【NCG技术】奶牛氨基酸代谢与吸收

更新时间:2018-11-09  浏览次数:166 次

    奶牛是典型的反刍动物,消化系统拥有瘤胃,瘤胃里面栖息着许多种类的微生物,主要包括原虫、细菌和真菌三大类。瘤胃是迄今已知的降解纤维物质能力最强的天然发酵罐,约50%的粗纤维可在瘤胃内被消化。蛋白质、氨基酸被摄入后,也被降解以生成菌体蛋白。经过瘤胃的消化重组,进入小肠的饲料成分与单胃动物相比有更大的变化。近年来随着动物营养研究的深入发展,氨基酸(AA)代谢成为了动物营养学家的研究重点。奶牛生产与其它动物有着差别,其它动物主要生产肉或者蛋,奶牛则提供牛奶,牛奶富含蛋白质和氨基酸,因此研究奶牛的氨基酸代谢主要包含三个部分:瘤胃氨基酸代谢、小肠氨基酸吸收与代谢、乳腺氨基酸吸收与代谢。

一、瘤胃氨基酸代谢

      蛋白质是反刍动物日粮的最主要氮(N)源,饲料蛋白被瘤胃细菌、原虫、真菌分泌的蛋白水解酶迅速分解,产生的肽和氨基酸(AA)被微生物摄取。因此,瘤胃内游离AA浓度很低。为了使小肠内氨基酸产量达到最大,就必须在满足微生物需要情况下尽可能避免饲料蛋白在瘤胃分解。

1.1瘤胃微生物对蛋白质的降解

      影响瘤胃蛋白质降解率的因素很多,其中蛋白质的理化结构是主要因素之一。蛋白质分解产生的肽和AA被合成微生物蛋白或被微生物降解为NH3;蛋白质不同,其结构也不同,其分解速率和程度也有差别。可溶性蛋白,如酪蛋白,分解产生较多的AA和较少的NH3,并用以合成微生物蛋白。另外,有研究表明日粮类型和微生物种类也与蛋白分解活性有关,新鲜牧草比干燥牧草蛋白降解率高,谷类日粮的蛋白分解率比粗料高。近年来,有新的研究提出,蛋白的分解不仅仅是由瘤胃微生物的作用所致,还与日粮中植物的内源蛋白酶有关。

     肽是蛋白质降解过程的中间产物,不同的瘤胃微生物以不同的速率降解不同的肽。由蛋白质降解形成的多肽经一系列肽酶的作用最终转化为氨基酸,其降解速率与多肽的化学组成和N端结构有关。瘤胃肽降解为氨基酸的速率常常超过微生物利用氨基酸的速率,这一过程的浪费情况取决于二肽的裂解。

     氨基酸的降解是饲料蛋白质降解为NH3的最后一步。瘤胃内AA的积累是由蛋白质的快速降解造成的。AA的产生通常高于瘤胃微生物对AA的利用,过剩的AA被降解,是瘤胃中NH3的重要来源。也有人认为以肽形式存在的AA比相应的游离AA更易被微生物摄取,由于AA和肽被微生物摄取,使得NH3的生成量减少。

      尿素是非蛋白氮的主要来源,尿素在瘤胃中迅速降解产生NH3,然后被微生物利用,其缺点是降解速度太快,以致于NH3浓度过高,从而使N的利用率下降。



1.2瘤胃微生物的氨基酸需要

      根据瘤胃细菌最佳生长的AA需要量,可将其分为两种:结构性碳水化合物(SC)发酵菌和非结构性碳水化合物(NSC)发酵菌。总的来说,SC发酵菌的生长依赖于NH3,而NSC发酵菌利用更多的可利用AA。纤毛虫通过摄取细菌直接利用其AA,并利用细菌体内的碳架,原虫中的AA合成仍有报道,原虫有吸收利用NH3的作用。瘤胃中真菌在降解纤维时起着重要的作用,瘤胃真菌可以产生自身生长所需AA。AA可促进真菌的生长,尤其是芳香族AA。

1.3瘤胃微生物的氨基酸组成

      瘤胃微生物的AA组成是反刍动物蛋白质营养中的关键因素。微生物氮的大部分是以AA-N形式存在的,小部分为非氨基酸氮,这些非氨基酸氮主要是RNA-N(11.3%)和DNA-N(4.1%)及一些非蛋白氮。NRC(1989)在预测微生物蛋白合成量时也认为:主要由细菌和原虫提供的微生物蛋白质含有80%的真蛋白(即可消化总AA)。Clark在关于瘤胃微生物(主要是瘤胃细菌)合成的综述中对34个观察值进行了总结,也得出瘤胃微生物AA-N比例变异范围很大的结论(从54.9%到86.7%,平均为66.5%)。

