氨基酸的生物活性及其营养调控功能的研究进展.pdf
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1、书书书动物营养学报 , ( ) : : 氨基酸的生物活性及其营养调控功能的研究进展王洪荣季昀( 扬州大学动物科学与技术学院, 扬州 )摘要:随着氨基酸营养研究的深入, 发现部分氨基酸及其代谢产物在体内具有的生物活性对营养物质代谢、 神经内分泌调节、 基因表达、 信号转导及免疫功能等都具有调控作用, 这些氨基酸包括精氨酸、 谷氨酰胺、 亮氨酸、 色氨酸、 苏氨酸等, 本文综述了这些氨基酸在动物体内的代谢途径以及它们的营养调控功能的研究进展。关键词:氨基酸; 生物活性; 营养调控中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ( ) 收稿日期: 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 计划) 项目( )
2、; 江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介: 王洪荣( ) , 男, 内蒙古丰镇人, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为反刍动物氨基酸与脂肪酸营养代谢调控。 : 近年来, 越来越多的研究证实了体内某些氨基酸不仅仅作为蛋白质合成的底物原料, 它们还能够通过自身及其代谢产物所具有的生物活性对动物机体内许多生命活动产生调节作用, 例如调节营养物质代谢( 蛋白质代谢、 脂代谢、 糖代谢等) 、 为机体提供能够能量、 维持机体内环境稳态、合成一氧化氮( ) 、 多胺、 谷胱甘肽、 核酸激素和神经递质, 影响神经和内分泌, 调控细胞的基因表达和信号转导、 免疫、 抗氧化、 抗应激等功能, 这些调节作用
3、最终可影响到动物的生长发育、 生产性能以及健康状况。目前研究较多的具有明显生物活性的氨基酸包括精氨酸、 谷氨酰胺、 亮氨酸、 色氨酸、 苏氨酸等, 本文总结了它们的代谢途径以及营养调节作用的研究进展, 为通过氨基酸的营养调控作用来改善动物生产提供参考。 精氨酸 精氨酸的代谢途径精氨酸是一种半必需氨基酸, 在动物体内具有重要的生理、 代谢调控和营养作用, 其代谢途径见图 。精氨酸通过其自身或其代谢产物 、 多胺、 鸟氨酸、 脯氨酸等在调节机体代谢和繁殖、 促进激素分泌、 改善免疫功能、 预防心血管疾病和内皮细胞功能紊乱、 维持骨骼肌和大脑功能、 组织损伤与修复等多个方面均发挥重要的功能 。精氨酸
4、是内源性 的唯一前体, 可在一氧化氮合成酶的作用下生成 , 在血管扩张过程中作为信号分子物质来促进血管的舒张, 提高胰岛素敏感组织的血流量。 参与调节产能底物代谢( 图 ) , 可降低与脂肪合成和糖异生作用相关基因的表达, 提高激素敏感脂肪酶磷酸化水平进而促进脂肪分解, 此外 还能够促进线粒体生物合成和氧化磷酸化 。精氨酸的代谢产物腐胺、 精胺等多胺类物质在维持细胞膜稳定性方面起重要作用; 肌酸能够在机体运动时迅速补充能量; 鸟氨酸和瓜氨酸是体内尿素循环的重要代谢中间产物。此外, 精氨酸也是氨脱毒所必需的物质, 保障中枢神经系统的健康 。 精氨酸的营养调控功能 改善动物采食量及畜禽产品品质精氨
