氨基酸的生物活性及其营养调控功能的研究进展

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、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，这些调节作用最终可影响到动物的生长发育、生产性能以及健康状况。

第一页第二页，共67页。目前研究较多的氨基酸精氨酸谷氨酰胺苏氨酸色氨酸亮氨酸第二页第三页，共67页。1.精氨酸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１）。精氨酸通过其自身或其代谢产物ＮＯ、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。１．１ 精氨酸的代谢途径第三页第四页，共67页。精氨酸是内源性ＮＯ的唯一前体，可在一氧化氮合成酶的作用下生成ＮＯ，ＮＯ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。ＮＯ参与调节产能底物代谢（图２），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ＮＯ还能够促进线粒体生物合成和氧化磷酸化。

第四页第五页，共67页。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。第五页第六页，共67页。１．２精氨酸的营养调控功能精氨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0.125％～1.000％的精氨酸可显著提高肉鸭采食量、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。

１.２.１改善动物采食量及畜禽产品品质第六页第七页，共67页。Mcknight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（ＮＯ、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，也与精氨酸提高能够促进产能底物氧化的基因的表达有关。第七页第八页，共67页。1.2.2调节泌乳功能由于精氨酸的代谢产物ＮＯ具有扩张血管、促进血管生成的作用，因此调控精氨酸－ＮＯ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。第八页第九页，共67页。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ＮＯ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。第九页第十页，共67页。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２－信号转导和转录激活子５、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３）第十页第十一页，共67页。1.2.3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。第十一页第十二页，共67页。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Ｎ－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。第十二页第十三页，共67页。另外，精氨酸对消化道疾病也有一定的预防和改善作用，例如坏死性肠炎。饲粮中补充0.83％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Ｎ－氨基甲酰谷氨酸可显著提高热休克蛋白70（HSP70）的ｍRNA表达量和蛋白含量，表明精氨酸有缓解热应激的作用。第十三页第十四页，共67页。２谷氨酰胺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４）。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，对正常动物的营养代谢也具有一定的调控作用2.1谷氨酰胺的代谢途径第十四页第十五页，共67页。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。第十五页第十六页，共67页。２.２谷氨酰胺的营养调控功能2.2.1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。第十六页第十七页，共67页。谷氨酰胺通过调控相关基因表达保护肠黏膜细胞；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ｍTOR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，第十七页第十八页，共67页。此外，谷氨酰胺的重要中间代谢产物α－酮戊二酸可通过促进ｍTOR及其下游靶标核糖体S6激酶１(S6K1)和真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1(4EBP1)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。第十八页第十九页，共67页。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。第十九页第二十页，共67页。