NRC2011版5-蛋白质和氨基酸

1、5 蛋白质和氨基酸蛋白质和氨基酸是一类重要的生物大分子，在生物体结构和新陈代谢中起作重要作用。鱼虾自身不能全部合成氨基酸必须从食物获取。可以通过蛋白质转化或直接获取氨基酸混合物。François Magendie马让迪（17831855），在1817年出版的Précis élémentaire de physiologie一书中首次报道动物食物中含氮化合物的重要性。一个世纪后，在1914年，L.B.Mendel 和T.B.Osborne研究老鼠的蛋白质需要和对氨基酸的需求（Carpenter，2003）。20世界40年代早期，伊利诺斯州大学W.Rose的

2、研究发现了老鼠需要的10种必须氨基酸。饲料中去除10种必需氨基酸的任何一种都会导致生长鼠营养障碍，如体重下降、食欲减退、甚至死亡（Carpenter，2003）。第一次研究鱼类蛋白质和氨基酸的营养是在20世纪50年代末60年代初，Halver及其合作者研究大鳞大麻哈鱼（Oncorhynchus tshawytscha）蛋白质和氨基酸营养。自此开创性工作后，开展大量的涉及各种鱼和虾的研究，相关文献继续增加。 本章概述蛋白质和氨基酸的营养生物化学，讨论必需氨基酸的作用和基本原理、影响营养物质利用效率的因素。本章综述大量经济鱼虾氨基酸需要量发表的研究结果，并讨论了与定义及确定鱼虾必需氨基酸

3、需求量相关的方法学方法、策略和挑战。蛋白质和氨基酸：生物化学、作用和代谢概述蛋白质和氨基酸是有机化合物，是所有生物体的主要成分。氨基酸通过共价键链接一个氨基酸末端的-羧基和另一个氨基酸末端的-氨基（Brody，1999）。多个氨基酸连续链接形成肽链。两个氨基酸链接形成的低聚物叫二肽。由2-20个氨基酸残基链接在一起形成多肽。典型的蛋白质包含300个氨基酸。组成蛋白质的多肽链是直链，没有支链（Brody，1999）。氨基酸可通过各种连接形成多种多样的蛋白质。蛋白质通过氨基酸唯一序列被区分开，氨基酸序列被编码在生物体遗传物质中。氨基酸顺序是蛋白质的一级结构。肽链通过二硫键、氢键交联，范德华引力作用

4、形成蛋白质二级、三级和四级结构（Buxbaum，2007）。蛋白质有多种结构性和功能性作用。比如肌动蛋白和微管蛋白，维持生物组成成分的刚性和柔性（Buxbaum，2007）。胶原蛋白和弹性蛋白是链接组织如软骨的关键成分。其他蛋白质如肌球蛋白可通过收缩肌肉产生机械力（Buxbaum，2007）。许多蛋白质是酶类，催化生物化学反应，或作为转运者介导分子进出细胞。一些蛋白质在细胞信号传递、免疫反应、细胞粘附、功能的细胞周期等活动中发挥重要作用（Buxbaum，2007）。蛋白质是组成机体每一类型细胞如肌肉、骨骼、器官、肌腱、韧带的必需成分。机体组织在不断的形成和分解。在生长动物，蛋白质合成大于分解，

5、结果导致蛋白质沉积（Millward，1989）。蛋白质沉积是鱼体增重的决定性因素（Dumas et al.，2007）。体增重与蛋白质摄入量呈相关性（图5-1）是由蛋白与水分的相关性决定（图5-2），蛋白质的水合作用对其结构和功能非常重要，同时蛋白质帮助维持细胞内环境处于“凝胶状态”（Chaplin，2006）。相反，脂肪的沉积对增重的实质性贡献不大，因大部分存储于组织中的甘油三脂被水替代（Dumas et al.，2007）。然而，也有试验表明脂肪沉积导致鱼体重量增加，因不同种类、品系、生长阶段和营养史而存在差异。图5-1 虹鳟（Oncorhynchus mykiss)蛋白质质量和体重间的

6、关系（Dumas等，2007）图5-2 虹鳟（Oncorhynchus mykiss)鱼体水分质量与体蛋白质质量间的关系（Dumas等，2007）机体蛋白质沉积受特定的模板指挥，这些模板又遗传（基因、生命阶段）和后天的（环境、日粮）因素决定。生物有机体产生成千上万的蛋白质，每一种蛋白具有特定的结构和功能、独一无二的蛋白质顺序（Buxbaum，2007，Finn and Fyhn，2010）（表5-1）。不同组织包含不同蛋白质，同一种蛋白质存在于不同组织。例如，肌细胞中肌动蛋白占蛋白总量的20%，然而在其他细胞中仅占5-10%。不同体蛋白氨基酸组成差异也非常大，胶原蛋白赖氨酸含量含3%，而肌球蛋

7、白和原肌球蛋白赖氨酸含量超过14%（Pellett and Young，1984）。有趣的是，不同鱼种间体氨基酸组成差异非常小（Wilson and Cowey，1985；Kaushik，1998；Kaushik and Seiliez，2010）。鱼和虾全身氨基酸组成有一些差异，但总体来说差异很小（表5-2）。研究表明全鱼氨基酸组成受鱼大小的影响非常有限，至少在幼鱼阶段如此（Kaushik，1998；Portz and Cyrino，2003）。在一个大的体重范围内，不同体成分的比例和各部分包含的蛋白质相对恒定不变（Dumas et al，2007）。表5-1 不同动物体蛋白氨基酸组成蛋白质

