功能性氨基酸营养研究进展课件

功能性氨基酸营养研究进展 中国科学院动物营养代谢过程与 生理调控重点试验室 印遇龙 报告提纲报告提纲 1.功能性氨基酸的概念 2.功能性氨基酸与胎儿/新生动物生长 3.功能性氨基酸与细胞内蛋白质周转 4.功能性氨基酸与营养物质代谢 5.功能性氨基酸与肠道功能 6.功能性氨基酸与免疫功能 7.功能性氨基酸今后研究方向展望 营养不良和感染是世界范围上动物成活、健 康、生长和繁殖后代的主要威胁。 蛋白质摄入缺乏仍是目前动物生产面临的一 个严重的营养问题。 蛋白质营养不良增加了动物对疾病的易感性 以及感染性疾病的发生率和死亡率。 最近的生化研究结果表明，某些氨基酸在调 节代谢和生理过程中具有多种独特的功能， 从而影响动物健康和生产 功能性氨基酸概念的提出 功能性氨基酸的概念 功能AA是指除了合成蛋白质外还具有其它特殊功能 的AA，其不仅对动物的正常生长和维持是必需的， 而且对多种生物活性物质的合成也是必需的。 种类包括：精氨酸、谷氨酸/酰胺、支链氨基酸、色 氨酸、甘氨酸、天冬氨酸/酰胺、鸟氨酸、瓜氨酸、 脯氨酸、组氨酸、含硫氨基酸和牛磺酸等。 特殊功能包括：调节胎儿和新生动物发育、细胞内 蛋白质周转 、营养代谢、肠道功能和免疫功能。 合成的生物活性物质包括：NO、多胺、谷胱甘肽、 核酸、激素和神经递质等(Kim et al.,2007. Asian-Aust. J. Anim. Sci.Vol. 20, No. 2 : 295 306;Li et al,2007 British Journal of Nutrition 98:237-252) 功能性氨基酸与胎儿/新生动物生长 亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸对妊娠期胚胎、胎盘 和胎儿的发育具有重要作用 以精氨酸为主的代谢途径在孕体生长发育过程中 至关重要，这些营养物质可通过调节细胞内蛋 白质周转和细胞增殖对胚胎发生、血管生成、 胚胎着床、胎盘生长和发育、血流量和胎儿生 长发挥重要作用 在初产母猪日粮中添加1%Arg增加其产仔率 0 100 200 300 400 500 30456090110 母体 mmol/L 在妊娠期不同阶段母体和胎儿血液中各氨基酸的浓度 Wu, Bazer, Tuo (1995) J Nutr 125:2859-2868 0 400 800 1200 1600 30456090110 mmol/L 胚胎 Arginine Leucine Ornithine Glutamine 妊娠期 Arginine Leucine Ornithine Glutamine 妊娠期 妊娠期在日粮中添加精氨酸对大鼠繁殖性能的影响 对对照组组精氨酸添加组组 试验试验 1 (n=12；整个妊娠期添加) 母体采食量(g/kg BW d) 71.0 2.371.2 1.9 母体总总增重(g/21d)78.5 6.685.0 6.4 窝窝仔数 (n) 11.3 0.614.5 0.6* 活仔数 (n/窝窝)11.3 0.614.5 0.6* 初生窝窝重 (g)72.8 5.597.5 6.4* 试验试验 2 (n=20；妊娠17d添加) 母体采食量(g/kg BW d) 71.1 2.271.3 2.7 母体总总增重(g/21d)68.0 3.975.3 3.6 窝窝仔数 (n) 11.4 0.414.7 0.3* 活仔数 (n/窝窝)11.3 0.414.7 0.3* 初生窝窝重 (g)75.2 4.092.4 2.7* 添加1的Arg提 高胚胎成活率， 从而提高窝仔数 30。这对预防 妊娠早期胚胎丢 失，提高哺乳动 物繁殖性能具有 重要的启示作用 (Zeng et al, 2008. J Nutr, 138: 1421-1425)。 0 50 100 150 200 250 d 1 d 3 d 7 d 14 d 21 Plasma concentration (mmol/L) ArginineCitrullineOrnithine a a a a aa b b b c c c c c c 哺乳仔猪血浆氨基酸浓度随年龄的变化 Flynn NE et al. (2000) J Anim Sci 78:2369-2375. Means SEM, n=20 a-c: p0.01. 