      单胃动物日粮AA组成估算比反刍动物简单,单胃动物的AA需要只由日粮蛋白供应,而反刍动物则需同时考虑日粮蛋白和微生物蛋白。迄今为止,有关反刍动物瘤胃微生物氨基酸组成比例的变化原因及其调控机制仍然不十分清楚。近年来,基于16SrDNA的分子技术已用于瘤胃微生物种群多样性的研究,瘤胃微生物氨基酸代谢的研究将进入一个新的挑战性时代。




二、小肠氨基酸吸收与代谢

      反刍动物小肠可吸收氨基酸来源于3个部分,即瘤胃微生物蛋白质、饲料非降解蛋白质(包括小肽)和内源分泌的蛋白质。微生物蛋白质是小肠吸收氨基酸的主要来源,奶牛占35%-60%。不同氮源日粮对瘤胃微生物中某些氨基酸的比例有一定影响,不同日粮下微生物氮中氨基酸氮含量间有差异。其变化原因可能是因日粮不同引起进入小肠的微生物种类的不同所致。如果要使反刍动物以最佳状态生长发育,单单只由瘤胃微生物来提供氨基酸是远远不够的,添加外源性AA是使反刍动物发挥最大生产性能的必要前提,在日粮中添加过瘤胃氨基酸能改善奶牛机体的代谢性能,从而提高生产性能。但是,这并不能确保限制性氨基酸能得到满足。要从根本上解决这一问题就要必须确切了解反刍动物限制性AA的种类和限制顺序,掌握小肠中理想氨基酸的模式以及各种氨基酸在小肠中的吸收利用率,然后通过调整日粮的结构来达到调节进入小肠的AA的数量和质量均符合理想AA的组成要求。

     大量研究表明,日粮中添加过瘤胃氨基酸是为反刍动物提供理想小肠氨基酸的简便、直接而又有效的调控方法。日粮中添加限制性氨基酸可降低饲料中蛋白质用量,从而减少氮的排出这些结论在猪、鸡营养上已得到证明。研究表明,蛋氨酸(Met)和赖氨酸(Lys)可能是奶牛的第一限制性氨基酸,二者的限制顺序取决于奶牛日粮中蛋白质的来源和过瘤胃蛋白的数量。虽然过瘤胃氨基酸的应用效果已被证实,但保护性氨基酸在生产实际中还存在一些问题,应用保护性氨基酸时,日粮的粗蛋白质水平、来源、添加量、添加时间及最佳添加比例需要进一步探索,以达到最佳的使用效果。微生物蛋白质小肠消化率较稳定(0.70一0.85,平均为0.80),饲料非降解蛋白质的小肠消化率也有较大变异(60一95%)(INRA,1978)。一般反刍动物对吸收蛋白用于体组织合成的效率较低(10一35%),对补加氨基酸的利用率为40-80%,其原因除了与瘤胃发酵有关外,还与反刍动物组织中氨基酸代谢有关。

     反刍动物小肠氨基酸供应量及其模式是决定氨基酸在动物体内吸收和利用效率的重要因素,也是氨基酸平衡调控的主要目标。主要有以下调控途径:


2.1调控微生物蛋白产量和组成

     调控氮源对反刍的动物瘤胃微生物蛋白产量和进入十二指肠的氨基酸组成有较大的影响。控制瘤胃原虫技术也是一项调控进入十二指肠氨基酸流量和组成的重要措施。生物技术(如转基因技术)为调控瘤胃微生物组成提供了一条有潜在发展意义的途径。




2.2选择蛋白质补充料及其降解率

      通过选择不同蛋白质氨基酸组成的饲料原料,并利用其氨基酸互补性来配制蛋白质浓缩料,从而调控小肠氨基酸组成是一种较实用的有效方法,特别对瘤胃降解率较低的蛋白质补充更为有效。有些蛋白质饲料(如玉米蛋白粉和血粉)在瘤胃降解率较低,但其氨基酸组成上有互补性将会使进入小肠氨基酸组成达到优化。调控蛋白质饲料降解率也是一条重要途径,通过对饲料蛋白质的物理处理(如加热和包被)与化学保护等措施可降低其瘤胃降解率,从而改变进入十二指肠的氨基酸数量和组成。


