氨基酸調(diào)控牛奶乳蛋白合成的思路及研究進(jìn)展

江倩茗 郭松長(zhǎng) 張佩華

摘要：營(yíng)養(yǎng)豐富的食品——牛奶幾乎含有人體所有的必需氨基酸，是一種十分營(yíng)養(yǎng)而健康的食品。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注食品的品質(zhì)，蛋白質(zhì)含量是決定牛奶品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，因此提升牛奶的蛋白質(zhì)含量已成為奶業(yè)的關(guān)注點(diǎn)。本文綜述了一種用氨基酸調(diào)控牛奶乳蛋白合成的研究思路，即以血液氨基酸作為分切點(diǎn)，向上游以瘤胃微生物為著眼點(diǎn)研究食物與血液氨基酸的變化，向下游以分子代謝為中心研究血液氨基酸與乳蛋白合成的關(guān)系，為指導(dǎo)生產(chǎn)中牛奶乳蛋白的研究提供思路。

關(guān)鍵詞：牛奶;調(diào)控;乳蛋白合成;研究思路

牛奶中含有豐富的蛋白質(zhì)，且其蛋白質(zhì)含有人體幾乎所有的必需脂肪酸，消化吸收率高，因此具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。要提升牛乳品質(zhì)，提升乳蛋白必不可少。本文綜述了一種精準(zhǔn)調(diào)控乳蛋白合成的研究思路，為今后提升乳品質(zhì)的研究提供借鑒。

1.合成乳蛋白的過(guò)程

乳蛋白由乳腺細(xì)胞分泌，其來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)途徑是血液中蛋白質(zhì)直接轉(zhuǎn)運(yùn)到乳汁.主要成分為抗體，占總蛋白的5～10%：另一個(gè)途徑是從頭合成，占90—95%。從頭合成的乳蛋白的底物是氨基酸，氨基酸的來(lái)源是血液。血液中的氨基酸來(lái)源包括兩個(gè)途徑：（1）食物的消化吸收轉(zhuǎn)化;（2）機(jī)體自身組織蛋白的分解。健康動(dòng)物的絕大多數(shù)血液氨基酸來(lái)源應(yīng)由第一個(gè)途徑提供，以保證機(jī)體所需要的氨基酸。從消化道到血液的氨基酸又有三個(gè)來(lái)源：（1）蛋白質(zhì)在消化道中消化后，氨基酸從小腸上皮細(xì)胞主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入血液;（2）小肽（二肽、三肽）被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入小腸細(xì)胞內(nèi)再分解成為氨基酸后轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入血液;（3）內(nèi)源蛋白。反芻動(dòng)物中進(jìn)入皺胃、小腸的蛋白質(zhì)分為瘤胃非降解飼料蛋白（UCP）和微生物蛋白（ MCP）。MCP是瘤胃可降解蛋白（ RDP）在瘤胃中經(jīng)過(guò)微生物消化合成的。因此食物中UCP的氨基酸能被小腸吸收到血液中，而RDP的氨基酸則由微生物轉(zhuǎn)化為MCP。另外，MCP的合成底物還包括了氨、氨基酸、肽等，其中有新的氨基酸合成。因此，乳蛋白的主要途徑如圖1：

2.研究思路

總體研究思路是以血液氨基酸作為分切點(diǎn)，向上游以瘤胃微生物為著眼點(diǎn)研究日糧與血液氨基酸的變化，向下游以分子代謝為中心研究血液氨基酸與乳蛋白合成的關(guān)系。以血液氨基酸作為分切點(diǎn)，可以有效降低研究時(shí)長(zhǎng)，并且得到較為科學(xué)的提高乳蛋白的方法。