8、赖氨酸（%）亮氨酸（%）蛋氨酸（%）苏氨酸（%）胶原蛋白3.02.80.81.8肌球蛋白14.610.83.35.4肌动蛋白7.08.24.27.7原肌球蛋白18.412.12.53.1弹性蛋白0.47.2痕量0.9资料来源：Pellett和Young(1984)。表5-2 各种鱼虾氨基酸组成（g/16g氮）氨基酸虹鳟（Oncorhynchus mykiss）大西洋鲑（salmo salar）斑点叉尾鮰（Ictalurus punctacus）大口黑鲈（Micropterus salmoides）欧洲海鲈（Dicentrarchus labrax）金头鲷（sparus auratus）大比目鱼

9、（Scophthamus maximus）凡纳滨对虾丙氨酸6.66.56.36.06.86.87.35.6精氨酸6.46.66.78.57.58.87.77.4天门冬氨酸9.99.99.711.89.59.410.38.8半胱氨酸0.81.00.90.81.01.01.10.8谷氨酸14.214.314.413.315.515.116.516.2甘氨酸7.87.48.17.88.17.99.79.0组氨酸3.03.02.22.12.62.72.52.5异亮氨酸4.34.44.34.04.34.34.33.6亮氨酸7.67.77.48.07.17.37.56.5赖氨酸8.59.38.58.17.

10、98.18.17.8蛋氨酸2.91.82.92.62.73.03.42.3苯丙氨酸4.44.44.14.04.34.74.53.6脯氨酸4.94.66.06.05.35.35.58.0丝氨酸4.74.64.94.24.54.55.23.6苏氨酸4.85.04.44.44.44.64.63.8色氨酸1.00.90.80.9N/AN/AN/AN/A酪氨酸3.43.53.32.83.94.04.17.5缬氨酸5.15.15.24.64.74.84.75.1注：N/A：无法使用，未报道。资料来源：Wilson和Cowey（1985），Kaushik（1998），Portz和Cyrino（2003），,

11、Alam（2004），Sara（2007）。氨基酸包含氨基和羧基，分子式H2NCHRCOOH，R基团是侧链。L-氨基酸是最丰富且代谢最重要的氨基酸形式，L-氨基酸的氨基和羧基链接在同一个-碳原子上(Brody,1999)，R-基团即通常说的侧链，连接在-碳原子上，各种-氨基酸的区别就在于侧链R-基的不同。R基团的性质和大小各异，如甘氨酸的R基是氢原子，丙氨酸是甲基，色氨酸是大的杂环化合物。R基团结构不同导致氨基酸的特性不同，包括分子量、构型、电荷及其他特征。氨基酸有D型和L型同分异构体，可单独构型也可是两种同分异构体的混合物。自然界中存在的氨基酸通常是L-型，具有生物活性形式，但也有个别例外。

12、无脊椎动物和细菌可合成的特定分子中发现少量的D-型。热处理引起外消旋作用，因此热处理材料中包含D型。化学合成氨基酸产品是D-型和L-型同分异构体的外消旋混合物。氨基酸通常表示为三个字母或一个字母（表5-3）（IUPAC-IUB-JCBN,1984； Buxbaum，2007）。三字母缩写通常用于动物营养学，单字母缩写多用于分子生物学和生物信息学。分子遗传学与营养学的集合，以及分子生物学、分子信息学在营养学研究中的应用越来越多，在不久的将来，单字母缩写将越来越多的出现在动物营养学的研究文献中。细胞合成蛋白质需要20种主要的氨基酸（表5-3），蛋白质中除主要氨基酸之外，有大量通过翻译后修饰形成的其

13、他氨基酸。这种修饰作用对蛋白质发挥其功能是必须的。例如，谷氨酸盐羧化作用有利于钙离子更好连接，脯氨酸羟基化对维护结缔组织至关重要。表5-3必需氨基酸和非必需氨基酸必需氨基酸缩写精氨酸ArgR组氨酸HisH异亮氨酸IleI亮氨酸LeuL赖氨酸LysK蛋氨酸MetM苯丙氨酸PheF苏氨酸ThrT色氨酸TrpW缬氨酸ValV非必需氨基酸丙氨酸AlaA天门冬酰胺AsnN天门冬氨酸AspD半胱氨酸CysC甘氨酸GlyG谷氨酸GluE谷氨酰胺GlnQ脯氨酸ProP丝氨酸SerS酪氨酸TyrY除作为蛋白质的骨架外，氨基酸在代谢中起着各种各样的作用。氨基酸在其他生物分子中的作用非常关键，如辅酶的形成，生物合成

14、结构分子（如亚铁血红素、嘌呤碱基）的前体物，代谢中间体（如酯和丙酮酸），神经递质，激素，生物胺及机体在应激反应时非常重要的分子（如5-羟色胺，伽玛氨基丁酸，三聚氰胺，一氧化氮和组胺）。然而，相对于用于机体蛋白质合成和分解代谢的氨基酸而言，转化为上述特定成分的氨基酸量非常少（Cowey and Walton，1989；Moughan，1999）。绝大多数微生物和植物能自身合成20种主要氨基酸，动物必须从食物中获取一些氨基酸。生物体不能合成或合成的量不能满足需要的氨基酸称为必需氨基酸（EAAs）（表5-3）。相反，能够由前体物合成的氨基酸称为非必需氨基酸（NEAAs），例如添加一个氨基到三羧酸循环

15、的中间产物，如-酮戊二酸或草酰乙酸（Cowey and Walton，1989；Zubay，1993）。Wilson（1989）采用喂养试验研究了鱼虾各种氨基酸必需性，通过去除饲料中的各种氨基酸或同位素标记法。在同位素标记法研究中，一种放射性底物（如14C标记的葡萄糖）被注入，放射性同位素标签被并入动物能够合成的氨基酸中。所有不含14C的氨基酸被认为是必需氨基酸（Coloso and Cruz，1980；Kanazawa and Teshima，1981）。区分必需氨基酸和非必需氨基酸也可通过试验，即日粮中移出单个氨基酸后分析对生长的影响（Wilson，1989；Cowey，1994）。必需氨

