细胞产生抗体[49,51]。半胱氨酸利用率的降低是限制谷胱甘肽、低分子量硫醇及一些关键抗氧化剂合成的主要因素[48]。因此,饲粮中添加N-乙酰半胱氨酸(一种稳定的半胱氨酸前体)能大大提高处于各种疾病状态下的动物免疫功能[52]。精氨酸可诱导环烷油合成酶的合成,而环烷油是病原菌和病毒细胞的毒素[53]。前人试验结果已经表明,饲粮中添加精氨酸能提高哺乳仔猪[54]和妊娠母猪免疫功能[55]。

近年来,人们对色氨酸和脯氨酸的免疫功能产生了更浓厚的兴趣。患有慢性肺炎的猪血浆色氨酸水平持续下降[5]。色氨酸分解代谢对巨噬细胞和淋巴细胞功能至关重要。据报道,口服色氨酸能增强先天免疫应答[56]。邻氨基苯甲酸(一种色氨酸代谢物,由吲哚胺2,3-加双氧酶代谢途径而来)能抑制促炎症反应的辅助性T细胞-1因子和阻止自体免疫神经性炎症[57]。Ha等[58]发现由于小肠脯氨酸氧化酶缺乏而引起的脯氨酸代谢受阻损害肠道免疫系统。由脯氨酸氧化而来的主要介导物是过氧化氢,它是病原菌的细胞毒素,也是一种信号分子。据推测,在胚胎和新生仔猪发育期间,猪胎盘和仔猪小肠高活性的脯氨酸氧化酶对保护胎儿和新生仔猪组织免受感染起到关键作用[31,59]。

3 小 结

功能性氨基酸是合成许多生物活性化合物的必需前体物质,对妊娠、哺乳期母猪和新生仔猪的健康、生长、发育、繁殖及代谢等多方面起到重要的作用。因此,制定功能性氨基酸的母猪饲养计划将更有利于其生产性能的发挥。但母猪饲粮的最佳功能性氨基酸需要量仍需作进一步研究。

[1] D’MELLO J P F.Amino acids in animal nutrition[M]//KIM S W,EASTER R A.Amino acid utilization for reproduction in sows.Wallingford:CABI Publishing,2003:203-222.

[2] POND W G,BELL A W.Encyclopedia of animal science[M]//WU G,SELF J T.Amino acids:metabolism and functions.New York:Marcel Dekker,Inc.,2005:9-12.

[3] KWON H,SPENCER T E,BAZER F W,et al.Developmental changes of amino acids in ovine fetal fluids[J].Biology Reproduction,2003,68:1813-1820.

[4] FLYNN N E,KNABE D A,MALLICK B K,et al.Postnatal changes of plasma amino acids in suckling pigs[J].Journal of Animal Science,2000,78:2369-2375.

[5] MELCHIOR D,LE F N,SEVE B.Effect of chronic lung inflammation on tryptophan metabolism in piglets[J].Advance Express Medicine and Biology,2003,527:359-362.

[6] WU G,KNABE D A.Free and protein-bound amino acids in sow’s colostrums and milk[J].The Journal of Nutrition,1994,124:415-424.

[7] FLYNN N E,WU G.An important role for endogenous synthesis of arginine in maintaining arginine homeostasis in neonatal pigs[J].American Journal of Physiology,1996,271:R1149-R1155.

[8] WU G,THOMPSON J R.The effect of glutamine on protein turnover in chick skeletal muscle in vitro[J].Biochemical Journal,1990,265:593-598.

[9] WU G,BAZER F W,TUO W,et al.Unusual abundance of arginine and ornithine in porcine allantoic fluid[J].Biology of Reproduction,1996,54:1261-1265.

[10] BAKER D H.Ideal amino acid profiles for swine and poultry and their applications in feed formulation[J].Biokyowa Technical Review,1997,9:1-24.

[11] TISCHLER M E,DESAUTELS M,GOKDBERG A L.Does leucine,leucyl-transfer RNA,or some metabolite of leucine regulate protein synthesis and degradation in skeletal and cardiac muscle？[J]Journal of Biological Chemistry,1982,257:1613-1621.

[12] ESCOBAR J,FRANK J W,SURYAWAN A,et al.Physiological rise in plasma leucine stimulates muscle protein synthesis in neonatal pigs by enhancing translation initiation factor activation[J].American Journal Physiology,2005,288:E914-E921.