最基礎(chǔ)的研究是下游的乳蛋白合成階段。研究可先采用乳腺細(xì)胞體外培養(yǎng)的方式，優(yōu)化提高乳腺細(xì)胞合成乳蛋白的合理氨基酸比例。研究表明，單純提高日糧粗蛋白質(zhì)和瘤胃非降解蛋白水平難以提高乳蛋白的產(chǎn)量，反而造成浪費(fèi)，但通過(guò)改變氨基酸的比例，可增加氨基酸的吸收比例，提高蛋白質(zhì)的合成量。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)高品質(zhì)乳蛋白的奶牛在血液中的氨基酸比例也有所不同。因此，我們可以用體外培養(yǎng)的方式，以產(chǎn)乳蛋白氨基酸配比為基礎(chǔ)，以奶牛攝人大于合成的氨基酸數(shù)據(jù)作為調(diào)整，結(jié)合前人的數(shù)據(jù)研究大量不同氨基酸比例對(duì)奶牛乳腺上皮細(xì)胞的蛋白合成與調(diào)控，以此找到合理的氨基酸比例。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行血液灌注氨基酸實(shí)驗(yàn)，觀察不同氨基酸配比對(duì)乳品質(zhì)的影響。此時(shí)，乳腺細(xì)胞從血液中吸收氨基酸有選擇性;而且，由于動(dòng)物組織器官的功能受年齡的影響，導(dǎo)致吸收效率在不同年齡、不同時(shí)期也有可能不同。盡管如此，相同物種的基因表達(dá)往往具有較高的相似性，因此有望在一個(gè)品種中的各個(gè)年齡段、各個(gè)時(shí)期找到一個(gè)合適的血液氨基酸配比，以實(shí)現(xiàn)在血液氨基酸層面上精準(zhǔn)調(diào)控乳腺合成的蛋白質(zhì)量，進(jìn)而提高牛奶中的蛋白。

血液氨基酸的來(lái)源不僅受食物蛋白質(zhì)的影響，受微生物的影響也很大。雖然胃腸道對(duì)氨基酸的吸收受動(dòng)物的健康狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)成分等的影響，但在健康動(dòng)物的合理采食的情況下，氨基酸的消化率是極高的。而內(nèi)源蛋白含量極少，因此在此可先忽略。胃腸道吸收的氨基酸絕大部分來(lái)自UCP和MCP，結(jié)合現(xiàn)有研究技術(shù)，一方面可比較飼喂常用日糧奶牛的血液氨基酸含量與高乳蛋白合成的適宜氨基酸之間的差異，然后在日糧添加過(guò)瘤胃氨基酸以達(dá)到精確調(diào)控乳腺合成乳蛋白的效果：另一方面可用體外發(fā)酵等技術(shù)研究MCP的合成機(jī)制，達(dá)成改變氨基酸配比調(diào)控牛奶蛋白質(zhì)的目標(biāo)。然而，奶牛瘤胃微生物的發(fā)酵受多種因素的影響，且存在個(gè)體差異，給實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的精確調(diào)控帶來(lái)困難。

3.當(dāng)前研究概況

3.1血液氨基酸上游：

在理論層面上，健康的動(dòng)物機(jī)體可在承受的范圍內(nèi)攝人更多的氨基酸，機(jī)體就可以吸收更多的氨基酸進(jìn)入血液。同時(shí)，已有實(shí)驗(yàn)表明，在日糧中提高氨基酸的水平可以提高血液氨基酸水平。在姜寧等人和畢曉華等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，均發(fā)現(xiàn)奶牛日糧中添加蛋氨酸能提高血液中蛋氨酸的含量，而過(guò)瘤胃蛋氨酸提高血液中蛋氨酸的效果更好。韓兆玉等人在奶牛日糧中添加過(guò)瘤胃蛋氨酸也得到了類(lèi)似研究結(jié)果。以上表明，用過(guò)瘤胃氨基酸進(jìn)行血液氨基酸適合比例的調(diào)節(jié)具有一定可行性。

日糧對(duì)奶牛血液氨基酸的影響因素較多，不僅可以受日糧蛋白成分的影響，還受瘤胃微生物的影響。顏志輝等人的研究中，發(fā)現(xiàn)日糧酒糟蛋白飼料（DDGS）對(duì)奶牛的血液氨基酸含量有所影響，尤其是隨著DDGS的增加，血液氨基酸中的亮氨酸和苯丙氨酸顯著提高。至于瘤胃微生物，雖然有較多研究的機(jī)制，但受動(dòng)物體內(nèi)微生物種類(lèi)、過(guò)往日糧、地域等等的因素影響;而且，微生物對(duì)氨基酸的轉(zhuǎn)化的研究還不夠明確，因此仍有較大研究的空間。

3.2血液氨基酸下游：

3.2.1 血液氨基酸的攝取

當(dāng)氨基酸消化吸收進(jìn)入血液后，將有進(jìn)入乳腺細(xì)胞的潛在可能。從王小艷的實(shí)驗(yàn)可知，乳腺細(xì)胞對(duì)氨基酸的攝取率有所不同，最多的是蛋氨酸和賴氨酸，攝取率大概為40%;其次是亮氨酸和組氨酸，攝取率約為35%，其他攝取率較高的還有谷氨酸和脯氨酸。另外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)高品質(zhì)奶牛的血液氨基酸水平比低品質(zhì)奶牛的血液氨基酸水平高，可以促進(jìn)乳腺對(duì)氨基酸的攝取率。