16、基酸移出后显著降低动物生长性能，因动物可以合成非必需氨基酸，因此非必需氨基酸移出后对生长没有影响。Nose等（1974）采用这种方法测试了鲤鱼对18种氨基酸的必需性，4周后，有10种氨基酸移出显著降低鲤鱼生长。表5-2列出了鱼虾的10种必需氨基酸，也是多数其他动物需要的氨基酸（Ketola，1982；Wilson，1989；NRC，1993）。10种必需氨基酸是精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸。酪氨酸可通过苯丙氨酸合成、胱氨酸可由蛋氨酸合成。因此这两种氨基酸称为半必需氨基酸或条件性必需氨基酸。半必需氨基酸经常包含在需要量的估算中（如总含硫氨基酸

17、需要）。有证据表明一些氨基酸或相关化合物，如牛磺酸对某些品种或某一特定品种的某一特定生长阶段是必需的，尤其是海水鱼类幼体阶段。与10种必需氨基酸一样，鱼对氨基有非特异性需要用于合成非必需氨基酸（也就是非特异性氮）。除了酪氨酸，多数非必需氨基酸，可由丙酮酸、草酰乙酸、-酮戊二酸、3-磷酸甘油酸中的任一种通过简单途径合成（Zubay，1993）。丙氨酸、天门冬酰胺、天门冬氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺由其前体物如丙酮酸、草酰乙酸和-酮戊二酸通过一步或两步分子内氨化反应合成。半胱氨酸和甘氨酸由丝氨酸衍生，丝氨酸由3-磷酸甘油酸依次合成。氨基酸利用动力学概述摄食的蛋白质在胃肠道中消化酶的作用下分解成游离氨基酸

18、、二肽或三肽，通过黏膜细胞吸收，小肽在黏膜细胞内消化，最后以氨基酸的形式进入门静脉（Murai et al.,1987）。McLean等（1999）研究表明少量特定完整蛋白可以通过胃肠道壁直接吸收,数量不多但这种方式是非常重要的生理学机制，可能通过抗原取样调节免疫系统。消化摄食蛋白的氨基酸（外源）和机体蛋白分解的氨基酸（内源）进入游离氨基酸池，也叫代谢池（Cowey and Walton,1989；Kaushik and Seiliez,2010）。代谢池中的氨基酸用于合成体蛋白或作为其他物质的前体。氨基酸的利用是有机体代谢需要的功能，动物吸收其他营养物质以满足需要。氨基酸的代谢复杂，且细胞内

19、和细胞间不断变化结合（Wilson and Cowey，1985；Cowey and Walton，1989；Kaushik and Seiliez,2010）。很多因子，如营养物质通过细胞膜、血流速率、器官摄取、与不同生化途径相关的酶活率，这些因子相互作用控制氨基酸的代谢，这些因子又受复杂而又敏感的激素和神经系统影响。引起氨基酸氧化的因素很多，最常见的氨基酸的供给和合成蛋白需要的氨基酸之间的不平衡（Weijs，1993）。氨基酸分解代谢的主要终产物是氨、二氧化碳和碳酸氢盐。氨毒性很大，为了避免中毒，高等脊椎动物将氨转化成尿素从尿排出。鱼和甲壳动物有非常高效的转移途径，即通过鳃排氨，将氨转化成

20、尿素也不耗费能量（Cowey and Walton，1989）。大多数鱼虾含氮废物的80%以氨的形式排出（Kaushik and Cowey,1991，Mambrin and Guillaume,1999）。鳃是主要的排泄器官，超过75-90%总氮通过鳃排泄（Cowey and Walton，1989；Kaushik and Cowey,1991）。氨基酸的分解分两步，第一步是脱氨基反应，脱去氨基，氨基转化成氨或转化成谷氨酸中的氨基（Cowey and Walton，1989；Zubay，1993）。第二步是碳架转化（脱氨基反应产生的-酮酸）为三羧酸循环中间物（Cowey and Walton

21、，1989；Zubay，1993）。酮酸可用于合成脂肪和葡萄糖，也可进入三羧酸循环氧化供能（Cowey and Walton，1989）。不同氨基酸碳架不同，代谢产物进入三羧酸循环的途径有多种，可根据进入三羧酸循环的中间物进行分类（Cowey and Walton，1989）。氨基酸按此分为三类：生糖氨基酸、生酮氨基酸、既生糖又生酮氨基酸。生糖氨基酸生成丙酮酸酯或三羧酸循环中间体，如-酮戊二酸或草酰乙酸，这些都是糖异生的前体物（Guillaume等，1989）。除赖氨酸和亮氨酸外的氨基酸都可参与糖异生（Cowey and Walton，1989）。赖氨酸和亮氨酸仅参与生酮作用，生成乙酰辅酶A或

22、乙酰乙酰辅酶A，尽管两者都用于合成酮体，但都不参与生糖作用。这种路径最后一步与脂肪酸的-氧化类似（Cowey and Walton，1989）。异亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和酪氨酸即可生成葡萄糖和脂肪酸前体物，因此是生糖和生酮氨基酸（Cowey and Walton，1989）。与哺乳动物相比，无脊椎动物和低等脊椎动物包括硬骨鱼类有能力利用D-型氨基酸（Cowey and Walton，1989；Deng等2010）。特定的D-型氨基酸转氨酶（D-AAO）可催化D-氨基酸脱氨基酸生成-酮酸，依次生成L型氨基酸（Deng等2010）。消旋酶和差相变构酶使D-型转化为外消旋混合物。无脊椎动物

