猪支链氨基酸的代谢、互作及理想模式

■ 徐运杰 王 钊 苏双良 邓 敦

（1.山东和美集团有限公司，山东滨州 251700；2.唐人神集团股份有限公司，湖南株洲 412000）

当前，豆粕等优质蛋白质原料的供应越来越紧张，价格也一路走高，同时，饲料中粗蛋白水平过高，也给肠道消化和环境防控带来了巨大的压力。大量研究表明，通过添加多种晶体氨基酸（主要是L-Lys、DL-Met、L-Trp、L-Thr、L-Val、L-Ile 和L-Arg）来维持氨基酸平衡和满足营养需求，将猪日粮中粗蛋白水平降低2%～4%是可行的。这样既降低了饲料成本和氮素排泄，又减轻了猪的消化负担和保持了猪的生长性能。然而，实际生产中发现，低蛋白、低豆粕或无豆粕生长育肥猪日粮中，玉米副产物用量过多，会导致亮氨酸（Leu）过量，支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）之间不平衡。与其他BCAAs 不同，缬氨酸（Val）是玉米-豆粕型日粮中的限制性氨基酸，当日粮中Leu 高时，Val 比异亮氨酸（Ile）更易受到拮抗和酶降解。因此，Val必须在低蛋白日粮中补充。Leu（2-氨基-4-甲基戊酸）、Ile（2-氨基-3-甲基戊酸）和Val（2-氨基-3-甲基丁酸）在结构上相似，类似于支链脂肪酸，具有疏水侧链（见图1），并共享代谢通路的第一步。因此，一种BCAAs过量，特别是Leu，可能导致所有BCAAs的降解增加，瘦肉率降低。本文概述了猪BCAAs的代谢通路、相互作用及理想模式，为科学配制猪低蛋白日粮、降低生产成本、提高经济效益提供参考。

图1 BCAAs结构

1 BCAAs的代谢通路

BCAAs（特别是Val和Ile）是保育猪和35～75 kg生长猪低蛋白日粮中的限制性氨基酸，具有重要的免疫功能（见表1）[1]。1984 年，美国科学家Harper 等[2]对BCAAs的代谢通路进行了详细描述。大多数氨基酸在肝脏中进行代谢，但肝脏几乎不能降解BCAAs。从小肠吸收进入门静脉的日粮BCAAs 大部分可绕过肝脏进入血液循环，在支链氨基转移酶（branched-chain aminotransferase，BCAT）的作用下被肝外组织（比如骨骼肌、心脏、脂肪组织、肺、胎盘和乳腺）降解利用。BCAT 有两种亚型，分别在细胞质（BCAT1）及线粒体（BCAT2）中（见图2 和图3）。BCAAs 在酶的催化下与α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，AKG，连接氨基酸代谢和葡萄糖氧化）反应，产生谷氨酸（Glu）和支链α-酮酸（branched chainα- keto acids，BCKAs）。Leu、Ile 和Val 的α-酮酸分别为α-酮异己酸（α-ketoisocaproate，α-KIC）、α-酮-β-甲基戊酸（α-keto-β-methylvalerate，KMV）和α-酮异戊酸（α-ketoisovalerate，KIV）。因此，血清中BCKAs 浓度反映了相应氨基酸的代谢变化。代谢产生的Glu 在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase,GS）的催化下与氨发生酰胺化反应转化为谷氨酰胺（Gln），或与丙酮酸（pyruvic acid，PA）和AKG发生转氨基作用分别生产丙氨酸（Ala）和天冬氨酸（Asp），帮助维持了蛋白质、脂质及核酸的生物合成功能。在饥饿条件下，Ala和Gln是肾脏合成萄葡糖的主要前体。这一步骤也是可逆反应，它能够通过可能来自其他组织的BCKAs 的再反应来产生BCAAs。由于肝外组织中支链α-酮酸脱氢酶（branched chainα- keto acid dehydrogenase，BCKDH）的活性相对较低，只能对BCKAs进行部分脱羧作用，因此，BAKAs回输到肝脏，被BCKDH不可逆地脱羧，通过生酮（α-KIC 和KMV）和生糖（KIV 和KMV）作用，最终代谢生成乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶 A，用于三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环，同时伴随有羰基衍生物CO2和 NADH（还原型辅酶Ⅰ）的生成。