影響氨基酸進(jìn)入乳腺細(xì)胞的因素有很多，如：陰外動(dòng)脈中氨基酸的供應(yīng)量和比例、動(dòng)靜脈血流量、氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)效率、能量、脂肪、激素。研究發(fā)現(xiàn)，奶牛在組氨酸缺乏時(shí)可通過(guò)提高血流量增加乳腺吸收乳蛋白的效果，同樣供給奶牛激素類(lèi)物質(zhì)會(huì)提高血流量，但是這種提高乳蛋白的方法在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)奶牛的健康不利。乳腺的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的數(shù)量也是影響氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)的重要因素，而氨基酸載體有多重因素影響，尤其是激素水平。當(dāng)過(guò)量添加氨基酸時(shí)，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)會(huì)減少。研究表明，乳蛋白合成需要大量能量，因此調(diào)配合適氨基酸的同時(shí)要合理提高能量水平。大量的研究證明補(bǔ)飼脂肪的同時(shí)會(huì)降低乳蛋白在牛奶的中的含量，通過(guò)體外乳腺細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄合成水平探究其中的機(jī)制。催乳素、胰島素、生長(zhǎng)激素、瘦素等激素對(duì)乳腺氨基酸攝取都有不同的影響。

3.2.2乳腺攝取血液氨基酸的基本比例模式

Lapierre等根據(jù)乳腺利用必需氨基酸的模式不同，將乳腺攝取的氨基酸分為攝入產(chǎn)出等量組和不等量組，等量組包括Met、Phe （+Tyr）、Trp，這類(lèi)氨基酸的乳腺攝入量與乳蛋白中的產(chǎn)出量相似。不等量組包括Arg、Ile、Leu、Lys、Thr，和Val，這類(lèi)氨基酸的乳腺攝入量大于乳蛋白中的產(chǎn)出量。Mabjeesh等也發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入奶山羊乳腺的亮氨酸大于乳蛋白的量;在Bequette BJ的奶山羊研究中也發(fā)現(xiàn)其乳腺?gòu)难褐袛z取精氨酸的所需量，遠(yuǎn)高于分泌乳蛋白中精氨酸的含量。這說(shuō)明，氨基酸除了作為底物影響乳蛋白的合成外，還參與了其他的生理活動(dòng)，因此在進(jìn)行細(xì)胞研究適宜氨基酸比例時(shí)，此類(lèi)氨基酸應(yīng)在乳蛋白的基本比例下還應(yīng)該額外添加。

首先，氨基酸可以作為信號(hào)傳導(dǎo)分子，調(diào)控蛋白質(zhì)的合成與降解。Kimball等發(fā)現(xiàn)，亮氨酸對(duì)肌動(dòng)蛋白的合成是通過(guò)信號(hào)通路介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。此外，還有大量的實(shí)驗(yàn)表明添加亮氨酸可以促進(jìn)乳蛋白的合成。其次，奶牛乳腺中的氨基酸還能通過(guò)檸檬酸循環(huán)來(lái)供能。Bionaz等在奶牛上的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，某些必需氨基酸具有其他重要功能。例如支鏈氨基酸和賴氨酸，能通過(guò)轉(zhuǎn)氨作用，為合成非必需氨基酸提供N源，而C鏈骨架則可以合成脂肪酸，或?yàn)槿橄傺趸┠堋?/p>

3.2.3氨基酸對(duì)乳腺細(xì)胞乳蛋白合成的影響

近年來(lái)，氨基酸對(duì)蛋白合成的研究也有很多，也證明了用不同比例的氨基酸調(diào)節(jié)乳蛋白合成的研究是可行的?，F(xiàn)階段的研究表明，影響乳蛋白合成的兩個(gè)通路是JAK2 -STAT5通路和mTOR信號(hào)通路，JAK2和STAT5基因不僅維持了妊娠期小鼠乳腺上皮細(xì)胞的增殖和分化還影響著β-酪蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，mTOR信號(hào)通路在奶牛乳蛋白合成翻譯過(guò)程的起始及延伸階段都發(fā)揮了重要的作用，并受到氨基酸水平的影響。