23、和鱼类投喂D-型氨基酸时，这种酶促反应过程在其组织中非常活跃（Deng等2010）。氨基酸的利用受日粮成分、供给氨基酸的化学形式和许多生物学因子的影响（包括品种和生长阶段）。鉴于该问题的复杂性，与氨基酸用于体蛋白沉积的效率相关的主要生物学过程常用析因法描述。析因模型广泛应用于畜禽营养研究已约40年（DMello,2003；Moughan,2003）。在最常用的框架中，必需氨基酸的利用表述为体蛋白沉积、维持需要、必需的分解代谢、选择性分解功能、摄入量超过需求相关的分解代谢（Moughan,2003）。虽然这种类型的框架用于预测鱼类氨基酸的需要有一些局限性（综述Bureau and Encarna

24、cao,2006），但也有采用（如：Hauler and Carter,2001b；Bodin等2008），这种类型的框架提供了一种简单的描氨基酸分解代谢和（或）蓄积的一些决定性因素。氨基酸作为体蛋白沉积文献资料显示大多数鱼和虾，摄食高品质饲料时，沉积为体蛋白的氨基酸占总摄入量的25-55%。因此，沉积的蛋白质是鱼虾氨基酸利用和需要的决定性因素（Cowey and Walton，1989）。因为体增重和体蛋白沉积间存在非常紧密的关联（Shearer,1994；Dumas等2007），体增重与氨基酸的绝对需要量（g/每尾鱼每天）也存在非常紧密的关系。用于蛋白质沉积的必需氨基酸需要与体组织蛋白氨基

25、酸一致（Kaushik and Seiliez,2010）。氨基酸维持需要维持氨基酸需要指维持动物蛋白质池平衡的日粮氨基酸需要量。维持氨基酸需要包括一定数量的肠道内源氮、粘液和其他分泌物损失。氨基酸也是必需的，作为各种各样代谢物的前体、神经递质、激素、辅助因子等等。某个氨基酸的维持需要在总需要量（维持+生长）中占相当大的比例，因为除蛋白质合成或内源损失外还包括了多种其他代谢反应（Rodehutscord等，1997；Nichols and Bertolo,2008）。氨基酸的维持需要的评价通常采用直线回归。饲喂多个蛋白质和氨基酸水平的日粮，监测蛋白质（N）增加量（Rodehutscord等，1

26、997；Richard等，2010）。当摄入的氨基酸无净蛋白增加时被认为是动物的维持氨基酸需要。Rodehutscord等（1997）评价了虹鳟（体重50g）的必需氨基酸维持需要（in mg per kg0.75per day）：赖氨酸4；色氨酸2；组氨酸2；缬氨酸5；亮氨酸16和异亮氨酸2。Bodlin等（2009）评估的虹鳟维持赖氨酸需要（24mg per kg0.75per day），比Rodehutscord评估结果高。Rollin等（2006）和Abboudi等（2007）评估了1-2g大西洋鲑鱼苗每公斤代谢体重每天苏氨酸维持需要量为5-7mg。Richard等（2010）评估了体重

27、2g的斑节对虾维持赖氨酸和蛋氨酸需要量大约为40mg和20mg每公斤代谢体重每天。研究表明，维持需要的氨基酸模式完全不同于组织蛋白质氨基酸组成（Rodehutscord等，1997）。不同品种间也不同。已有研究结果表明，虹鳟和大菱鲆内源氨基酸损失无论在氨基酸种类还是数量上都存在很大差异（Fournier等2003；Kaushik和Seiliez,2010）。维持需要的评估应该持一定程度的怀疑。通过回归分析得到的维持估计值的置信区间通过没有提供，但范围非常宽。在摄食必需氨基酸严重缺乏的饲粮时，沉积蛋白质的氨基酸组成也可以是变化的，表明仅以氮保留率来评价某个氨基酸维持需要可能略显不足（Encarn

28、acao等，2004）。此外，当日粮极度缺乏某种氨基酸，会影响某些必需氨基酸的代谢（Encarnacao等，2004，2006）。最终，与饲喂营养均衡日粮的鱼相比，饲喂某种必需氨基酸及缺乏的日粮的鱼在营养组成上有显著差异。这就使得 “维持需要”对快速生长动物一直受到质疑（Baldwin and Bywater,1984；Bureau等，2002）。总体上，饲养鱼和虾的维持氨基酸需要代表了总氨基酸需要量的一小部分(通常520%)（Rodehutscord等，1997；Abboudi等，2007,2009；Richard等，2010）。维持需要占总氨基酸需要的相对比例，生长缓慢的动物比生长迅速的动

29、物可能更大。不可避免的氨基酸分解代谢不可避免的代谢指氨基酸通过主动分解代谢途径降解，当用于蛋白质合成的能量供应不受限制时仍然发生（Moughan,1995）。这种降解似乎是代谢系统中不能完全灭活的细胞的必然结果。因此，一部分被吸收的氨基酸被降解，即使这种氨基酸的摄入量低于最大蛋白沉积的需要量（Moughan,1995；deLange等，2001）。当氨基酸摄入低于最大蛋白质沉积（PDmax）的需要量时，氨基酸分解代谢将影响氨基酸用于沉积蛋白的边际效率。当氨基酸摄入量为最大蛋白沉积（PDmax）需要量70-100%时，若以可利用氨基酸摄入量的分数表示，不可避免的氨基酸分解代谢率被认为是常量(de

30、Lange等，2001;Moehn等，2004)。然而，Gahl等（1995）指出，当限制性必需氨基酸摄入量超过维持需要时，氨基酸利用效率下降（收益递减）。比较必需氨基酸利用效率一些研究结果发现，每个必需氨基酸的利用率都不同（Fuller,1994；Adeola,1995；Gahl等，1996）。综合分析不同研究结果，Hauler和Carter(2001b)发现赖氨酸用于沉积的量（赖氨酸沉积量/赖氨酸摄入量）是恒定的，尽管日粮赖氨酸浓度不同和鱼摄入量不同。基于此结果，Haule和Carter(2001b)提出了在不同日粮或不同生长阶段日粮中即便摄入的赖氨酸在临界值，赖氨酸的利用仍然是常量的建议