图2 BCAAs在细胞中的区室化代谢通路[3]

图3 动物体内BCAAs在器官间的代谢

2 BCAAs的拮抗作用

BCAT和BCKDH 两种酶是3种BCAAs的共同酶。其中一种BCAAs 对酶的激活将增加所有BCAAs 的分解代谢，可能在它们之间产生拮抗作用。BCAT 和BCKDH 最有效的激活因子是Leu 及其代谢产物α-KIC[2]。日粮中过多的Leu 显著增加了肝脏和股二头肌中的BCKDH 活性。猪的日粮中添加L-Leu，血浆游离Leu 以及血清α-KIC、KMV 和KIV 水平随着日粮Leu 水平的增加呈线性增加，血浆游离Ile 和Val 水平呈线性降低，表明BCAAs 分解代谢增加和生长性能下降；Val或Ile过量对其他BCAAs分解代谢影响较小；日粮中添加Ile 和Val 可以缓解高Leu 引起的大鼠生长迟缓。1961 年，美国科学家Spolter 等[4]首次公开报道了Leu 和Ile 之间的拮抗作用，且高剂量的Leu 没有毒性。1963 年，Spolter 等[5]用部分肝切除大鼠作动物模型进一步证实了BCAAs 之间的拮抗作用。Allen等[6]研究表明，过量的Val 不会影响Leu 或Ile 的利用，然而，过量的Ile，特别是Leu 会损害其他BCAAs 的利用，并导致雏鸡饲料摄入减少和生长性能降低。用初始体重为10.4 kg 的保育猪研究发现，与SID Leu/Lys为1 的对照组比较，比值为1.86 就足以引起平均日采食量（ADFI）减少，比值为3.53 则更加显著；高Leu 可以刺激包括大脑在内的多个组织中的BCKDH 活性，增加血浆和其他几种组织中Leu 的浓度，降低了几乎所有组织（包括血浆）中游离Vle 和Ile 的浓度[7]。总之，高Leu 不仅增加了自身的分解代谢，也增加了其他BCAAs的分解代谢。

3 BCAAs与其它氨基酸之间的关系

研究表明[7]，日粮中过量Leu（SID Leu/Lys=3.53）会减少Trp 和Tyr 的吸收利用和代谢转化，降低大脑中Trp 和Tyr 浓度，使抑制性神经递质血清素（5-羟色胺）和兴奋性神经递质多巴胺（3-羟酪胺）的合成量减少，血浆中3-羟基丁酸浓度升高，影响动物采食量。因为BCAAs 和其他的大型中性氨基酸（large neutral amino acids，LNAAs），如色氨酸（Trp）、组氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr），共用相同的脑转运蛋白，增加其中一种BCAAs 和LNAAs 的水平会提高其大脑吸收量，并降低另一种BCAAs 和LNAAs 的吸收量[8]。不过，高Leu（SID Leu/Lys=1.86）实验组与对照组的猪大脑中，Trp浓度相似，但采食量较低。原因可能是因为细胞燃料传感器mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）过度激活，刺激厌食信号，以及由于高Leu导致BCAAs 分解代谢增加，使Val 和Ile 缺乏[9]。Millet 等[10]用初始重9.9 kg 的保育猪评估BCAAs 与Trp之间的相互作用，结果表明，高浓度的Leu 对生长性能产生负面影响；添加Val 后，有所改善；再添加Ile没有改善效果；有趣的是，与低Leu 对照组相比，在高Leu 日粮中添加Trp 反而产生负面影响。说明BCAAs 与Trp 之间存在一定程度的拮抗作用。但是，日粮中过量Leu 或BCAAs 对生长猪血浆Met 浓度没有影响[11]。