[13] ESCOBAR J,FRANK J W,SURYAWAN A,et al.Regulation of cardiac and skeletal muscle protein synthesis by individual branched-chain amino acids in neonatal pigs[J]. American Journal Physiology,2006,290:E612-E621.

[14] MEIJER A J,DUBBELHUIS P F.Amino acid signaling and the integration of metabolism[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,2004,313:397-403.

[15] BAN H,SHIGEMITSU K,YAMATSUJI T,et al.Arginine and leucine regulate p70S6 kinase and 4EBP1 in intestinal epithelial cells[J].International Journal of Molecular Medicine,2004,13:537-543.

[16] CURTHOYS N P,WATFORD M.Regulation of glutaminase activity and glutamine metabolism[J].Annual Review of Nutrition,1995,15:133-159.

[17] MACLENNAN P A,BROWN R A,RENNIE M J.A positive relationship between protein synthetic rate and intracellular glutamine concentration in perfused rat skeletal muscle[J].Federation of European Biochemical Societies Letters,1987,215:187-191.

[18] 刘涛,彭健.在日粮中添加谷氨酰胺和谷氨酸对断奶仔猪生产性能的影响[J].养殖与饲料,2003,9:7-8.

[19] 张永泰.饲粮添加谷氨酰胺和谷氨酸可提高断奶仔猪日增重[J].养猪,2007,6:2.

[20] COEFFIER M,CLAEYSSENS S,HECKETSWEILER B,et al.Enteral glutamine stimulates protein synthesis and decreases ubiquitin mRNA level in human gut mucosa[J].American Journal of Physiology,2003,285:G266-G273.

[21] XIA Y,WEN H Y,YOUNG M E,et al.Mammalian target of rapamycin and protein kinase A signaling mediate the cardiac transcriptional response to glutamine[J].Journal of Biological Chemistry,2003,278:13143-13150.

[22] FUMAROLA C,MONICA S L,GUIDOTTI G G.Amino acid signaling through the mammalian target of rapamycin(mTOR)pathway:role of glutamine and of cell shrinkage[J].Journal of Cell Physiology,2005,204:155-165.

[23] WU G,MEIER S A,KNABE D A.Dietary glutamine supplementation prevents jejunalatrophy in weaned pigs[J].The Journal of Nutrition,1996,126:2578-2584.

[24] TROTTIER N L,SHIPLEY C F,EASTER R A.Plasma amino acid uptake by the mammary gland of the lactating sow[J].Journal of Animal Science,1997,75:1266-1278.

[25] SELF J T,SPENCER T E,JOHNSON G A,et al.Glutamine synthesis in the developing porcine placenta[J].Biology Reproduction,2004,70:1444-1451.

[26] CORI B A,RHOADS M,HARRELL R J,et al.Rotaviral enteritis stimulates ribosomal p70 s6 kinase and increases intestinal protein synthesis in neonatal pigs[J].Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology,2005,19:A976.

[27] WU G,MORRIS S M,Jr.Arginine metabolism:nitric oxide and beyond[J].Biochemistry Journal,1998,336:1-17.

[28] WU G,KNABE D A,FLYNN N E,et al.Arginine degradation in developing porcine enterocytes[J].A-merican Journal Physiology,1996,271:G913-G919.

[29] WU G,JAEGER L A,BAZER F W,et al.Arginine deficiency in premature infants:biochemical mechanisms and nutritional implications[J].Jounal Nutrition Biochemistry,2004,15:442-451.

[30] KIM S W,MCPHERSON R L,WU G.Dietary arginine supplementation enhances the growth of milk-fed young pigs[J].The Journal of Nutrition,2004,134:625-630.

[31] WU G,BAZER F W,HU J,et al.Polyamine synthesis from proline in the developing porcine placenta[J].Biology Reproduction,2005,72:842-850.

[32] FRANK J W,ESCOBAR J,NGUYEN H V,et al.Oral N-carbamylglutamate(NCG)supplementation increases growth rate in sow-reared piglets[J].Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology,2006,20:A425.

[33] MARTIN P M,SUTHERLAND A E,VAN WINKLE L J.Amino acid transport regulates blastocyst implantation[J].Biology Reproduction,2003,69:1101-1108.

[34] WU G,BAZER F W,CUDD T A,et al.Maternal nutrition and fetal development[J].The Journal of Nutrition,2004,134:2169-2172.

[35] GAO H,SPENCER T E,WU G,et al.mTOR signaling mechanisms in the ovine uterus[J].Biology Reproduction,2006,124:568-574.