2.3利用瘤胃保护性氨基酸(RPAA)

      给反刍动物饲喂瘤胃保护性氨基酸(RPAA)是调控进入小肠氨基酸数量和组成的最简便而又直接的方法。氨基酸的保护方法也在不断发展,目前国际上采用的主要化学保护方法为生产氨基酸类似物(如蛋氨酸羟基类似物MHA等)。另一种方法是物理保护法,利用聚合物包被技术,如采用变性蛋白质(玉米蛋白)、脂肪、脂肪酸和钙混合物,脂蛋白和长链脂肪酸钙盐(LCFA)等方法对氨基酸包被均取得良好效果。金属氨基酸鳌合物也是近年来发展起来的一种氨基酸保护技术。




三、乳腺氨基酸吸收与代谢

      乳腺是泌乳奶牛乳蛋白合成的重要器官。氨基酸作为奶牛主要营养物质之一,与乳腺的生长发育及泌乳密切相关。首先,牛乳中90%以上的乳蛋白是乳腺上皮细胞以氨基酸为原料合成的。其次,氨基酸对奶牛的饲料转化效率提高和泌乳量增加也有重要的作用,日粮氨基酸的水平以及氨基酸的平衡性对泌乳反刍动物乳蛋白的合成和乳产量有直接影响。多年来研究人员致力于通过供应不同蛋白源饲料及过瘤胃氨基酸来改变体内营养分配,增加用于乳蛋白合成的可吸收氨基酸的比例来提高乳蛋白产量,并取得了一些进展;但由于没有精确地掌握氨基酸在吸收过程和吸收后的转化过程以及饲料蛋白质过瘤胃保护和饲粮氨基酸平衡性的不足,往往达不到预期的饲养效果,导致蛋白质饲料资源的浪费。因此,只有了解泌乳反刍动物乳腺的氨基酸吸收代谢模式,才能对其进行合理调控,从而达到提高产奶量、改善乳品质的目的。




3.1反刍动物乳腺氨基酸的吸收

      机体组织的氨基酸跨膜转运是由细胞膜上特异的氨基酸转运载体来完成的,氨基酸转运载体是广泛存在于哺乳动物细胞膜上的介导氨基酸跨膜转运的一类功能性蛋白,它们既是氨基酸作为营养物质从细胞外转入细胞内的通道,也是氨基酸进出胞内完成细胞功能的通道。这些转运蛋白促进了单个氨基酸的运输。氨基酸转运载体系统一般以其底物分为中性、酸性和碱性氨基酸转运载体系统,或者以对Na+的依赖性分为Na+依赖性和Na+非依赖性转运系统。Na+依赖性氨基酸转运系统需要一个较高的细胞外液浓度梯度来推动氨基酸向胞内转移,以增加胞内氨基酸浓度。Na+依赖性氨基酸转运系统是一种反向转运模式,即胞外与胞内氨基酸之间的交换。细胞吸收的氨基酸进入胞内,同时胞内氨基酸被排出到细胞外。这种转运模式由细胞内外的游离氨基酸浓度梯度驱动。

      乳腺组织营养物质的供应主要由动脉血中营养物质的浓度、血流量和乳腺上皮细胞的吸收速率决定的;乳腺组织对氨基酸的吸收与血液中氨基酸的浓度、红细胞数、动静脉含量差、氨基酸转运载体等因素有关。就乳腺组织对大多数必需氨基酸的吸收而言,乳腺组织吸收速率和动脉血中氨基酸的浓度呈正相关,但非必需氨基酸则与动脉血中氨基酸的浓度无关。单个氨基酸的总吸收量及进入乳腺上皮细胞的氨基酸模式受以下四个方面的影响:第一,乳腺细胞数量;第二,每个细胞上每种转运蛋白的数量;第三,氨基酸转运蛋白的活性水平;第四,胞内外每种氨基酸的浓度。