4 保育猪和生长育肥猪BCAAs的理想模式

4.1 保育猪BCAAs的理想模式

Kerr 等[12]通过添加喷雾干燥血细胞（spray-dried blood cells，SDBC，一种含有高Leu、Val和低Ile的原料）和L-Ile 调控日粮中BCAAs 的水平，用初始体重7 kg的保育猪进行研究，结果表明，日粮中添加2.5% SDBC，无论是否添加L-Ile，猪的平均日增重（ADG）、平均日采食量（ADFI）和肉料比（G/F）相似；然而，日粮中添加5% SDBC、但不添加L-Ile 的日粮，猪的ADG、ADFI和G/F 降低，添加L-Ile 后，表现与2.5% SDBC 日粮猪的生长性能相似。总之，当日粮中SID Leu/Lys 比值大于150%时，必须外源添加适量的L-Ile，否则会影响生长性能。综合分析12 项实验数据，可以根据日粮SID Leu/Lys 比值回归分析估算SID Ile/Lys 的需求量（图4），该方程表明，在一定范围内，随着日粮Leu的增加，Ile 需求量按一定比例增加[13]。例如，如果日粮中SID Leu/Lys 比值是110%，则SID Ile/Lys 需求量约为54%，如果SID Leu/Lys 为200%，则SID Ile/Lys 需求量将增加到61%。

图4 根据日粮SID Leu/Lys比值估算SID Ile/Lys需求量的回归方程

Gloaguen 等[14]用初始体重11.3 kg 的保育猪进行研究证实，SID Leu/Lys 为0.8 降低了ADFI 和ADG；然而，SID Leu/Lys为0.9和1.3两组之间没有差异。这表明，Leu 水平低于NRC（2012）[15]推荐需求量的10%不会影响生长性能；SID Leu/Lys 为1.3 不足以减少饲料摄入量。Gloaguen 等[16]用平均初始体重11.7 kg 的保育猪进一步研究表明，SID Val/Lys 和SID Leu/Lys 之间存在显著的互作效应，将SID Val/Lys 由0.6 增加到0.7 可改善生长性能；饲喂高SID Leu/Lys 日粮的猪生长性能下降，当SID Val/Lys比值低时，下降更为严重。当保育猪日粮中SID Leu/Lys 达到1.69 时，估计的SID Val/Lys 需要量为0.72。尽管这一研究结果高于NRC（2012）的需求推荐量，但与其它的研究结果相似[17-19]。Gaines 等[20]研究表明，正常情况下，SID Val/Lys 为0.65 就足以维持13～32 kg 保育猪的生长性能。Siebert 等[21]研究表明，断奶仔猪最佳SID Val/Lys 为0.68。最近研究表明，低蛋白日粮显著影响仔猪的氨基酸代谢和肠道健康，补充L-Leu 和L-Val 可以提高仔猪的ADFI 和ADG，但补充L-Ile 没有效果；BCAAs平衡增加了仔猪血清中BCAAs 浓度，改善了仔猪的氨基酸代谢、生长性能和肠道微生物群落[22]。因此，对于10～35 kg保育猪，要避免日粮配方中血液制品用量过大或粗蛋白设计值过低导致BCAAs 不平衡或缺乏的现象。此阶段，建议SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式为100∶100～150∶50～60∶65～70。其中，SID Leu/Lys的范围是90%～150%。