31、。Rodehustcord等（2000），Hauler和Carter(2001a), Encarnacao等(2004，2006）,Bodin等（2009）报道，虹鳟和大西洋鲑赖氨酸沉积的最大边际效率分别为71%和78%。这些结果表明，在这些鱼上不可避免的分解代谢约占用于维持可消化赖氨酸的20-30%。大西洋鲑上研究表明，不同日粮组成或不同生长阶段，赖氨酸摄入临界值时，赖氨酸利用效率也相对恒定（Hauler和Carter(2001b)）。其他氨基酸或其他鱼类上普遍缺乏详细数据。然而，从已有研究结果看，事实上氨基酸中不可避免的氨基酸分解代谢可以近似认为占用于维持需要可消化氨基酸的40%。然而，E

32、ncarnacao等(2004，2006）和Encarnacao(2005）研究结果表明，临界水平的赖氨酸摄入条件下，赖氨酸用于蛋白沉积的效率并非恒定，受日粮赖氨酸浓度的影响，也受脂肪来源的消化能的影响，但不受其他营养素如氨基酸（非必需氨基酸混合物，亮氨酸）供能的影响。图5-3举例说明日粮消化能对虹鳟赖氨酸利用效率的影响（Encarnacao，2004）。也有研究结果表明，日粮氨基酸来源（蛋白结合态VS.游离氨基酸）（Tanti and March,1995，Zarate和Lovell,1997；Williams等2001；EI Haroun和Bureau,2006）和饲料成分（Nang Th

33、u等，2007）也影响必需氨基酸沉积为蛋白质的效率。关于陆生动物（Moughan,2003）和鱼类（Bureau and Encarnacao,2006）不可避免的氨基酸代谢比例及其影响因素仍然存在相当大的争议。与其他非反刍动物相比，鱼类不可避免的必需氨基酸代谢似乎更“灵活”，“不可避免的”和“优先”代谢二者间的区分并不严格（Bureau and Encarnacao,2006）。图5-3 日粮赖氨酸和可消化能（3.82vs.4.78McalDE或16或20MJDE/kg）对虹鳟（Oncorhynchus mykiss）赖氨酸利用效率的影响优先代谢优先代谢指当日粮能量摄入限制蛋白沉积，氨基酸代

34、谢用于供能，意味着动物将用于蛋白合成的必需氨基酸分解代谢以满足特定的代谢需要（Moughan,2003）。优先代谢和不可避免的代谢的区别由代谢能（ME）摄入量和蛋白质沉积（PD）间的斜率关系所决定（Mohn和de Lange,1998）。鱼类上由于氨基酸提供相当大一部分的总能（ATP）需要（Ronnestad等1999，2003；Finn等2002；Kaushik和Seiliez,2010）,不可避免代谢和优先代谢难以区分。在代谢能和净能摄入足够情况下（Encarnacao,2006），与不可避免的氨基酸损失（维持需要、内源代谢）或超过需要量分解功能及氨基酸作为能量源优先代谢相关的氨基酸代谢到

35、什么程度仍不明确。鱼类氨基酸代谢的决定性因素值得开展比以往更系统的研究。过量氨基酸代谢氨基酸摄入量超过蛋白沉积需要、维持需要、不可避免的代谢及优先代谢需要的部分将导致过量的氨基酸额外代谢。饲喂一种或多种氨基酸缺乏的日粮将限制蛋白质沉积，限制其他氨基酸的沉积，迫使其他氨基酸的脱氨基作用和代谢。必需氨基酸-生物化学作用及缺乏信号赖氨酸赖氨酸（缩写Lys或K）是一种-氨基酸，分子式HO2CCH(NH2)(CH2)4NH2,赖氨酸含两个氨基，其中一个-氨基，在催化作用下作为通用基团通常参与氢键结合。赖氨酸转录后加工通常包括-氨基甲基化，产生甲基赖氨酸、二甲基赖氨酸、三甲基赖氨酸，也有乙酰化作用（Bux

36、baum,2007）。胶原蛋白包含的羟赖氨酸来源于赖氨酸羟化酶分解赖氨酸（Sassi,2001）。赖氨酰氧化酶在细胞外基质中作用于赖氨酸和羟赖氨酸产生醛赖氨酸和羟赖氨醛。这些分子在稳定胶原蛋白结构的交联形成等过程中是必需的（Sassi,2001）。赖氨酸在鱼和其他动物体蛋白中含量非常丰富。在鱼粉、血粉中含量非常高，在一些植物蛋白原料中含量低，尤其是谷类副产物，如玉米蛋白粉和面筋中非常低。由于-氨基的反应特性，赖氨酸对热和非酶促糖酵解反应非常敏感，结果是产生美拉德反应终产物（Moughan和Rutherfurd,1996）。这些导致赖氨酸不可逆化学损害，降低饲料中可利用赖氨酸数量（Carpent

37、er,1960；Moughan和Rutherfurd,1996）。因此，赖氨酸通常是饲料中的第一限制性氨基酸，尤其是使用高比例植物蛋白或使用恶劣的条件下加工的蛋白原料。除降低生长和饲料利用效率外，赖氨酸缺乏也影响健康，如赖氨酸缺乏导致虹鳟和鲤鱼背鳍和尾鳍腐蚀（Ketola,1983；Guillaume等，1999）。含硫氨基酸及相关分子蛋氨酸（缩写Met或M）和半胱氨酸（缩写Cys或C）是两种含硫氨基酸。蛋氨酸是非极性氨基酸。与其他疏水性氨基酸一样，在识别/结合疏水配体比如脂类方面起重要作用（Brosnan和Brosnan,2006b）。半胱氨酸含一个硫醇侧链，属于亲水性氨基酸。因硫醇的高活性