      同位素标记技术和乳腺氨基酸动静脉含量差研究均证实乳腺组织能够通过一定的机制从血液中摄取氨基酸来合成乳蛋白,并且氨基酸的供给影响乳腺动脉血液中氨基酸浓度,而乳腺动脉血液中氨基酸的浓度是影响乳腺对氨基酸吸收的主要因素。乳腺从血液中摄取游离氨基酸的主要影响因素是:第一,乳腺氨基酸转运系统的活力;第二,乳腺摄入的血浆游离氨基酸量占血浆总氨基酸量的百分比(Km);第三,血浆游离氨基酸的净摄入量。当乳腺必需氨基酸吸收量超过乳蛋白合成的氨基酸需要量时,则可吸收的必需氨基酸转化为乳蛋白的效率降低。

      乳腺是泌乳反刍动物机体最为特殊的一个器官,反刍动物的乳腺在其生长发育过程中经历了形态和结构上的一系列变化,这些变化和乳腺的代谢密切相关,同时也对乳腺对营养物质的吸收产生重大影响。特别是泌乳期,伴随着泌乳的启动,乳腺组织增加了对营养物质的吸收来满足乳汁合成的需要,在这些营养物质中氨基酸对乳蛋白的合成具有重要的作用。氨基酸转运载体是乳腺及其他组织氨基酸的吸收通道,它们的表达水平在一定程度上反映了氨基酸的吸收情况。反刍动物不同生理时期与体内多种激素的变化调控密不可分,因此,不同生理时期对乳腺氨基酸吸收的影响,可能是各种激素对乳腺及机体其他器官氨基酸转运载体协同调控的结果。



3.2乳腺内氨基酸的代谢

      乳腺作为反刍动物重要的器官其氨基酸的代谢功能非常活跃,乳腺从血液中获得的氨基酸绝大部分直接用于合成乳蛋白,其合成过程与其他组织合成蛋白质的过程相似,都是从粗面内质网的核糖体上开始的,然后由信号肽引导进人内质网腔,并在内质网和高尔基体内进行磷酸化和糖基化等化学修饰过程,再由分泌泡转送到上皮细胞顶膜,通过胞吐的方式释放到腺泡腔中。乳腺摄入的氨基酸除直接用于合成乳蛋白外,仍有一部分氨基酸参与合成细胞的结构蛋白、进入代谢途径合成非必需氨基酸、支链氨基酸和多胺并随着供应量的增加氨基酸的氧化增强或直接进入乳内。



3.3氨基酸对乳蛋白合成的影响

    氨基酸构成较之日粮蛋白质含量对乳腺乳蛋白合成的影响更大。通常认为,乳中酪蛋白的合成受必需氨基酸利用率的限制。泌乳奶牛的限制性氨基酸受泌乳阶段与日粮组分的影响。许多补充限制性氨基酸的试验已证实这一结论,均可使奶牛的乳蛋白产量甚至产奶量和饲料转化效率得到不同程度的提高。给缺乏赖氨酸和蛋氨酸的奶牛日粮提供相应的瘤胃保护性赖氨酸和蛋氨酸,可提高乳及乳蛋白的产量。同时乳腺能够根据乳蛋白合成时需要的氨基酸的量来自我调控乳腺对氨基酸的抽取率。并且乳腺对氨基酸的吸收并非由动脉血中的营养供给来调控,而是由乳腺的代谢来调控的。研究表明,血液所含的氨基酸中,支链氨基酸和赖氨酸分配给乳腺的比例最大,达到全流量的36%。也有研究表明乳腺从血液中获得的支链氨基酸远超过牛奶中支链氨基酸的含量,而乳腺摄取的非必需氨基酸(NEAA)则少于牛奶中的量,这进一步证实支链氨基酸可转化为NEAA。在Griinari等的研究中,当处于高胰岛素钳夹时,乳蛋白产量增加28%,血液中必需氨基酸浓度平均降低26%,而其中支链氨基酸浓度降低达59%,其分解利用率提高。这提示支链氨基酸可能限制了乳蛋白产量的进一步提高。

 

      乳中有5-10%的蛋白质不是由乳腺自身合成的,而是来源于血液,如血浆清蛋白和免疫球蛋白(IgG)等。乳腺内蛋白质的合成包括乳蛋白和组织蛋白的合成。反刍动物分泌的最主要的乳蛋白为酪蛋白和乳清蛋白,其合成过程与其他组织合成蛋白质的过程相似,大约占乳蛋白的90%,其余为牛血清蛋白和IgG,由细胞内转运机制转运到乳中。合成蛋白质的必需氨基酸全部来自血液,部分非必需氨基酸可利用葡萄糖、乙酸、必需氨基酸来合成,其中精氨酸和鸟氨酸是乳腺合成其他氨基酸的主要来源。

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