0 0.4 0.8 1.2 Sows MilkPiglet Body 母乳中精氨酸/赖氨酸值和仔猪重(d7) Arginine/Lysine Ratio Wu G and Knabe DA (1994) J Nutr 124:415-424. Wu G et al. (1999) J Nutr 129:1031-1038. Means SEM, n=10 日增重 (g/d) 精氨酸供给量（%） 0 20 40 60 80 100 血氨 (mmol/L) 精氨酸供给量（%） 0 %0.2 %0.4 % Arg喂养的仔猪（d7-d21）的生长及血氨水平 Pooled SEM = 13 mmol/L. a b c 0 %0.2 %0.4 % a-c:P 0.05 Kim et al.,2004. J Nutr 134:625-630. 0 100 200 300 a b c Pooled SEM = 13 g/d. 氨基酸是肠道生长发育的重要营养支持，谷氨酰胺、 精氨酸和半胱胺酸等能氧化供能，促进细胞增殖和 粘膜发育；合成NO和多胺，增强肠道免疫屏障，对 维护肠道正常形态结构和生理功能有重要作用。 谷胺酰胺是猪肠道上皮细胞的一种主要能量底物，是 合成嘌呤和嘧啶核苷酸的一种必需前体物，被认为 可维护猪肠道屏障的完整性和功能。 在日粮中添加1的谷胺酰胺能防治发生在断奶后7天 内的空肠萎缩症，并降低断奶后第2周的料重比。 Wang et al. 2008. Amino Acid. DOI 10.1007/s00726-008-0152- 功能性氨基酸与肠道功能 精氨酸在体内能合成NO，促进多胺、胍氨酸、鸟 氨酸、-酮戊二酸等肠粘膜滋养因子合成，恢复 肠粘膜结构完整性；促进下丘脑释放生长激素， 减少肠粘膜萎缩，加速受损肠粘膜的修复，维持 肠粘膜的结构和功能，增强机体免疫力。 Zhan等（2008）研究发现早期断奶仔猪补充0.7% 的精氨酸能提高小肠血管生长因子基因表达水平 ，改善肠道微血管循环，促进营养物质吸收。 功能性氨基酸与肠道功能 Arg on morphology in the small intestine of early-weaned pigs (Zhan et al.,2008. J. Nut) Arg villus height and crypt depth of weaned pigs after Escherichia coli lipopolysaccharide (LPS) challenge (Liu et al. 2008.Bri. J Nut. 100, 552560) 早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛（H.E, 1010） A：对照组空肠；B：0.6%精氨酸空肠；C：对照组回肠 D： 0.6%精氨酸回肠 (Tan et al.,2008. Amino Acids. DOI: 10.1007/s00726-008-0148-0) A B CD Arg on immunoreactive expression of CD34 (Zhan et al.,2008. J. Nutr. 138: 13041309) Arg increasing vascular endothelial growth factor (Zhan et al.,2008. J. Nutr. 138: 13041309 日龄 精氨酸添加量（） 00.20.40.60.8 7-14 9b93ab108ab143a142a 14-21 15b170b186ab214a213a 7-21128b132b140ab182a182a 代乳料中添加不同浓度精氨酸对7日龄断奶仔猪平均日 增重的影响（Yao et al., J. Nutr. 138: 867872) 注：同行数据标不同字母表示差异显著（P0.05）。 与对照组比较，在代乳料中添加0.60.8%的精氨酸饲喂14d， 平均日增重提高42 上述数据均表明，精氨酸缺乏是限制新生仔猪发挥最大生长潜 力的一个主要因素 Arg increasing nitric oxide (A) and endothelin- 1(B) concentration (Zhan et al.,2008. J. Nutr. 138: 13041309) 细胞内持续的蛋白质合成和降解统称为细胞内蛋白质周转 ，这决定着细胞和组织内的蛋白质平衡及氨基酸的净释 放量 支链氨基酸、精氨酸和色氨酸等对蛋白质合成有重要作用 ，既是蛋白质合成的底物，又是合成过程的调节物，介 导细胞内信号转导通路的调节 氨基酸作为一种营养信号通过调控mTOR，激活蛋白质翻 译起始过程，从而影响蛋白质合成 蛋白质合成和降解信号同时存在，组织蛋白质降解主要通 过细胞酶体和非溶酶体两条途径进行。