38、，意味着半胱氨酸是多种蛋白质和酶的一个重要的结构和功能性组分，在一些蛋白质中形成二硫键，在蛋白质链的折叠中起到非常重要RSH+RSH RS+RS(Brosnan和Brosnan,2006b；Buxbaum,2007)。在环境中半胱氨酸容易氧化为胱氨酸（Cys-Cys），通过有机体迅速变成两个半胱氨酸。除作为蛋白质合成的前体外，L-蛋氨酸广泛参与其他代谢反应，包括S-腺苷甲硫氨酸(SAM)（Baker，2006），L-半胱氨酸，谷胱甘肽，牛磺酸，硫酸盐，磷脂酰胆碱和其他磷脂的生产（Brosnan和Brosnan,2006b）。SAM参与肌氨酸、肾上腺素、褪黑激素和精胺、亚精胺的合成（Brosna

39、n和Brosnan,2006b）。L-蛋氨酸也是一个生糖氨基酸，参与D-葡糖糖和糖原的形成。蛋氨酸通过蛋氨酸转移酶转化为SAM。SAM在许多转甲基酶促反应中提供甲基供体，转化为腺苷同型半胱氨酸（SAH）。SAM是仅次于ATP的一个重要的通用分子，多数酶都需要（Brosnan和Brosnan,2006b）。腺苷半胱氨酸激酶转化SAH为同型半胱氨酸，同型半胱氨酸可用于再生成蛋氨酸或半胱氨酸。同型半胱氨酸在蛋氨酸合成酶作用下再生为蛋氨酸（Brosnan和Brosnan,2006b）。也可用甜菜碱在甜菜碱高半胱氨酸甲基转移酶（BHMT）作用下加上甲基得到蛋氨酸。在某种程度上，甜菜碱和胆碱通过提供甲基供

40、体帮助节约蛋氨酸（Baker,2006）。同型半胱氨酸也可转化为半胱氨酸。胱硫醚-合成酶催化同型半胱氨酸和丝氨酸生成胱硫醚。按照生物合成路径，胱硫醚在胱硫醚-裂解酶的作用下分解生成半胱氨酸和-酮丁酸，而不是通过胱硫醚-裂解酶催化（Brosnan和Brosnan,2006b）。-酮酸脱氢酶催化-酮丁酸转化为丙酰辅酶A, 丙酰辅酶A代谢生成琥珀酰辅酶A（Brosnan和Brosnan,2006b）。Walton等（1982）在虹鳟上证明，日粮中半胱氨酸从0提高到2%时，蛋氨酸的需要量降低。Rumsey等（1983）和Cowey等（1992）在其他鱼上（NRC，1993）也得到类似的结果。当日粮中含

41、胱氨酸时，蛋氨酸需要量降低，因为胱氨酸代替蛋氨酸合成半胱氨酸及其衍生物。半胱氨酸不能满足全部蛋氨酸需要，因为胱硫醚合成酶反应的不可逆性，阻止了半胱氨酸被转化为同型半胱氨酸和丝氨酸（Brosnan和Brosnan,2006b）。蛋氨酸与胱氨酸间的转化使得蛋氨酸需要量精确估计变得复杂，因为日粮半胱氨酸水平改变鱼类蛋氨酸需要量。因此，一些研究者表示总含硫氨基酸（TSAA）的需要,或者表示为“Met+Cys”。虹鳟总含硫氨基酸需要量在0.81.1%之间（Rumsey等，1983；Cowey等，1992）。 对各种鱼类而言，日粮半胱氨酸估计可替代40-60%蛋氨酸（Wilson，1992）。斑点叉尾鮰上

42、可替代60%（Harding等，1977），奥利亚罗非鱼上可替代44%（Liou,1989）,虹鳟上可替代42%（Kim等，1992a），美国红鱼和杂交条纹鲈上可替代40%（Moon和Gatlin,1991；Griffin等，1992）。现有证据显示，在已经评估的几种鱼上，半胱氨酸可提供几乎一半用于蛋白质沉积的总含硫氨基酸需要（NRC,1993；Goff和Gatlin,2004）。一些研究结果表明，在鱼上日粮半胱氨酸仅仅0.3%是有效的含硫氨基酸来源，意味着日粮半胱氨酸超过这个量没有蛋氨酸节约效果（Kim等，1992a；Pack等，1995）。建议配方分别考虑蛋氨酸和半胱氨酸需要以确保有效满足

43、动物需要（Rodehutscord等，1995a）。在实践中，许多饲料含过量半胱氨酸，让营养学家主要关注满足蛋氨酸的需要。与其他必需营养素一样，饲喂低蛋氨酸日粮导致生长和饲料利用效率降低。此外，鲑科包括虹鳟、大西洋鲑和湖鳟饲喂蛋氨酸缺乏日粮时，也出现白内障（Poston等，1997）。2-3月后晶状体开始变不透明，取决于蛋氨酸的缺乏程度。在鱼类上，维生素B2、维生素A、锌、色氨酸、最近的组氨酸缺乏也导致眼部疾病的发生（Poston等，1977；Simmons等，1999；Waagbo,2010）。蛋氨酸缺乏影响白内障的机制还没彻底弄明白。然而，可能与蛋氨酸在谷胱甘肽形成中起作用有关。在年长动物

44、的晶状体中出现的氧化损伤被认为与蛋白质相结合的硫醇基团有关。谷胱甘肽合成需要蛋氨酸或N-乙酰半胱胺酸（Ferrer等，1990），谷胱甘肽可能在保护晶状体不受氧化损伤起作用（Cowey等，1992）。低蛋氨酸日粮可能防止晶状体中被氧化的蛋氨酸分子的总额，导致二硫键的形成并发展到眼部浑浊（Simmons等，1999）。 蛋氨酸是最有毒的主要氨基酸。在哺乳动物上，日粮蛋氨酸水平超过2-3倍需要量影响动物的生长（Edmonds和Baker,1987；Baker,2006）。高蛋氨酸摄入对虹鳟的生长似乎也有负面影响（Poppi等，2010）。蛋氨酸毒性被认为是由于SAM在肝脏中的蓄积（Regina等，