2.2.2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HSP70表达量增加，而HSP70（热休克蛋白）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肝脏、子宫、卵巢组织细胞HSP70的表达，并且HSP70表达量随着谷氨酰胺剂量的加大而增加。第二十页第二十一页，共67页。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。第二十一页第二十二页，共67页。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激的作用，又可以在某种程度上降低疲劳程度。第二十二页第二十三页，共67页。2.2.3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Ｈ来促进Ｈ从尿中排出，从而降低Ｈ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。第二十三页第二十四页，共67页。2.2.4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１周龄肉仔鸡补体C3和免疫球蛋白Ｇ(IgG)水平；１～３周龄肉仔鸡胸腺、脾脏指数；血清中免疫球蛋白Ａ、免疫球蛋白Ｍ和胸腺、法氏囊中白介素－２、白介素－６的水平，并且能够显著提高免疫应激仔猪的免疫器官指数。第二十四页第二十五页，共67页。饲粮中添加0.2％、0.4％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Ｔ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PR39mRNA的表达。第二十五页第二十六页，共67页。2.2.5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0.5％的谷氨酰胺能够显著提高日采食量和日增重，添加1.0％、1.5％的谷氨酰胺显著提高了半净膛率，３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。第二十六页第二十七页，共67页。用分别含０（对照组）、0.4％、0.7％和1.0％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，56~70ｄ和42~70ｄ的料重比线性降低，1.0％谷氨酰胺组的料重比显著低于对照组。饲粮中补充1.0％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、非脂乳固体含量的趋势。第二十七页第二十八页，共67页。３亮氨酸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α-酮异己酸和β-羟基-β-甲基丁酸都可调节营养物质代谢（图５）。3.1 亮氨酸的代谢途径须第二十八页第二十九页，共67页。３．２亮氨酸的营养调控功能亮氨酸通过促进胰岛素和胰高血糖素样肽-１（GLP1）分泌来降低机体血糖。亮氨酸可依赖于ｍＴＯＲ信号通路或不依赖ｍTOR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。３．２．１调节营养物质代谢第二十九页第三十页，共67页。但亮氨酸促进蛋白质合成的作用可能具有组织特异性，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。第三十页第三十一页，共67页。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1.0ｇ过瘤胃保护性亮氨酸可以促进绵羊骨骼肌ｍTOR信号通路中4EBP1和S6K1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α－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，如不同水平亮氨酸或β-羟基-β-甲基丁酸有提高绒山羊的绒长、绒厚、净绒率的趋势。第三十一页第三十二页，共67页。３．２．２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。第三十二页第三十三页，共67页。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α-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（BCAT）的作用下转化为α-酮异己酸，α-酮异己酸在脱氢酶的作用下氧化脱羧生成异戊酰-CoA，异戊酰-CoA进一步转化为β-羟基-β-甲基丁酸-CoA，接着它被２种不同的脱氢酶氧化后，形成乙酰CoA和乙酰乙酸。第三十三页第三十四页，共67页。哺乳动物体内的BCAT分为２种类型：线粒体型（ｍBCAT）和胞质型（ｃBCAT），Desantia等在小鼠乳腺中发现了ｍBCAT，而且在泌乳期，大鼠乳腺内ｍBCAT的基因表达、蛋白质合成及其活性至少要非泌乳期高10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ｍBCAT基因，而且ｍBCAT的活性与产奶量相关。第三十四页第三十五页，共67页。体外培养基中去除亮氨酸可显著降低奶牛乳腺上皮细胞β－乳球蛋白的合成，以及ｍTOR下游靶标4EBP1和S6K1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。第三十五页第三十六页，共67页。3．2．