动物蛋白质降解 也受某些氨基酸的影响 功能性氨基酸与细胞内蛋白质周转 器官日粮亮氨酸水平（） 1.881.611.34 心脏36.6a27.7b30.8b 小肠后段73.2a70.5ab59.1b 小肠前段66.0b74.2a60.9b 肾66.2a57.0b45.1c 肝脏86.5a74.4b75.5b 胰74.6a64.0b53.6c 脾73.3a56.8b57.0b 胃72.7a53.8b57.7b 亮氨酸水平对组织器官蛋白合成速率的影响 亮氨酸可显著提高28日龄断奶仔猪心脏、小肠后段、肾、肝 脏、胰、脾和胃中的蛋白质合成速率 (Yin. 2008.FASEB J ) 亮氨酸水平对肌肉(A)和肝脏(B)磷酸化4E-BP1含量的影响 亮氨酸可提高肌肉和肝脏中4E-BP1磷酸化的含量，1.88和 1.61%亮氨酸组肌肉中4E-BP1磷酸化含量比1.34%组分别提高 29、19%，肝脏中则分别提高19、4%。提示亮氨酸在低蛋白 日粮中可以提高断奶仔猪的蛋白质合成，通过调控蛋白起始翻 译因子促进器官蛋白的起始翻译 (Yin. FASEB J. 2008 2:877.12 )。 亮氨酸 高亮氨酸提高肌肉和肝脏磷酸化rpS6含量 Yin et al. FASEB J. 2008 22:877.12 亮氨酸 亮氨酸水平对肌肉和肝脏总mTOR含量的影响 日粮添加0.6精氨酸7 d后对肌肉和肝脏中mTOR磷酸化的影响 7日龄断奶仔猪补充0.6%精氨酸，肌肉中mTOR磷酸化水平显 著提高，提示精氨酸可能通过调控蛋白起始翻译因子促进器官 蛋白的起始翻译，提高动物机体的蛋白质合成 (Yao et al., J. Nutr. 138: 867872) 早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛 0.6Arg提高肌肉eIF4G与 eIF4E复合物的活性 精氨酸 0.6Arg提高肌肉和肝脏中 4E-BP磷酸化活性 Yao et al., J. Nutr. 138: 867872) 0.6Arg提高肌肉和肝脏 中S6K1磷酸化活性 0.6Arg提高肌肉和肝脏 mTOR磷酸化活性 精氨酸 Yao et al., J. Nutr. 138: 867872) 蛋白质合成率 (10-3 nmol Phe/ug蛋白/3h) 细胞培养液中精氨酸的添加浓度 精氨酸对猪胚胎滋养外胚层细胞蛋白质合成率的影响 用不同浓度的精氨酸处理体外培养的猪胚胎滋养外胚层细胞 4d，能剂量依赖性地增加其蛋白质合成率（Kong et al， 2008） c b a Arg on intestinal mucosal protein and DNA after Escherichia coli lipopolysaccharide challenge (Liu et al. 2008.Bri. J Nut. 100, 552560) 亮氨酸和精氨酸通过调节翻译起始因子，激活肝脏和 肌肉中mTOR信号通路，促进蛋白合成 精氨酸是N-乙酰谷氨酸合成酶的变构激活因子， 因此精氨酸和谷氨酸使尿素循环维持在活跃状态 。 丙氨酸可抑制丙酮酸激酶，从而调节糖异生和糖 酵解过程，以确保食物缺乏时肝净产生葡萄糖。 天冬氨酸和谷氨酸可介导还原当量通过线粒体膜 ，从而调节细胞的糖酵解和氧化还原状态。 精氨酸和苯丙氨酸能上调GTP 环式水解酶-I的表 达和活性，从而增加用于精氨酸合成NO和芳香族 氨基酸羟基化作用的BH4的供给。 功能性氨基酸与营养物质代谢 精氨酸或其代谢产物可上调与线粒体生物合成和 底物氧化有关的关键蛋白质和酶的表达，从而减 少肥胖动物体脂的储积。 蛋氨酸、甘氨酸和丝氨酸在一碳基团代谢、蛋白 质和DNA甲基化过程中起着重要作用，从而调节 基因表达和蛋白质活性。 协调肝脏、骨骼肌、肠道和免疫细胞中的氨基酸 代谢，为肾脏中氨的生成提供最多的谷氨酰胺， 从而调节机体的酸碱平衡。 