能在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中提高乳蛋白合成的氨基酸有：亮氨酸、甲硫氨酸、組氨酸、精氨酸等。代文婷等研究發(fā)現(xiàn)在乳腺上皮細(xì)胞的培養(yǎng)基中加入適宜濃度的亮氨酸能顯著提高κ-酪蛋白基因mRNA水平。相互印證的是，在龐學(xué)燕的研究中，118.1mg/L～236.2mg/L的亮氨酸能使乳蛋白的合成達(dá)到較好的水平。類(lèi)似，林葉等發(fā)現(xiàn)甲硫氨酸的添加可以提高酪氨酸的合成，并且甲硫氨酸也有調(diào)節(jié)信號(hào)通路的作用。此外，王珊珊等的研究證實(shí)了適合濃度的組氨酸可以通過(guò)JAK2-STAT5信號(hào)通路的調(diào)節(jié)和m TORC1的P-raptor（Ser863）作用于下游靶點(diǎn)P-4EBPl （Thr37）提高β-酪蛋白的表達(dá)。在Chen LM等的研究發(fā)現(xiàn)556.00mg/L的精氨酸能顯著提高酪蛋白的合成。

除此以外，更是有學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究不同氨基酸比例對(duì)酪蛋白合成的效果和機(jī)理。Li等的研究發(fā)現(xiàn)適合比例的氨基酸（ Lys： Met=2.9：1;Thr： Phe=1.05：1; Lys： Thr=1.8：1; Lys： His=2.38：1;and Lys： Val=1.23：1）能提高β-酪蛋白的合成量。Appuhamy等證實(shí)了亮氨酸和異亮氨酸可促進(jìn)體外培養(yǎng)的奶牛乳腺組織、乳腺上皮細(xì)胞m TOR C1的磷酸化激活，促進(jìn)S6K1和4EBP1的磷酸化激活，從而提高乳腺組織及乳腺上皮細(xì)胞乳蛋白合成率。Nan等在研究中發(fā)現(xiàn)乳腺上皮細(xì)胞合成酪蛋白的最合適賴氨酸與蛋氨酸的比例為3：1。高海娜等人發(fā)現(xiàn)添加0.45～10.80mmol/L亮氨酸及0.15～4.80mmol/L組氨酸的亮氨酸或組氨酸可以提高酪蛋白和mTOR信號(hào)通路中與乳蛋白翻譯相關(guān)的表達(dá)，影響乳蛋白的合成。隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，氨基酸對(duì)乳蛋白的合成影響可用westem blot研究，而其中的機(jī)理也可用熒光定量PCR的方法進(jìn)行深入研究。

4.小結(jié)：未來(lái)的研究與應(yīng)用

以血液氨基酸為分切點(diǎn)，運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)研究下游血液氨基酸與乳蛋白關(guān)系，需要專(zhuān)業(yè)人員的操作和高級(jí)實(shí)驗(yàn)儀器的支持，但對(duì)場(chǎng)地面積的要求較低。因此，這種研究適合在專(zhuān)門(mén)的高級(jí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。現(xiàn)在，研究者們?cè)诟淖儼被崤浔纫蕴嵘橄偕掀ぜ?xì)胞乳蛋白合成能力研究領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索，但有待進(jìn)一步系統(tǒng)化。如借助熒光定量PCR等技術(shù)，已經(jīng)可以初步研究其中的機(jī)理，并幫助我們深入理解。另外，乳腺細(xì)胞對(duì)氨基酸的吸收效率的影響因素和具體的規(guī)律等還需要進(jìn)一步的研究，最終實(shí)現(xiàn)找到合理的血液氨基酸配比。

以血液氨基酸為分切點(diǎn)，上游研究血液氨基酸與日糧的關(guān)系，可以通過(guò)過(guò)瘤胃氨基酸進(jìn)行調(diào)整。養(yǎng)殖場(chǎng)可以通過(guò)對(duì)奶牛血液氨基酸的檢測(cè)，判斷所用日糧是否能滿足蛋白質(zhì)的產(chǎn)乳蛋白的需要添加過(guò)瘤胃氨基酸。當(dāng)然，也可以進(jìn)行日糧的優(yōu)化來(lái)達(dá)到合適血液氨基酸的水平，但是還需要對(duì)瘤胃微生物有更深一步的研究。

分子細(xì)胞層面的研究運(yùn)用了高科技技術(shù)，結(jié)果具有可靠性和準(zhǔn)確性，但必須要進(jìn)入指導(dǎo)的層面才能為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值，此思路以分子細(xì)胞層面為基礎(chǔ)，逐步指向生產(chǎn)實(shí)踐，目標(biāo)是使牧場(chǎng)中奶牛產(chǎn)生的牛奶中含有更多的乳蛋白。

參考文獻(xiàn)（略）