5、酸及其代谢产物可通过影响外周激素的分泌提高畜禽采食量 。精氨酸可抑制脂肪细胞增大, 降低脂肪沉积。饲粮中添加适宜水平的精氨酸可显著提高环江香猪瘦肉率, 显著降低脂肪率和 背 最 长 肌 中 脂 肪 含 量 。饲 粮 中 添 加 的精氨酸可显著提高肉鸭采食动物营养学报 卷量、 生产性能、 饲料转化效率以及胴体品质, 降低皮脂率和肝脂率 。 等 指出了精氨酸减少脂肪合成, 提高肌肉含量的可能机理: 精氨酸通过改变能量摄取与消耗的平衡状态进而减少脂肪, 降低白色脂肪组织的生长, 具体的机理可能与精氨酸提高细胞信号分子( 、 多胺、 环腺苷酸等) 促进线粒体合成和棕色脂肪组织生长有关, 也与精氨酸提高
6、能够促进产能底物氧化的基因的表达有关。图 精氨酸的主要代谢途径 图 对产能底物代谢的调节 调节泌乳功能由于精氨酸的代谢产物 具有扩张血管、 促进血管生成的作用, 因此调控精氨酸 途径可以促进乳腺及乳腺内血管的生长, 提高营养物质的摄取量, 进而改善哺乳动物的泌乳性能 。乳腺内精氨酸的摄取量通常情况下高于乳中精氨酸的量, 给初产母猪饲粮补充精氨酸或 前体物可以提高其泌乳性能 。对于奶牛而言, 研究表明真胃灌注精氨酸可显著提高奶牛血中精氨酸、 鸟氨酸、 尿素含量 , 妊娠后期奶牛颈静脉连续灌注精氨酸能够显著提高血液催乳素、 生长激素、 胰岛素的含量, 进而提高乳产量 , 但也有研究表明当其他必需氨
7、基酸足够的条件下给奶牛真胃灌注无精氨酸的氨基酸混合物对乳产量及乳成分含量几乎没有影响 , 那么, 是否精氨酸水平影响奶牛的泌乳性能和乳成分组成有待于进一步研究。细胞分子水平的研究表明, 精氨酸水平可调控奶牛乳腺上皮细胞的增殖及酪蛋白基因的表达, 可通过调控乳腺上皮细胞内酪氨酸激酶 信号转导和转录 激 活 子 ( ) 、 雷 帕 霉 素 靶 蛋 白( ) 信号转导通路影响酪蛋白基因的转录与翻译( 图 ) 。图 精氨酸对乳蛋白合成调控信号通路的调控 改善消化道功能及机体抗氧化和应激能力近年来的试验证实, 提高泌乳母猪饲粮精氨酸水平或肠道补充精氨酸能够促进哺乳仔猪小肠黏膜生长发育 。给新生仔猪补充精
8、氨酸可提高其肠道通透性。精氨酸可促进猪小肠上皮细胞增殖 , 在正常条件和应激状态下均能够维护肠道黏膜屏障和保护淋巴细胞, 减少热应激造成的肠道黏膜屏障的损伤 。最新的研究发现, 精氨酸对肠道营养的益处部分归因于精氨酸调控肠道菌群氨基酸代谢及其利用率的结果 。断奶仔猪饲粮中补充精氨酸或 氨基甲酰谷氨酸( 合成精氨酸的前体物) 在显著提高血浆精氨酸浓度的同时可显著促进小肠的生长和提高黏膜细胞的数量, 增加十二指肠、 空肠、 回肠的绒毛高度以及空肠、 回肠的隐窝深度, 提高断奶仔猪体重 。另外, 精氨酸对消化道疾病也有一定的预防和改善期王洪荣等: 氨基酸的生物活性及其营养调控功能的研究进展作用, 例