功能性氨基酸与营养物质代谢 精氨酸能促进PGC基因表达，调节能量代谢 利用代谢组学方法发现肥育猪日粮中添加精氨酸 能降低血清超低密度脂蛋白、脂质、甘油磷酸胆 碱、胆碱、柠檬酸、1-甲基组氨酸、糖蛋白、二 甲胺和三甲基氧化物，而增加血清中3-甲基组氨 酸、甜菜碱、甲胺、丙酮酸、琥珀酸和酮体的浓 度，进一步证明精氨酸在能量物质代谢中的重要 作用 精氨酸的添加增加了猪血清乙酰乙酸浓度而减少 了-羟基丁酸的浓度，表明肝脏的氧化能力增强 ，也提示精氨酸可增加脂肪酸的广泛氧化 功能性氨基酸与营养物质代谢 主要基于NMR和MS的代谢组学研究方法 核磁共振 质谱 精氨酸改变养改变养分代谢途径提高氨基酸利用率 He et al. 2008 Amino Acids (in press) 瘦肉率明显提高，脂肪率下降 精氨酸 改善肉品质 (Tan et al. 2008.Amino Acids. DOI: 10.1007/s00726-008-0148-0) 精氨酸与免疫功能 促进胰岛素、生长激素、泌乳素和IGF-1分泌，这些激素参 与了精氨酸对免疫功能的调节作用 通过生成多胺和NO等活性分子影响免疫功能 提供充足的精氨酸对淋巴细胞发育是必需的，日粮添加 Arg增强各种免疫应激模型的免疫功能 (Tan et al.,2008. Amino Acids. DOI: 10.1007/s00726-008-0148-0) Arg on intestinal IL-6,TNF-and PPAR mRNA abundance of weaned pigs after 6h Escherichia coli lipopolysaccharide (LPS) challenge (Liu et al. 2008.Bri. J Nut. 100, 552560) Arg00.2%0.4%0.6%0.8% IgG (mg/dL) 21日381b426a448a431a427a IgM (mg/dL) 14日3.90c7.83ab3.80bc10.5a13.2a IL-1 (ng/ml) 21日0.042b0.047b0.042a0.04b0.071b Arg增强免疫功能：IgG, IgM, IL-1 Tan et al.,2008. Amino Acids. DOI 10.1007/s00726-008-0155-1 Arg提高免疫细胞因子基因表达 ab abab b b b b ab a a 精氨酸 指标日粮中的精氨酸添加水平（） 00.20.40.60.8 IgG (mg/dL) Day 741414.24429.244015.646813.242811.7 Day 1438124.0b42711.0a4485.6a43110.4a4279.3a IgM (mg/dL) Day 73.90.20c5.10.39c4.60.54c10.50.67b13.20.68a Day 148.00.99c9.50.42bc12.91.79ab14.11.34a15.21.48a 日粮精氨酸水平对7日龄断奶仔猪血清免疫球蛋白浓度 的影响 在代乳料中添加不同水平的精氨酸，饲喂7日龄断奶，饲喂 14天后，血清中IgG和IgM的含量均不同程度地升高(Bie Tan, et al. Amino Acids. DOI 10.1007/s00726-008-0155- 1) a cc c b a bc bc b c 日粮精氨酸水平对7日龄断奶仔猪免疫器官指数的影响 在代乳料中添加不同水平的精氨酸，饲喂7日龄断奶，饲 喂7天后，0.2和0.8%精氨酸组脾脏指数显著升高，0.6% 精氨酸组胸腺指数显著升高(Bie Tan, et al. Amino Acids. DOI 10.1007/s00726-008-0155-1) 环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪的体液免疫功能 (Han et al.,2008. Amino Acids, DOI 10.1007/s00726-008-0184-9) 环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪抗炎相关细胞因子的水平 环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪的细胞免疫功能 环磷酰胺刺激下精氨酸改善了仔猪生长性能 N-氨基甲酰谷氨酸在仔猪上的应用效果 是尿素循环中鸟氨酸生成瓜氨酸的中间体N -乙酰谷氨酸(NAG)的类似物） 414日龄哺乳仔猪口服NCG，可提高血浆 精氨酸浓度68，阻止生后血浆精氨酸浓 度下降，体增重增加61 口服NCG可分别增加仔猪背最长肌和腓肠 肌中绝对蛋白合成30和21% NAG Net synthesis