45、1993）。添加甘氨酸和丝氨酸可以减轻老鼠的蛋氨酸毒性影响。甘氨酸促进甘氨酸-N-甲基转移酶催化的过量SAM的代谢（Baker,2006）。丝氨酸与同型半胱氨酸结合在一起通过转硫途径形成胱硫醚，然后形成半胱氨酸。该途径最终也能产生牛磺酸，牛磺酸非常容易被动物排泄。Yokoyama和Nakazoa(1992)发现，虹鳟饲喂过量蛋氨酸日粮时，肝脏中胱硫醚的浓度提高，肝脏中丝氨酸水平降低。据此他们推测通过转硫途径胱硫醚比用胱硫醚生物合成半胱氨酸更快。 蛋氨酸同分异构体 用于动物饲料中的大量蛋氨酸是企业通过化学合成生产。化学合成蛋氨酸是D-和L-同分异构体的外消旋混合物（DL-Met）。大多数动物对蛋

46、氨酸D-和L-同分异构体的利用效率相似（Baker,2006）。D-蛋氨酸的利用需要D-氨基酸氧化酶催化脱氨基，随后脱氨基生成L-蛋氨酸。虹鳟能等摩尔利用D-蛋氨酸代替L-蛋氨酸（Kim等，1992a）。这种代谢能力很可能是其他鱼类和甲壳类特有的（Guillaume等，1999）。蛋氨酸羟基类似物蛋氨酸的羟基类似物，2-羟基-4-（硫代甲基）丁酸（HMB或OH-Met）被称为DL-蛋氨酸羟基类似物（MHA），可商业生产并广泛应用于动物饲料（Baker,2006）。HMB与蛋氨酸的区别在于-碳原子上有一个羟基，而不是氨基（Dibner,2003）。像DL-蛋氨酸合成一样，HMB有一个不对称的碳原

47、子，因此也生成L-和D-型同分异构体的外消旋混合物（Baker,2006）。因为HMB用一个羟基替代了一个氨基，因此HMB是一个有机酸（Dibner,2003）。DL-蛋氨酸和HMB通过两种不同的转运系统穿过细胞膜刷状缘进而被吸收（Brachet和Puigserver,1987；Richard等，2005）。蛋氨酸由B氨基酸转运系统转运，而MHA-FA通过氢离子依赖的转运系统转运，即单羧酸转运蛋白1，也参与乳酸的转运（Martin-Venegas等，2007）。HMB被动物吸收后，在肝脏中通过脱氢酶和氧化酶被快速转化为L-Met,其中脱氢酶转化D-型异构体，氧化酶转化L异构体（Baker，20

48、06）。各种形式HMB包括液态游离酸和HMB晶体钙盐的生物学效价已经在陆生动物畜禽上有大量的试验研究。关于HMB相对于DL蛋氨酸的效价仍然有相当大的争议（Jansman等，2003）。汇总大量的禽上研究结果，显示HMB相对生物学效价相当于DL蛋氨酸的75-80%（Jansman等，2003；Baker,2006；Sauer等，2008）。在不同品种鱼上的研究结果也表明，HMB可以作为鱼类的一种蛋氨酸源，但其相对生物学利用率比DL蛋氨酸低（Robinson等，1978；Keembiyehetty和Gatlin,1995,1997a；Cheng等2003a，Goff和Gatlin,2004；Kel

49、ly等，2006）。基于现有试验结果，委员会认为在鱼类上假定HMB的生物学效价相当于DL蛋氨酸的75-80%相对合理。HMB和DL蛋氨酸生物学效价不同可能与这两种化合物的吸收动力学差异有关，在禽上已经证实，但在鱼和甲壳动物上还需要研究。牛磺酸牛磺酸或2-氨基乙磺酸，是一种有机酸。牛磺酸也是胆汁的一个主要组成成分，存在于肠末端，动物组织中也有少量。牛磺酸是半胱氨酸的衍生物，通过转硫途径合成（Goto等，2002）。在文献中通常将牛磺酸称为氨基酸，尽管严格意义上说它并不是一种氨基酸因为它不含羧基。牛磺酸功能包括结合胆汁酸、调节渗透压、作为神经递质发挥作用、稳定细胞膜及抗氧化功能（Lombardin

50、i等，1979；Gaull和Wright,1986；Huxtable，1992）。小分子多肽确定含有牛磺酸，然而，没有识别出含有用于识别牛磺酸并将其合成蛋白质的氨酰tRNA合成酶。一些动物上牛磺酸在渗透压平衡方面似乎是一个主要贡献者。在海水鱼和无脊椎动物上，牛磺酸水平与游离氨基酸总量一样高。研究表明鱼类牛磺酸的生物合成途径和能力存在明显的种间差异（Goto等，2002；Kim等，2008）。某些物种牛磺酸生物合成似乎非常低（Tagaki等，2005）。相对较多的研究表明，牛磺酸可能是某些幼龄海水鱼和虾的条件性必需氨基酸，如牙鲆（Park等，2002；Kim等，2003，2005a,b），欧洲海

51、鲈（Martinez等，2004），真鲷（Goto等，2001），黄尾鰤（Matsunari等，2005；Tagaki等，2005；Kim等，2008），军曹鱼（Lunger等，2007），草虾（Shiau和Chou,1994）,但不是鲤鱼和大西洋鲑的半必需氨基酸（Espe等，2008）。Gaylord等(2006)报道，日粮中添加牛磺酸对虹鳟生长有积极效果。有证据表明，牛磺酸可能是淡水鱼早期生长阶段的条件性必需氨基酸（如幼鱼阶段）（Zhang等，2006）。添加牛磺酸添加量不足0.1%时，可减轻摄食无鱼粉日粮黄尾鰤绿肝病的严重程度（Tagaki等，2005）。该结果暗示，牛磺酸缺乏可能是这种