9、如坏死性肠炎 。饲粮中补充 的精氨酸可显著增强猪机体抗氧化功能 。在应激条件下提高精氨酸添加量可以缓解仔猪因应激导致的采食量下降, 增强仔猪抗氧化能力, 缓解氧化应激对动物生产造成的不利影响 。断奶仔猪饲粮中补充精氨酸或 氨基甲酰谷氨酸可显著提高热休克蛋白 ( ) 的 表达量和蛋白含量, 表明精氨酸有缓解热应激的作用 。 谷氨酰胺 谷氨酰胺的代谢途径谷氨酰胺在动物体内含量丰富, 具有多种营养生理功能, 因而成为动物功能性氨基酸营养研究的热点, 其代谢途径见图 。谷氨酰胺在动物的某些特殊生理状态下, 例如应激状态, 成为了必需氨基酸, 而据研究发现, 谷氨酰胺不仅在动物应激状态下发挥重要作用,
10、对正常动物的营养代谢也具有一定的调控作用。谷氨酰胺对氮平衡、 肌肉蛋白质代谢、 肠黏膜免疫均有一定的益处 , 对营养不良、 重大疾病后的恢复也具有明显的改善作用 。谷氨酰胺能促进细胞增殖, 在机体处于炎症状态下, 谷氨酰胺的消耗量高于机体内源产生量。图 谷氨酰胺的主要代谢途径 谷氨酰胺的营养调控功能 改善动物肠道功能, 为营养吸收奠定基础动物肠黏膜细胞能够利用大量的谷氨酰胺作为其能氮来源, 以保证正常的肠道功能, 促进营养物质吸收。研究发现谷氨酰胺能够显著增加肠道对亮氨酸和脯氨酸的吸收量, 显著增加肠道组织游离亮氨酸和脯氨酸量, 并显著增加肠道蛋白质的合成量 。谷氨酰胺通过调控相关基因表达保护
11、肠黏膜细胞; 通过促进还原型谷胱甘肽合成, 达到抗氧化作用, 维持肠黏膜细胞完整性, 减少肠细胞凋亡。饲粮中添加谷氨酰胺可以促进鸡肠道黏膜发育, 提高小肠绒毛密度和宽度, 增加肠细胞数量 。谷氨酰胺可能通过激活 信号通路来促进肠细胞蛋白质合成和肠细胞的生长 , 同时, 谷氨酰胺有助于表皮生长因子促进小肠细胞增殖 , 此外, 谷氨酰胺的重要中间代谢产物 酮戊二酸可通过促进 及其下游靶标核糖体 激酶 ( ) 和真核细胞翻译起始因子 结合蛋白 ( ) 的磷酸化来促进小肠上皮细胞蛋白质的合成 。紧密连接蛋白是肠细胞紧密连接的主要功能性调节蛋白。缺乏谷氨酰胺时, 紧密连接蛋白呈团块状分布于肠上皮细胞胞质
12、内,不能定位在紧密连接处发挥功能; 补充谷氨酰胺后, 紧密连接蛋白逐渐向细胞膜上转移, 定位于膜尖端的紧密连接处, 形成完整的紧密连接 , 使肠黏膜形成保护屏障, 阻止细菌移位穿过肠细胞, 预防肠源性感染, 此外, 谷氨酰胺也可通过为体内免疫细胞供能来调节肠道免疫。 缓解动物应激, 降低生产损失大量研究表明, 谷氨酰胺对生产中的动物应激( 热应激、 冷应激、 运输应激等) 具有明显的缓解作用, 而且从代谢以及分子水平的研究逐渐揭示了这种营养素能够缓解应激可能的机制。谷氨酰胺可以诱导 表达量增加, 而 的高表达可以提高细胞的耐热性, 增强动物抵抗热应激的能力。给小白鼠尾静脉注射谷氨酰胺增加了小鼠
13、肝脏、 子宫、 卵巢组织细胞 的表达, 并且 表 达 量 随 着 谷 氨 酰 胺 剂 量 的 加 大 而 增加 。谷氨酰胺能够提高动物机体抗氧化相关指标含量, 抑制动物在冷应激状态下细胞内产生的有害自由基, 因而有助于动物抗冷应激。血清中丙二醛的量常常可以反映机体脂质过氧化的程度, 从而间接地反映出细胞受自由基攻击的程度。谷氨酰胺能够降低低温环境下肉羊血清丙二醛水平, 从而有效地降低机体细胞受自由基的攻击程度, 同时补充谷氨酰胺提高了冷应激肉羊机体血清超氧化物歧化酶( 体内的抗氧化剂) 活性和总抗氧化能力 。外源性补充谷氨酰胺可以防止长时间应激后机体谷氨酰胺含量的下降, 具有保护大鼠抵抗运输应