3其他功能亮氨酸具有调节激素分泌、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β-羟基-β-甲基丁酸可通过提高血清中IgG、IgＭ的含量，降低血清中可溶性CD４和CD８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α－淀粉酶的分泌。第三十六页第三十七页，共67页。４色氨酸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。４．１ 色氨酸的代谢途径第三十七页第三十八页，共67页。色氨酸是５－羟色胺、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、烟酸、褪黑激素等重要物质的前体物，其中５－羟色胺通过与其受体结合调节动物中枢神经系统；ＮＡＤ是一种重要的氧化还原辅酶，在呼吸链中发挥重要作用；烟酸具有调节消化道健康和血液循环的作用；褪黑激素具有调节内分泌、抗氧化等多种功能（图６）。第三十八页第三十九页，共67页。４．２色氨酸的营养调控功能人们首先发现色氨酸具有调节动物采食量的作用。饲粮中添加适当水平的色氨酸可调节动物采食量，这种作用可能与色氨酸及其代谢产物５－羟色胺参与神经调节以及刺激调控食欲的相关激素的合成与分泌有关。例如，zhang等发现色氨酸可通过促进胃肠激素（ghrelin）的分泌和胃肠黏膜ghrelinｍＲＮＡ的表达来增进断奶仔猪食欲和促进采食。4.2.1调控采食和营养物质代谢第三十九页第四十页，共67页。色氨酸参与调节体内蛋白质代谢，试验表明，在蛋鸡饲粮中添加适宜水平的色氨酸能够促进机体的蛋白质代谢，提高产蛋性能。饲粮色氨酸对生长猪的氮沉积也具有显著影响。魏宗友等研究发现，５～１０周龄扬州鹅饲粮中添加适宜水平的色氨酸可显著提高胸肌率。第四十页第四十一页，共67页。色氨酸调节蛋白质合成与降解可能与其参与调节蛋白质合成与降解的信号途径有关，在鹅上的研究表明，色氨酸是通过上调参与调控蛋白质合成基因的ｍＲＮＡ表达量、蛋白合成量及磷酸化水平，降低促进蛋白质降解基因表达来促进腿肌蛋白质沉积的。第四十一页第四十二页，共67页。此外，它可能还可通过调节体内激素分泌，例如提高血液中胰岛素样生长因子-Ⅰ（IGFI）水平来调节蛋白质代谢。除了蛋白质代谢，色氨酸也参与调节体内脂肪代谢，试验观察到在显著降低蛋鸡肝脂率和腹脂率的同时能显著提高血清极低密度脂蛋白胆固醇含量和腹脂组织中激素敏感脂肪酶活性。第四十二页第四十三页，共67页。４．２．２调节神经和免疫功能色氨酸通过其代谢产物５-羟色胺的中枢神经调节作用来减少动物因应激发生的争斗行为。饲粮中添加0.04％的色氨酸可显著改善蛋雏鸭提高机体的抗氧化能力，促进免疫器官的发育，提高其生长性能。肉鸡饲粮中补充色氨酸和精氨酸能显著提高血α－干扰素、γ－干扰素以及免疫球蛋白含量，增强肉鸡抵抗传染性法氏囊病的能力。第四十三页第四十四页，共67页。色氨酸缺乏可以引起扬州鹅脾脏组织淋巴细胞生长受抑制并发生凋亡，适当补充色氨酸可促进脾脏组织淋巴细胞的增殖与分化，从而有利于改善扬州鹅免疫力。第四十四页第四十五页，共67页。近年来还发现色氨酸可不依赖于维生素Ｂ6独立调节断奶仔猪的体内的免疫反应，提高仔猪免疫力。色氨酸的一些代谢产物也参与免疫调节，例如羟基喹啉可通过补充白细胞内的NAD来缓解氧化应激造成的NAD的减少来调节免疫。第四十五页第四十六页，共67页。4．2．3色氨酸代谢产物对反刍动物的作用色氨酸的代谢产物褪黑激素可通过调节其他激素分泌及皮肤脱碘酶活性来促进绒山羊产绒。这种作用还可能与褪黑激素调节参与调节调控产绒的基因表达和信号转导有关，例如，褪黑激素可提高参与毛囊生长的信号转导的Wnt10b基因在绒山羊皮肤组织中毛囊休止期和退行期的表达量，通过调节PDGFA基因表达缩短毛囊生长周期。第四十六页第四十七页，共67页。除了促进产绒，褪黑激素对免疫和繁殖也有调控作用。色氨酸的代谢产物烟酸在反刍动物上研究较多，烟酸在调节瘤胃微生物菌群和消化率、酮症的预防、抗应激以及产奶量和乳成分含量与产量等方面均可发挥积极作用。第四十七页第四十八页，共67页。５苏氨酸苏氨酸是动物体内的重要的必需氨基酸之一，体内苏氨酸在不同的酶的作用下有不同的代谢途径（图7），但主要是在苏氨酸脱氢酶作用下生成丙酮酸、甘氨酸和乙酰辅酶Ａ。在猪上的研究表明，苏氨酸的这种分解代谢仅在肝脏和胰腺中发生。。５．１苏氨酸的代谢第四十八页第四十九页，共67页。在饥饿条件下，苏氨酸可在苏氨酸脱水酶的作用下生成α－酮丁酸和氨。除了苏氨酸脱氢酶和脱水酶之外，苏氨酸可受到苏氨酸醛缩酶的作用第四十九页第五十页，共67页。５．２苏氨酸的营养调控功能饲粮中添加适宜量的苏氨酸可显著提高动物采食量和生产性能，尤其是在低蛋白质饲粮条件下补充苏氨酸对动物生产性能具有更明显的改善作用。饲粮补充添加0.1％～0.4％的苏氨酸能极显著提高肉兔平均日采食量，在肉仔鸡饲粮中添加0.04％的苏氨酸能明显提高生产性能和肉鸡的均匀度。５．２．１改善低蛋白质饲粮下的动物生产性能第五十页第五十一页，共67页。在低蛋白质饲粮条件下，添加较高水平的苏氨酸能改善肉鸡胴体组成，提高腹脂、胸脂含量以及胴体与屠体重的比值添加0.1％～0.3％的苏氨酸可显著提高蛋鸡饲料利用率、产蛋率和蛋壳质量，促进鸡蛋蛋白质的沉积；补充苏氨酸显著增加鸭羽毛质量和长度。第五十一页第五十二页，共67页。生产实际中必须考虑苏氨酸的适宜添加量，因为过量的苏氨酸很可能导致动物采食量和生产性能的下降，其机理到目前还未阐明。第五十二页第五十三页，共67页。５．２．２免疫调节作用当动物处于免疫应激条件下，免疫球蛋白的大量合成易引起饲粮苏氨酸的缺乏和体蛋白质的动员，因此饲粮中补充苏氨酸有利于改善动物的免疫性能，提高抗病能力。据报道，饲粮中补充苏氨酸可显著提高小