[36] WU G,FANG Y Z,YANG S,et al.Glutathione metabolism and its implications for health[J].The Journal of Nutrition,2004,134:489-492.

[37] MATEO R D,WU G,CARROLL J A,et al.Dietary L-arginine supplementation improves pregnancy outcome in gilts[J].Journal of Animal Science,2006,84(Suppl.2):7-8.

[38] NEWSHOLME P,BRENNNAN L,RUBI B,et al.New insights into amino acid metabolism,beta-cell function and diabetes[J].Clinical Science,2005,108:185-194.

[39] FLYNN N E,MEININGER C J,HAYNES T E,et al.The metabolic basis of arginine nutrition and pharmacotherapy[J].Biochemical Pharmacology,2002,56:427-438.

[40] ZHOU R Y,PENG J,LIU Z L,et al.Effects of biocom as a replacement of glutamine on performance and blood biochemical indexes of early weaned piglets[J].Asian-Australasian Journal of Animal Sciences,2006,19:872-876.

[41] BROSNAN J T.Amino acids,then and now-a reflection on Sir Hans Kreb’s contribution to nitrogen metabolism[J].Journal of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology,2001,52:265-270.

[42] SHI W,MEININGER C J,HAYNES T E,et al.Regulation of tetrahydrobiopterin synthesis and bioavailability in endothelial cells[J].Cell Biochemistry and Biophysics,2004,41:415-433.

[43] WU G,MEININGER C J.Regulation of nitric oxide synthesis by dietary factors[J].Annual Review of Nutrition,2002,22:61-86.

[44] FU W,HAYNES T E,KOHLI R,et al.Dietary supplementation with L-arginine reduces fat mass in Zucker diabetic fatty rats[J].The Journal of Nutrition,2005,135:714-721.

[45] JOBGEN W S,FRIED S K,FU W J,et al.Regulatory role for the arginine-nitric oxide pathway in energy-substrate metabolism[J].Jounal Nutrition Biochemistry,2010,17:571-588.

[46] STEAD L M,BROSNAN J T,BROSNAN M E,et al.Is it time to reevaluate methyl balance in humans？[J]American Journal of Clinical Nutrition,2006,83:5-10.

[47] WU G,FLYNN N E,FLYNN S P,et al.Dietary protein or arginine deficiency impairs constitutive and inducible nitric oxide synthesis by young rats[J].The Journal of Nutrition,1999,129:1347-1354.

[48] WU G,KNABE D A,KIM S W.Arginine nutrition in neonatal pigs[J].The Journal of Nutrition,2004,134:S2783-S2790.

[49] FIELD C J,JOHNSON I R,SCHLEY P D.Nutrients and their role in host resistance to infection[J].Journal of Leukocyte Biology,2002,71:16-32.

[50] WU G,FIELD C J,MARLISS E B.Glutamine and glucose metabolism in rat splenocytes and mesenteric lymph node lymphocytes[J].American Journal of Physiology,1991,260:E141-E147.

[51] PARRYBILLINGS M,EVANS J,CALDER P C,et al.Does glutamine contribute to immunosuppression after major burns？[J]Lancet,1990,336:523-525.

[52] GRIMBLE R.F.Modification of inflammatory aspects of immune function by nutrients[J].Nutrition Research,1998,18:1297-1317.

[53] BRONTE V,ZANOVELLO P.Regulation of immune responses by L-arginine metabolism[J].Nature Review Immunology,2005,5:641-654.

[54] KIM S W,MCPHERSON R L,WU G.Dietary arginine supplementation enhances the immune status of milk-fed young pigs[J].Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology,2004,18:A378.

[55] KIM S W,MATEO R D,WU G,et al.Dietary L-arginine supplementation affects immune status of pregnant gilts[J].Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology,2006,1:A266.

[56] ESTEBAN S,NICOLAUS C,GARMUNDI A,et al.Effect of orally administered L-tryptophan on serotonin,melatonin,and the innate immune response in the rat[J].Molecular Cell Biochemistry,2004,267:39-46.

[57] PLATTEN M,HO P P,YOUSSEF S,et al.Treatment of autoimmune neuroinflammation with a synthetic tryptophan metabolite[J]. Science,2005,310:850-855.

[58] HA E M,OH C T,BAE Y S,et al.A direct role for dual oxidase in Drosophila gut immunity[J].Science,2005,310:847-850.

[59] WU G.Synthesis of citrulline and arginine from proline in enterocytes of postnatal pigs[J].American Journal Physiology,1997,272:G1382-1390.