14、激的作用, 又可以在某种程度上降低疲劳程度 。动物营养学报 卷 调节体内酸碱平衡, 维持内环境稳态动物机体内环境稳态保证了组织、 细胞的各种代谢活动的正常进行。在谷氨酰胺酶的作用下, 谷氨酰胺被水解生成谷氨酸和氨。当动物机体酸过多时刺激谷氨酰胺酶活性增强, 这样, 肾脏内肾小管上皮细胞大量的谷氨酰胺水解生成氨结合 来促进 从尿中排出, 从而降低 浓度,保证酸碱平衡, 防止代谢性酸中毒, 维持动物机体内环境稳态, 进而利于动物正常生产性能的发挥。 增强动物免疫力谷氨酰胺可以调节动物体免疫机能, 影响动物免疫器官发育。补充谷氨酰胺可以显著提高 周龄肉仔鸡补体 和免疫球蛋白 ( ) 水平; 周龄肉仔
15、鸡胸腺、 脾脏指数; 血清中免疫球蛋白 ( ) 、 免疫球蛋白 ( ) 和胸腺、 法氏囊中白介素 ( ) 、 白介素 ( ) 的水平 ,并且能够显著提高免疫应激仔猪的免疫器官指数 。饲粮中添加 、 谷氨酰胺能加快肉仔鸡胸腺和脾脏发育, 延缓法氏囊退化; 谷氨酰胺可促进肉仔鸡外周血 淋巴细胞的分裂增殖 。抗菌肽可在动物免疫中发挥重要作用, 而断奶仔猪饲粮中补充谷氨酰胺能够显著促使骨髓、 空肠黏膜中抗菌肽 的表达 。 提高动物采食量及产品品质谷氨酰胺能够调节动物体蛋白质代谢, 饲粮中合理补充谷氨酰胺可以提高动物采食量, 促进动物生长, 提高饲料利用效率, 改善动物产品品质。肉仔鸡饲粮中添加 的谷氨
16、酰胺能够显著提高日采食量和日增重 , 添加 、 的谷氨酰胺显著提高了半净膛率, 种添加量的谷氨酰胺均使得皮脂厚和肌间脂肪含量有所降低 。用 分 别 含 ( 对 照 组) 、 、 和 的饲粮饲喂黄羽肉鸡的试验表明, 随着饲粮谷氨酰胺添加水平的提高, 和 的料重比线性降低, 谷氨酰胺组的料重比显著低于对照组 。饲粮中补充 的谷氨酰胺能够提高断奶仔猪生长速度和存活率而且能够提高泌乳母猪乳产量 , 并且有提高乳蛋白、 乳脂肪、 乳糖、 非脂固形物含量的趋势 。 亮氨酸 亮氨酸的代谢途径亮氨酸属支链氨基酸中的一种, 也是动物必须从饲粮中摄取的必需氨基酸, 它在糖代谢、 蛋白质的合成和分解, 免疫调节等生
17、理生化过程中均发挥重要作用。机体内大部分氨基酸主要在肝脏代谢, 但支链氨基酸主要在肌肉中分解代谢, 因为肝脏中不存在支链氨基酸转氨酶。由于结构上的相似性, 亮氨酸的代谢产物 酮异己酸和 羟基 甲基丁酸都可调节营养物质代谢( 图 ) 。图 亮氨酸的主要代谢途径 亮氨酸的营养调控功能 调节营养物质代谢亮氨酸通过促进胰岛素和胰高血糖素样肽 ( ) 分泌来降低机体血糖 。亮氨酸可依赖于 信号通路或不依赖 信号通路以及刺 激 某 些 激 素 的 分 泌 来 促 进 蛋 白 质 的 合成 , 可通过调节泛素蛋白酶体途径以及溶酶体介导的自噬途径抑制蛋白质分解 , 但亮氨酸促进蛋白质合成的作用可能具有组织特异
