功能性氨基酸营养研究进展

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(Kimetal.,2007.Asian-Aust.J.Anim.Sci.Vol.20,No.2:295–306;Lietal..,2007BritishJournalofNutrition98:237-252)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010020030040050030456090110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)JNutr125:2859-286804008001200160030456090110mmol/L胚胎ArginineLeucineOrnithineGlutamine妊娠期ArginineLeucineOrnithineGlutamine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照组精氨酸添加组试验1(n=12；整个妊娠期添加)母体采食量(g/kgBWd)71.0±2.371.2±1.9母体总增重(g/21d)78.5±6.685.0±6.4窝仔数(n)11.3±0.614.5±0.6*活仔数(n/窝)11.3±0.614.5±0.6*初生窝重(g)72.8±5.597.5±6.4*试验2(n=20；妊娠1～7d添加)母体采食量(g/kgBWd)71.1±2.271.3±2.7母体总增重(g/21d)68.0±3.975.3±3.6窝仔数(n)11.4±0.414.7±0.3*活仔数(n/窝)11.3±0.414.7±0.3*初生窝重(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(Zengetal,2008.JNutr,138:1421-1425)。050100150200250d1d3d7d14d21Plasmaconcentration(mmol/L)ArginineCitrullineOrnithineaaaaaabbbcccccc哺乳仔猪血浆氨基酸浓度随年龄的变化FlynnNEetal.(2000)JAnimSci78:2369-2375.Means±SEM,n=20a-c:p0.01.00.40.81.2Sow'sMilkPigletBody母乳中精氨酸/赖氨酸值和仔猪重(d7)Arginine/LysineRatioWuGandKnabeDA(1994)JNutr124:415-424.WuGetal.(1999)JNutr129:1031-1038.Means±SEM,n=10日增重(g/d)精氨酸供给量（%）020406080100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PooledSEM=13mmol/L.abc0%0.2%0.4%a-c:P0.05Kimetal.,2004.JNutr134:625-630.0100200300abcPooledSEM=13g/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。Wangetal.2008.AminoAcid.DOI10.1007/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、α-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Argonmorphologyinthesmallintestineofearly-weanedpigs(Zhanetal.,2008.J.Nut)ArgvillusheightandcryptdepthofweanedpigsafterEscherichiacolilipopolysaccharide(LPS)challenge(Liuetal.2008.Bri.JNut.100,552–560)早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛（H.E,10×10）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(Tanetal.,2008.AminoAcids.DOI:10.1007/s00726-008-0148-0)ABCDArgonimmunoreactiveexpressionofCD34(Zhanetal.,2008.J.Nutr.138:1304–1309)Argincreasingvascularendothelialgrowthfactor(Zhanetal.,2008.J.Nutr.138:1304–1309日龄精氨酸添加量（％）00.20.40.60.87-149b93ab108ab143a142a14-2115b170b186ab214a213a7-21128b132b140ab182a182a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（Yaoetal.,J.Nutr.138:867–872)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0.6~0.8%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Argincreasingnitricoxide(A)andendothelin-1(B)concentration(Zhanetal.,2008.J.Nutr.138:1304–1309)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.FASEBJ)05101520253035404550HLNLLLtreatment4E-BP1Phosphorylation(%Total)ab-γ--β---αaa051015202530354045HLNLLLtreatment4EBP1Phosphoylation(%Total4EBP1)aabb-γ--βγ---α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.FASEBJ.20082:877.12)。亮氨酸00.20.40.60.811.21.41.61.8HLNLLLTreatmentrpS6Phosphorylation(arbitraryunits)aab00.20.40.60.811.21.41.6HLNLLLTreatmentrpS6Phosphorylation(arbitraryunits)abc高亮氨酸提高肌肉和肝脏磷酸化rpS6含量Yinetal.FASEBJ.200822:877.12亮氨酸亮氨酸水平对肌肉和肝脏总mTOR含量的影响0.50.60.70.80.911.11.21.3HLNLLLTreatmentTotalmTOR(arbitraryunits)00.20.40.60.811.21.41.6HLNLLLTreatmentTotalmTOR(arbitraryunits)05101520253035MuscleLiverRelativemTORPhosphorylationonSer2448(arbitraryunits)Group1Group2abTP日粮添加0.6％精氨酸7d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(Yaoetal.,J.Nutr.138:867–872)早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛01234567MuscleLivereIF4GassociatedwitheIF4E(arbitrayunits)Group1Group2ab0.6％Arg提高肌肉eIF4G与eIF4E复合物的活性精氨酸010203040506070MuscleLiver4E-BP1Phosphorylation(%γ-form/Total4E-BP1)Group1Group2αβγab0.6％Arg提高肌肉和肝脏中4E-BP磷酸化活性Yaoetal.,J.Nutr.138:867–872)00.511.52MuscleLiverS6K1Thr389(arbitaryunits)Group1Group20.6％Arg提高肌肉和肝脏中S6K1磷酸化活性05101520253035MuscleLiverRelativemTORPhosphorylationonSe