4.2 生长育肥猪BCAAs的理想模式

BCAAs 对生长肥育猪性能影响的研究数据并不多。Morales 等[23]用基础日粮（SID Leu/Lys 为99%、SID Ile/Lys 为58%、SID Val/Lys 为73%）、实验日粮一（SID Leu/Lys 为137%、SID Ile/Lys 为58%、SID Val/Lys是73%）和实验日粮二（SID Leu/Lys是133%、SID Ile/Lys是74%、SID Val/Lys 是95%）饲喂初始体重为31.8 kg的生长猪，结果表明，各处理之间，猪的生长性能没有差异，SID Leu/Lys值达137%不足以引起生长猪饲料摄入量减少。当然，实验中SID Ile/Lys 和SID Val/Lys 都高于需求量。Rojo[24]用初始体重为42.4 kg的生长猪，研究了BCAAs对生长性能的影响，结果表明，与对照组（SID Leu/Lys 为128%、SID Ile/Lys 为61%、SID Val/Lys为68%）相比，处理一组（SID Leu/Lys为192%、SID Ile/Lys为61%、SID Val/Lys 为68%）和处理二组（SID Leu/Lys为192%、SID Ile/Lys 为62%、SID Val/Lys 为74%）的ADG 均降低，但三者之间的ADFI 没有差异。Hyun等[25]用初始体重为78.4 kg 的育肥猪进行研究，结果表明，实验日粮中添加2.1%的L-Leu，使SID Leu/Lys高达424%，与对照组（SID Leu/Lys 为171%）相比，ADG 显著降低，分别是829 g和930 g，但ADFI各组之间差异不显著，分别为2.75 kg和2.89 kg，减少了5%。另一项研究表明[26]，育肥猪的生长性能不受SID Lys（0.5%和0.7%）或Leu（1%、2%和3%）水平的影响，即使SID Leu/Lys 比率为501%，也不影响ADFI，结果与Cisneros 等[27]的早期研究结果类似，并且短期饲喂氨基酸缺乏日粮可显著提高肌内脂肪水平。总结上述实验结果，对于生长育肥猪，只要SID Ile/Lys 和SID Val/Lys 达到营养要求，日粮中高水平的Leu 不会显著影响ADFI，但增加了肌肉的分解代谢，降低了ADG，导致料重比升高。日粮Ile 水平对育肥猪的ADG 和ADFI 没有显著影响，但Ile 不足降低了育肥猪的胴体性状和肌内脂肪含量[28]。综合分析国内外研究数据，结合玉米副产物使用的实际情况，建议生长育肥猪SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的 理 想 模 式 为100∶110～150∶45～55∶65～75。特别是35～75 kg 的生长猪，配制粗蛋白15%左右的低蛋白日粮时，一定要注意补充BCAAs。因为BCAAs 缺乏或过量通过两种可能的方式影响饲料摄入：上调肠道中氨基酸T1R1/T1R3（taste dimeric receptor type 1 member 1/3）的mRNA 表达和蛋白丰度诱导饱感激素CCK分泌，同时降低下丘脑中阿片黑素促皮质激素原（pro-opiomelanocortin，POMC）的表达，激活下丘脑中的GCN2/eIF2α（general control nonderepressible 2 and eukaryotic initiation factor 2 alpha）通路[29-30]。

5 结语

总之，BCAAs 是蛋白质中常见的3 种氨基酸，总量占肌肉总蛋白的三分之一。日粮中充足的BCAAs在防止热应激下蛋白水解方面起着至关重要的作用，促进肌肉的形成和发育。如果日粮中BCAAs 不足，则通过AMPK-mTOR-FoxO1 信号途径抑制脂肪酸合成并增强肝脏中脂肪酸β-氧化，影响胴体质量。此外，BCAAs 能够调节免疫功能、肠道发育和减少氧化应激。由于BCAT 和BCKDH 两种酶是三种BCAAs 代谢通路的共同酶，因此，BCAAs 之间存在拮抗作用。当保育猪日粮中大量使用血液制品或生长育肥猪日粮中大量使用DDGS 等玉米副产物时，需要关注Leu水平；当通过减少蛋白质来源和增加富含Leu 的谷物来配制低蛋白日粮时，会增加Leu 对其他BCAAs 的拮抗。无论保育猪还是生长育肥猪，高Leu 会影响生长性能。通过添加L-Ile 及L-Val 满足BCAAs 的需求，可以提高其底物利用率和肌肉中的净氨基酸通量，促进胰岛素和生长激素释放，增强合成代谢，改善胴体瘦肉率。虽然日粮中过量Leu（SID Leu/Lys＞150）对生长育肥猪的ADFI 影响不明显，但是增加了肌肉的分解代谢，导致ADG 下降，料重比升高。因此，保育猪阶段，建议SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式为100∶100～150∶50～60∶65～70；生长育肥猪阶段，建议SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式为100∶110～150∶45～55∶65～75。