18、性, 因为研究发现提高血液中亮氨酸含量可以促进骨骼肌、 心肌蛋白质合成 , 但不能促进肾脏、 脂肪组织蛋白质合成 , 不过也有报道表明在低蛋白基础饲粮中添加亮氨酸可以显著提高断奶仔猪小肠、 心脏、 肾脏、 肝脏、 胰脏、 脾脏和胃的蛋白质合成速率 。以前, 关于亮氨酸调控蛋白质合成研究最多的是骨骼肌, 除了人类和鼠类上的研究, 近年来国内已有在反刍动物上的报道, 发现饲粮中每日添加 过瘤胃保护性亮氨酸可以促进绵羊骨骼肌 信号通路中 和 的磷酸化 , 进而促进骨骼肌蛋白质合成, 此外, 亮氨酸代谢产物 酮异己酸也能显著促进绵羊股二头肌、 背最长肌的合成 。亮氨酸及其代谢产物可影响绒山羊产绒性能,
19、 如不同水平亮氨酸或 羟基 甲基丁酸有提高绒山羊的绒长、 绒期王洪荣等: 氨基酸的生物活性及其营养调控功能的研究进展厚、 净绒率的趋势 。 调节泌乳功能进入乳腺的亮氨酸的量总是大于乳中亮氨酸的含量 , 这一迹象表明在乳腺中, 一部分亮氨酸参与乳蛋白合成; 另一部分亮氨酸参与调节了其他物质的合成或发生了氧化代谢。随着奶牛体内可代谢蛋白质的增加, 亮氨酸氧化率显著提高 。亮氨酸在乳腺内的代谢与其他组织相同,为非必需氨基酸的合成提供碳源和 氨基氮源 , 具体代谢过程如下: 亮氨酸在支链酮酸氨基转移酶( ) 的作用下转化为 酮异己酸, 酮异己酸在脱氢酶的作用下氧化脱羧生成异戊酰 , 异戊酰 进一步转化
20、为 羟基 甲基丁酸 , 接着它被 种不同的脱氢酶氧化后, 形成乙酰 和乙酰乙酸。哺乳动物体内的 分为 种类型: 线粒体型( ) 和胞质型( ) , 等 在小鼠乳腺中发现了 , 而且在泌乳期, 大鼠乳腺内 的基因表达、 蛋白质合成及其活性至少要非泌乳期高 倍。此外, 研究表明只有处于泌乳期的大鼠乳腺上皮细胞才表达 基因, 而且 的活性与产奶量相关 。体外培养基中去除亮氨酸可显著降低奶牛乳腺上皮细胞 乳球蛋白的合成, 以及 下游靶标 和 的磷酸化水平, 表明亮氨酸具有影响乳蛋白合成与调节乳蛋白合成信号通路的双重作用 , 也有报道表明提高亮氨酸循环水平有利于泌乳 。 其他功能亮氨酸具有调节激素分泌、
21、 酶活性、 免疫的作用, 例如, 它可以通过促进瘦素的合成与分泌来调节动物的饱腹感 。亮氨酸及其代谢产物 羟基 甲基丁酸可通过提高血清中 、 的含量, 降低血清中可溶性 和 的含量来增强机体特异性免疫机能 。亮氨酸可独立于胰岛素直接长期调控胰腺 淀粉酶的分泌 。 色氨酸 色氨酸的代谢途径色氨酸属于芳香族氨基酸, 是一种兼性生糖生酮氨基酸, 也是单胃动物和幼龄反刍动物的必需氨基酸。越来越多的研究证实了色氨酸及其代谢产物对动物的采食量、 繁殖、 免疫、 神经功能、 抗氧化、 营养代谢等方面均产生调节作用 。色氨酸是 羟色胺、 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( ) 、烟酸、 褪黑激素等重要物质的前体物, 其中
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- 氨基酸 生物 活性 及其 营养 调控 功能 研究进展
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