52、营养性疾病的诱因。因半胱氨酸到牛磺酸合成率的差异、牛磺酸代谢及生理需要量的差异可解释为何在不同种，不同生长阶段及研究结果间存在较大差异。较少的结果显示，牛磺酸对不同淡水鱼生长和对健康的影响程度取决于养殖环境和饲喂日粮的组成。因此确定不同品种对牛磺酸的需要量非常困难。硒代半胱氨酸和硒代蛋氨酸硒代半胱氨酸(缩写Sec或U)是一种氨基酸，存在于少数一些酶中，尤其是谷胱甘肽过氧化物酶、甲状腺素5'-脱碘酶、硫氧还蛋白还原酶、甲酸脱氢酶、甘氨酸还原酶和一些氢化酶。硒代半胱氨酸在氨基酸中是唯一的直接从tRNA合成的氨基酸（Ganichkin等，2008；Castellano等，2009）。硒代半胱

53、氨酸的结构和半胱氨酸类似，只是其中的硫原子被硒取代，侧链为-CH2-SeH。然而，硒代半胱氨酸不是从半胱氨酸合成，而是由丝氨酸合成（侧链-CH2-OH）, 与tRNA通过共价键结合，Se替代氧。硒被转化为硒磷酸，硒磷酸是一种高能分子，以一分子ATP为代价，硒磷酸与丝氨酸反应生成硒半胱氨酸-tRNA（Ganichkin等，2008）。总的来说，硒代半胱氨酸和半胱氨酸在蛋白质中的功能似乎不能互相替代，表明硒代半胱氨酸在脊椎动物代谢中具有重要的特殊作用（Castellano等，2009）。含硒代半胱氨酸的蛋白（硒蛋白）明确说明硒对脊椎动物的必需性，硒蛋白在几种与硒缺乏相关的病理学中具有重要作用（Be

54、hne和Kyriakopoulos,2001；Castellano等，2009）。哺乳动物上，有19种功能明确的硒蛋白，这些硒蛋白都是酶（Behne和Kyriakopoulos,2001）。谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）系的硒蛋白催化脂肪和过氧化氢使其分别还原为脂醇和水，谷胱甘肽作为还原剂(Miranda等，2009)。谷胱甘肽过氧化物酶系是抗氧化系统中一个必须组成部分，以保护细胞膜脂质和大分子免受氧化损伤（Miranda等，2009）。硒代蛋氨酸（Se-met或Sem）是另一种含硒的L-氨基酸。只要可利用硒的量足够，L-Se-met由植物、海洋藻类和酵母与蛋氨酸一起大量合成（Schrauzer

55、,2000）。在动物器官中检测到完整的硒蛋氨酸，表明硒氨基酸以完整形式被吸收并被转运到器官，至少在哺乳动物是这样（Suzuki等，2006）。没有证据表明硒蛋氨酸是必需的营养素。然而，硒蛋氨酸好像是一种生物利用率高的硒源。在活的有机体内，硒蛋氨酸随机替代蛋白中的蛋氨酸。硒蛋氨酸替代蛋氨酸后对蛋白质结构并无显著改变，但若活性位点邻近的蛋氨酸被硒蛋氨酸替代后，将显著影响酶的活性（Scrauzer，2000）。蛋白质中的硒蛋氨酸容易被氧化成Se-met氧化物，Se-met氧化物又容易被谷胱甘肽还原成Se-met。因为Se-met促进硒蛋白比如谷胱甘肽过氧化物酶的合成，硒必须通过酶促降解释放并转化为硒

56、磷酸，而硒磷酸是硒代半胱氨酸合成翻译的底物（Allmang和Krol，2006；Miranda等，2009）。 支链氨基酸：亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸支链氨基酸指含有脂肪族支链的三种氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）。亮氨酸（缩写Leu或L）是含有异丁基R基团的-氨基酸。异亮氨酸（缩写Ile或I）有一个仲丁基支链，该支链是一个脂肪族疏水性支链，有两个不对称碳原子。亮氨酸有四种立体异构体，事实上，仅以一种对映体形式（2S,3S）-2-氨基-3-甲基戊酸存在。缬氨酸（缩写Val或V）有一个异丙基支链。三种支链氨基酸（BCAAs）的关键特性是疏水性。因此在蛋白中，支链氨基酸很大程度上被排除在水环境之外

57、，但它们可与疏水分子很好的相互作用（Brosnan和Brosnan,2006a）。在球状蛋白疏水内核发现大量支链氨基酸，与其他类似氨基酸相互作用，对维持蛋白质三维结构及其相应功能起重要作用（Brosnan和Brosnan,2006a）。这三种必需氨基酸主要沉积于体蛋白尤其是骨骼肌，起着非常重要的结构性作用（Cowey和Walton，1989；Brosnan和Brosnan,2006a）。缬氨酸也参与髓磷脂合成，髓磷脂包裹在神经上，缬氨酸缺乏能导致哺乳动物精神退化。因为支链氨酸在蛋白质结构方面的关键性作用，多数蛋白质都含有相当高比例的支链氨基酸，支链氨基酸在动物消耗的氨基酸占了相当大比例。含蛋白质的膳食后出现支链氨基酸循环量增加，该信号被大量不同组织感知，且对组织产生重要影响（Yang等，2008）。因此，支链氨基酸作为其他组织重要的信号，在这些组织中，大脑和骨骼肌对支链氨基酸浓度做出响应（Brosnan和Brosnan,2006a）。亮氨酸升高并公认为是同化作用的信号，摄入富含蛋白食物后亮氨酸含量升高传递给外周组织，刺激胰腺的B细胞分泌胰岛素，促使肌肉组织合成蛋白质，同时脂肪组织通过雷帕霉素信号途径代谢（Yang等，2